船用甲烷重整器实验与数值模拟研究

发布时间：2021-05-11 08:04

　　随着经济社会的快速发展,人们对节能环保的要求越来越高。海运业作为耗能大户,新能源船舶的开发显得尤为重要。燃料电池具有高能效、低排放、低噪音、布置灵活等诸多优势,有望成为潜艇、LNG、科学勘探船等船舶上代替传统动力装置的新技术。氢气作为燃料电池的主要燃料之一,具有不易大量储存的特点。因此,将燃料电池船商用化,解决氢燃料的贮藏是关键。天然气资源丰富、易于储存,且作为船载货物,有着成熟的载运管理体系。因此利用天然气在船舶运行途中现场制氢,是解决这一难题的有效途径。尽管甲烷水蒸气重整制氢过程易于控制,产氢率高,但其工业设备体积庞大,不利于在有限空间的船舶领域直接应用。因此,设计船用紧凑型甲烷重整器成为航运业亟待解决的关键问题。微通道双向耦合的紧凑型甲烷重整器既能满足海上环境对设备的要求,因此具有很大的开发潜力。目前对甲烷水蒸气重整的研究主要集中在催化剂的制备与优化上,以提高甲烷转化率、一氧化碳选择性、催化剂抗积碳能力等重要性能,国内外有很多针对催化剂的活性组分、助剂和载体的研究。基于这些研究,本文的工作主要有:（1）设计并搭建甲烷水蒸气重整反应的实验与测试平台,制作了小型甲烷重整器。（2）使用... 

【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校

【文章页数】：70 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
符号说明表
1 绪论
    1.1 船用能源发展现状
        1.1.1 船用能源消费状况
        1.1.2 新能源船舶发展现状
        1.1.3 燃料电池研究状况
        1.1.4 氢能源发展现状
    1.2 甲烷水蒸气重整制氢的研究进展
        1.2.1 传统甲烷水蒸气重整制氢
        1.2.2 甲烷水蒸气重整的工艺条件
        1.2.3 反应机理
    1.3 甲烷水蒸气重整催化剂研究现状
        1.3.1 催化剂中活性组分
        1.3.2 催化剂中助剂
        1.3.3 催化剂中载体
        1.3.4 催化剂失活
    1.4 船用紧凑型甲烷重整器的设计
        1.4.1 船用紧凑型甲烷重整器的反应器设计
        1.4.2 紧凑型甲烷蒸汽重整器在船舶领域应用的优势
    1.5 论文目的与主要工作
2 甲烷水蒸气重整实验台的设计搭建与实验准备
    2.1 引言
    2.2 甲烷水蒸气重整实验测试平台的设计与搭建
        2.2.1 甲烷水蒸气重整实验装置的设计
        2.2.2 甲烷水蒸气重整实验台搭建
        2.2.3 甲烷水蒸气重整反应器
        2.2.4 测试仪器及相关设备
    2.3 催化剂的制备与表征
        2.3.1 化学药品及气体
        2.3.2 主要实验设备
        2.3.3 测量载体吸水率
        2.3.4 制备催化剂
        2.3.5 催化剂表征
    2.4 实验准备
        2.4.1 水蒸气量的标定
        2.4.2 气密性检验
        2.4.3 空白实验
        2.4.4 催化剂填充
        2.4.5 催化剂还原
    2.5 实验结果评价及分析方法
    2.6 本章小结
3 甲烷水蒸气重整反应中镍基催化剂的性能评价
    3.1 引言
    3.2 实验方案
    3.3 载体CeO_2与Al_2O_3对镍基催化剂催化活性的影响分析
    3.4 不同Ni负载量下Ni/CeO_2的催化活性
    3.5 不同Ni负载量下Ni/CeO_2的晶相与结构
        3.5.1 XRD分析
        3.5.2 SEM分析
    3.6 助剂Mg与Sr对催化剂的改性研究
        3.6.1 助剂Mg对催化剂活性的影响
        3.6.2 助剂Sr对催化剂活性的影响
        3.6.3 镍基催化剂助剂的选择
    3.7 催化剂稳定性实验
        3.7.1 稳定性试验结果
        3.7.2 SEM分析
    3.8 本章小结
4 甲烷水蒸气重整反应的工况条件研究
    4.1 引言
    4.2 甲烷水蒸气重整反应温度的研究
    4.3 甲烷水蒸气重整水碳比的研究
    4.4 甲烷水蒸气重整空速的研究
    4.5 本章小结
5 重整反应器的数值模拟分析
    5.1 引言
    5.2 模型的建立
        5.2.1 物理模型
        5.2.2 数学模型
        5.2.3 边界条件
        5.2.4 网格无关性验证
    5.3 模拟结果与分析
        5.3.1 模型验证
        5.3.2 反应物沿程组分分布
        5.3.3 流道重整速率分布
    5.4 紧凑型甲烷重整器优化方案
    5.5 本章小结
结论
    展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读硕士学位期间的科研成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]典型船舶燃料电池推进系统研究[J]. 潘其永,朱子文,郑青榕,纪厚芝.  船舶工程. 2016(04)
[2]固体氧化物燃料电池作为动力源在船舶应用中的关键技术问题[J]. 张亮,张维竞,崔贤.  中国舰船研究. 2011(06)
[3]稀土镱助剂及制备方法对镍基催化剂天然气水蒸气重整性能的影响[J]. 徐立昊,米万良,苏庆泉.  化工学报. 2011(04)
[4]Ni-Co双金属催化剂上沼气重整制氢机理[J]. 徐军科,沈利红,周伟,马建新.  物理化学学报. 2011(03)
[5]助剂MgO、CaO对甲烷水蒸气重整Ni/γ-Al2O3催化性能的影响[J]. 赵云莉,吕永康,常丽萍,鲍卫仁.  燃料化学学报. 2010(02)
[6]甲烷重整制氢用催化剂的研究进展[J]. 杨修春,韦亚南.  材料导报. 2007(05)
[7]对我国能源现状及未来发展的几点思考[J]. 詹华,姚士洪.  能源工程. 2003(03)
[8]碱土金属对甲烷与空气制合成气Ni/CaO-Al2O3催化剂性能的影响[J]. 尚丽霞,谢卫国,吕绍洁,邱发礼.  燃料化学学报. 2001(05)
[9]Ni基催化剂上甲烷与空气或O2/水蒸气部分氧化制合成气（英文）[J]. 季亚英,李文钊,陈燕馨,于春英,于丰云,徐恒泳.  Journal of Natural Gas Chemistry. 2000(04)

博士论文
[1]微通道内气体流动换热的理论与实验研究[D]. 张田田.北京交通大学 2011
[2]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



本文编号：3181054