太阳能耦合烟气供热的甲烷重整制氢过程数值模拟
发布时间：2021-01-14 05:20
氢气燃烧只产生水,不产生硫化物及碳氢化合物,因此氢气被称为零碳燃料。工业上,甲烷重整制氢是采用较多的制氢方法,主要包括甲烷蒸汽重整制氢（Steam Methane Reforming,SMR）和甲烷自热重整制氢（Auto-thermal Reforming of Methane,ATR）。但是,甲烷重整制氢过程需要输入大量的热能,因此需要清洁的能源供热。太阳能是一种普遍、无害且能量巨大的清洁能源,将其作为甲烷重整制氢的热源是非常有优势的。另外,工业生产过程中产生大量的高温烟气,其蕴含的热能还未被有效利用,因此可以将高温烟气耦合太阳能作为重整制氢反应的热源。本文设计了热量耦合利用的甲烷重整制氢系统,对高温烟气供热的SMR反应器内传输特性和影响因素进行了数值分析。进一步针对ATR反应器进行优化设计,研究了操作参数、材料参数和结构参数对反应过程和反应器性能的影响。论文首先针对太阳能耦合高温烟气供热的甲烷重整制氢系统进行设计。选择碟形抛物面聚光系统,将蓄热器和接收器结合起来,实现热量的储存和利用。由质量和热量衡算,结合对国内外太阳能高温热利用系统效率的调研,根据所研究的反应器尺寸,确定了相变材...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
050年全球能源资源分布
鞯拇?却?市阅堋?1.2国内外研究现状1.2.1太阳能热化学制氢方法目前，采用太阳能作为热源，通过碳氢燃料发生化学反应制取氢气的技术被称为太阳能热化学制氢方法[10]，对其的研究在反应器和催化剂等研究领域已取得突出成果[11]。但是，此技术尚不成熟、存在许多实际应用上的问题，故仍具有较大的发展空间[12]。下面介绍作用于不同温度范围的太阳能热化学制氢过程[13]。洪慧等[14-17]提出了一种新型的太阳热化学制氢方法，将甲醇蒸汽重整反应和中、低温太阳能热能整合，形成低品位的太阳能与燃气轮机联合循环互补系统。图1.2为利用的中、低温太阳热能（150-300℃）驱动甲醇重整产氢反应的原理图。甲醇吸热重整反应将低品位太阳能转换为合成气中的高品位化学能，合成气包括一氧化碳和氢气，合成气燃烧后驱动燃气轮机做功。这样的能量转换过程具有以下优点：将太阳能从低品位的物理能提升到高品位的化学能；合成气可通过燃气轮机进行热转功。图1.2太阳能驱动甲醇重整反应原理图[14]Fig.1.2Principlediagramofmethanolreformingreactiondrivenbysolarenergy
1绪论3刘启斌等[18-20]搭建了太阳能推动甲醇热解反应实验平台，实验装置如图1.3。系统使用5kW的太阳能反应器在150-300℃和大气压下进行甲醇制氢实验，甲醇燃烧产生一氧化碳和氢气，产物气进入燃烧室燃烧后与来自压缩机的高压气体混合，一同进入燃气透平做功。从燃气透平中出来的气体进入双压余热锅炉，与来自冷凝器的液体进行换热，换热后气体进入蒸气透平做功。实验结果表明，该系统的太阳能发电效率达到35%，甲醇转化率可以达到90%，每摩尔甲醇最大氢气收率为2.65-2.90摩尔，反应产物中氢气浓度可达66%-74%，接近理论最大值，太阳能热能转化为化学能的热化学效率在30-50%范围内，说明这种制氢方法在实际应用中是可行的。另外，基于实验数据还可以得出太阳能驱动的甲醇蒸汽重整动力学模型。图1.3通州5kW太阳能热化学热解甲醇反应器实验系统[18]Fig.1.3Tongzhou5kWsolarthermalchemicalpyrolysismethanolreactorexperimentalsystem王艳娟[21]以廊坊中低温太阳能——甲醇热化学燃料转换及发电实验平台为基础，如图1.4所示。研究关键运行参数对系统转换性能的影响规律，探究提高太阳能热化学系统热效率的方法，优化中低温太阳能吸收/反应器流程。实验结果表明，太阳能吸收/反应器随着其进口面积的增加和出口面积的降低而提高，采用变直径吸收/反应管比传统吸收/反应管可得到更高的催化剂床层温度。通过调节沿程太阳能聚光比和接受/反应管的接收辐射量，可以改善系统效率。
【参考文献】：
期刊论文
[1]太阳能热发电系统蓄热装置的模拟研究[J]. 崔海亭,李宁,赵华丽,刘东岳. 流体机械. 2016(05)
[2]热化学蓄热系统研究进展[J]. 王智辉,漥田光宏,杨希贤,刘学成,何兆红,大坂侑吾,黄宏宇. 新能源进展. 2015(04)
[3]基于柴油-蒸汽重整的化学回热循环热力计算[J]. 潘福敏,郑洪涛,刘倩. 推进技术. 2015(03)
[4]热管式甲醇制氢反应器温度分布的模拟研究[J]. 刘慧,虞斌,金天亮,邓昂. 轻工机械. 2014(06)
[5]太阳能热化学互补发电系统的变辐照性能研究[J]. 刘秀峰,洪慧,金红光. 工程热物理学报. 2014(12)
[6]太阳能热化学储能研究进展[J]. 吴娟,龙新峰. 化工进展. 2014(12)
[7]化学蓄热材料的开发与应用研究进展[J]. 杨希贤,漥田光宏,何兆红,小林敬幸,邓立生,黄宏宇. 新能源进展. 2014(05)
[8]光煤互补发电的效率相对收益率评价[J]. 赵雅文,洪慧,金红光. 工程热物理学报. 2014(10)
[9]太阳能高温热化学反应器研究进展[J]. 马婷婷,朱跃钊,陈海军,马炎,金丽珠,杨丽,廖传华. 化工进展. 2014(05)
[10]太阳能制氢与燃料电池系统集成特性[J]. 曹艳楠,杜小泽,杨立军,杨勇平. 工程热物理学报. 2013(12)
博士论文
[1]中低温太阳能与甲醇热化学互补的分布式能源系统集成[D]. 许达.中国科学院工程热物理研究所 2017
[2]聚光太阳能与热化学反应耦合的发电系统研究[D]. 王艳娟.中国科学院研究生院(工程热物理研究所) 2015
[3]太阳能碟式/碱金属热电转换系统中热管式吸热器对流热损失特性研究[D]. 肖兰.重庆大学 2012
[4]甲烷蒸汽重整反应本征动力学及微通道反应器性能研究[D]. 漆波.重庆大学 2009
[5]太阳能热泵潜热蓄热供暖系统性能研究[D]. 韩宗伟.哈尔滨工业大学 2008
[6]热管技术在化学反应器中的应用研究[D]. 王军.南京工业大学 2004
硕士论文
[1]余热回收式甲醇水蒸气重整制氢微反应器性能研究[D]. 刘艳云.重庆大学 2017
[2]双蓄式太阳能热水系统的控制策略及优化设计研究[D]. 李晨光.西安建筑科技大学 2016
[3]高汇聚太阳能流下甲烷水蒸气重整制氢的瞬态特性的研究[D]. 闫振宇.哈尔滨工业大学 2015
[4]新型太阳能集热器性能分析与研究[D]. 吕园园.中南大学 2013
[5]5kW碟式太阳能斯特林发电系统的设计和研制[D]. 高敏.内蒙古科技大学 2012
[6]碟式太阳能吸热器的性能实验研究[D]. 李珍.兰州理工大学 2012
本文编号：2976295
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
050年全球能源资源分布
鞯拇?却?市阅堋?1.2国内外研究现状1.2.1太阳能热化学制氢方法目前，采用太阳能作为热源，通过碳氢燃料发生化学反应制取氢气的技术被称为太阳能热化学制氢方法[10]，对其的研究在反应器和催化剂等研究领域已取得突出成果[11]。但是，此技术尚不成熟、存在许多实际应用上的问题，故仍具有较大的发展空间[12]。下面介绍作用于不同温度范围的太阳能热化学制氢过程[13]。洪慧等[14-17]提出了一种新型的太阳热化学制氢方法，将甲醇蒸汽重整反应和中、低温太阳能热能整合，形成低品位的太阳能与燃气轮机联合循环互补系统。图1.2为利用的中、低温太阳热能（150-300℃）驱动甲醇重整产氢反应的原理图。甲醇吸热重整反应将低品位太阳能转换为合成气中的高品位化学能，合成气包括一氧化碳和氢气，合成气燃烧后驱动燃气轮机做功。这样的能量转换过程具有以下优点：将太阳能从低品位的物理能提升到高品位的化学能；合成气可通过燃气轮机进行热转功。图1.2太阳能驱动甲醇重整反应原理图[14]Fig.1.2Principlediagramofmethanolreformingreactiondrivenbysolarenergy
1绪论3刘启斌等[18-20]搭建了太阳能推动甲醇热解反应实验平台，实验装置如图1.3。系统使用5kW的太阳能反应器在150-300℃和大气压下进行甲醇制氢实验，甲醇燃烧产生一氧化碳和氢气，产物气进入燃烧室燃烧后与来自压缩机的高压气体混合，一同进入燃气透平做功。从燃气透平中出来的气体进入双压余热锅炉，与来自冷凝器的液体进行换热，换热后气体进入蒸气透平做功。实验结果表明，该系统的太阳能发电效率达到35%，甲醇转化率可以达到90%，每摩尔甲醇最大氢气收率为2.65-2.90摩尔，反应产物中氢气浓度可达66%-74%，接近理论最大值，太阳能热能转化为化学能的热化学效率在30-50%范围内，说明这种制氢方法在实际应用中是可行的。另外，基于实验数据还可以得出太阳能驱动的甲醇蒸汽重整动力学模型。图1.3通州5kW太阳能热化学热解甲醇反应器实验系统[18]Fig.1.3Tongzhou5kWsolarthermalchemicalpyrolysismethanolreactorexperimentalsystem王艳娟[21]以廊坊中低温太阳能——甲醇热化学燃料转换及发电实验平台为基础，如图1.4所示。研究关键运行参数对系统转换性能的影响规律，探究提高太阳能热化学系统热效率的方法，优化中低温太阳能吸收/反应器流程。实验结果表明，太阳能吸收/反应器随着其进口面积的增加和出口面积的降低而提高，采用变直径吸收/反应管比传统吸收/反应管可得到更高的催化剂床层温度。通过调节沿程太阳能聚光比和接受/反应管的接收辐射量，可以改善系统效率。
【参考文献】：
期刊论文
[1]太阳能热发电系统蓄热装置的模拟研究[J]. 崔海亭,李宁,赵华丽,刘东岳. 流体机械. 2016(05)
[2]热化学蓄热系统研究进展[J]. 王智辉,漥田光宏,杨希贤,刘学成,何兆红,大坂侑吾,黄宏宇. 新能源进展. 2015(04)
[3]基于柴油-蒸汽重整的化学回热循环热力计算[J]. 潘福敏,郑洪涛,刘倩. 推进技术. 2015(03)
[4]热管式甲醇制氢反应器温度分布的模拟研究[J]. 刘慧,虞斌,金天亮,邓昂. 轻工机械. 2014(06)
[5]太阳能热化学互补发电系统的变辐照性能研究[J]. 刘秀峰,洪慧,金红光. 工程热物理学报. 2014(12)
[6]太阳能热化学储能研究进展[J]. 吴娟,龙新峰. 化工进展. 2014(12)
[7]化学蓄热材料的开发与应用研究进展[J]. 杨希贤,漥田光宏,何兆红,小林敬幸,邓立生,黄宏宇. 新能源进展. 2014(05)
[8]光煤互补发电的效率相对收益率评价[J]. 赵雅文,洪慧,金红光. 工程热物理学报. 2014(10)
[9]太阳能高温热化学反应器研究进展[J]. 马婷婷,朱跃钊,陈海军,马炎,金丽珠,杨丽,廖传华. 化工进展. 2014(05)
[10]太阳能制氢与燃料电池系统集成特性[J]. 曹艳楠,杜小泽,杨立军,杨勇平. 工程热物理学报. 2013(12)
博士论文
[1]中低温太阳能与甲醇热化学互补的分布式能源系统集成[D]. 许达.中国科学院工程热物理研究所 2017
[2]聚光太阳能与热化学反应耦合的发电系统研究[D]. 王艳娟.中国科学院研究生院(工程热物理研究所) 2015
[3]太阳能碟式/碱金属热电转换系统中热管式吸热器对流热损失特性研究[D]. 肖兰.重庆大学 2012
[4]甲烷蒸汽重整反应本征动力学及微通道反应器性能研究[D]. 漆波.重庆大学 2009
[5]太阳能热泵潜热蓄热供暖系统性能研究[D]. 韩宗伟.哈尔滨工业大学 2008
[6]热管技术在化学反应器中的应用研究[D]. 王军.南京工业大学 2004
硕士论文
[1]余热回收式甲醇水蒸气重整制氢微反应器性能研究[D]. 刘艳云.重庆大学 2017
[2]双蓄式太阳能热水系统的控制策略及优化设计研究[D]. 李晨光.西安建筑科技大学 2016
[3]高汇聚太阳能流下甲烷水蒸气重整制氢的瞬态特性的研究[D]. 闫振宇.哈尔滨工业大学 2015
[4]新型太阳能集热器性能分析与研究[D]. 吕园园.中南大学 2013
[5]5kW碟式太阳能斯特林发电系统的设计和研制[D]. 高敏.内蒙古科技大学 2012
[6]碟式太阳能吸热器的性能实验研究[D]. 李珍.兰州理工大学 2012
本文编号：2976295
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