反应吸附强化沼气水蒸汽重整制氢研究

发布时间：2017-08-01 10:17

  本文关键词：反应吸附强化沼气水蒸汽重整制氢研究

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【摘要】：我国有着丰富的沼气资源,沼气作为一种常见的可再生清洁能源,大力发展沼气制氢技术,不仅可以最大限度地减少沼气直接排放对环境的污染,增加沼气的附加使用价值,还能为氢气的生产,提供一种可再生的原料。本文首次提出并研究反应吸附强化沼气水蒸气重整制氢(ReSER-Biogas)技术,能够在更低的温度条件下,一步式直接制取高浓度的氢气产品,是更高效、节能地利用沼气制氢的途径,对实现沼气高效制氢的目的具有非常重要的实际意义。本文首先建立了ReSER-Biogas反应的热力学模型,模拟计算了不同工艺条件下甲烷转化率以及出口氢气浓度的变化规律。由模拟计算结果可知,反应吸附强化技术可以在降低反应温度的同时,降低产物中CO2和CO浓度,一步直接获得高浓度氢气产品。在得到相同浓度氢气产品条件下,采用反应吸附强化的方法可以降低反应温度约150℃。当反应温度为550℃,CO2移除率增加到0.99时,理论计算发现此时甲烷转化率为94%,出口气体已经没有CO和CO2,此时产物中H2浓度能够达到98%。ReSER-Biogas的热力学模拟计算充分说明了该技术制取高纯氢的可行性的同时,也为工艺条件的实验研究提供了依据。其次,采用实验室固定床反应器用CH4和CO2模拟沼气组成,采用工业甲烷水蒸气重整镍系催化剂与本课题组研究开发的纳米CaO基CO2吸附剂混合装填,在反应温度540-600℃,沼气二氧化碳含量20-40%,水碳摩尔比2-4的条件下,进行了ReSER-Biogas制氢的实验研究。实验表明：用纳米CaO基吸附剂,钙碳比为1.31时,在反应温度为540-600℃,吸附强化段的C02移除率皆为0.99。在常压,沼气二氧化碳含量为30%,水碳摩尔比为3,反应温度为580℃的条件下,出口H2浓度提高为91.8%,出口CO浓度降低为0.35%,CH4转化率提高为76%。与普通沼气水蒸气重整制氢相比,反应温度降低200℃左右,出口H2浓度提高20%以上,出口CO浓度降低10倍以上,CH4转化率提高10%以上。这充分说明了ReSER-Biogas制氢能够降低反应温度以及出口气体中CO浓度,提高沼气中CH4转化率同时,制取高浓度H2。然后,利用化工模拟软件Aspen Plus,结合热力学计算和实验研究结果,建立ReSER-Biogas制氢工艺流程,确定ReSER-Biogas制氢的最优操作参数。由模拟结果可知：常压下,反应温度为580℃,水碳比为3,钙碳比为2.75为最优操作参数。此时,产氢率提高为2.35m3 H2/m3 Biogas,沼气能量转化效率提高为94.7%,单位能耗产氢量为0.00063 kJ/m3 H2。与目前已有沼气制氢工艺中产氢率最高的沼气水蒸气重整制氢工艺进行对比,ReSER-Biogas制氢不仅产氢率提高了42%,而且能量转化效率也提高了24%。此外,与反应吸附强化焦炉煤气水蒸气重整制氢(ReSER-COG)工艺进行对比,ReSER-Biogas产氢率提高了30%,能量转化效率提高了24%。这些都充分体现了ReSER-Biogas制氢工艺的技术优势和先进性。本文对ReSER-Biogas制氢工艺的研究结果为实现沼气更节能、更高效制氢的目的提供了理论基础。
【关键词】：制氢 沼气 反应吸附强化 热力学 技术性能评价
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ116.2
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 前言10-14
• 1.1 沼气的物性11-12
• 1.2 沼气的主要利用方式12-14
• 第二章 文献综述14-37
• 2.1 沼气制氢工艺研究现状14-21
• 2.1.1 水蒸气重整法制氢14-15
• 2.1.2 二氧化碳重整法制氢15-18
• 2.1.3 部分氧化重整法制氢18-19
• 2.1.4 自热重整法制氢19-21
• 2.2 沼气水蒸气重整制氢研究21-26
• 2.2.1 沼气水蒸气重整反应热力学研究21-23
• 2.2.2 沼气水蒸气重整反应催化剂研究23-26
• 2.3 沼气水蒸气重整制氢强化技术26-31
• 2.3.1 膜反应器技术27-29
• 2.3.2 微反应器技术29-31
• 2.4 反应吸附强化蒸气重整制氢技术简介31-35
• 2.4.1 反应吸附强化甲烷水蒸气重整制氢技术原理31-33
• 2.4.2 反应吸附强化甲烷水蒸气重整制氢技术特点33-34
• 2.4.3 反应吸附强化技术用于沼气蒸汽重整制氢的可行性分析34-35
• 2.5 文献总结35-36
• 2.6 本文研究内容36-37
• 第三章 ReSER-Biogas制氢反应的热力学计算37-48
• 3.1 热力学模型的建立37-39
• 3.2 模拟结果与讨论39-46
• 3.2.1 二氧化碳移除率对反应的影响40-41
• 3.2.2 反应温度对反应的影响41-43
• 3.2.3 水碳摩尔比对反应的影响43-44
• 3.2.4 沼气中二氧化碳与甲烷比对反应的影响44-46
• 3.3 本章小结46-48
• 第四章 实验部分48-51
• 4.1 实验试剂与仪器48
• 4.2 固定床ReSER-Biogas制氢评价装置和方法48-51
• 4.2.1 固定床实验评价装置48-49
• 4.2.2 ReSER-Biogas制氢实验方法49-50
• 4.2.3 定义和计算公式50-51
• 第五章 ReSER-Biogas制氢工艺条件研究51-59
• 5.1 沼气二氧化碳含量对ReSER-Biogas制氢过程的影响51-53
• 5.2 温度对ReSER-Biogas制氢过程的影响53-54
• 5.3 水碳摩尔比对ReSER-Biogas制氢过程的影响54-57
• 5.4 本章小结57-59
• 第六章 ReSER-Biogas制氢工艺的技术性能评价59-80
• 6.1 原料选择59-60
• 6.2 原料参数60
• 6.3 ReSER-Biogas工艺流程和操作参数60-63
• 6.3.1 ReSER-BIOGAS工艺流程61-62
• 6.3.2 操作参数的设定62-63
• 6.4 技术性能评价方法的建立63-69
• 6.4.1 技术性能评价指标63-64
• 6.4.2 工艺数据的计算方法64-65
• 6.4.3 反应参数与工艺操作参数的关系65-68
• 6.4.4 技术性能评价流程68-69
• 6.5 评价结果和讨论69-76
• 6.5.1 对反应温度敏感度分析69-71
• 6.5.2 对Ca/C敏感度分析71-73
• 6.5.3 对S/C敏感度分析73-75
• 6.5.4 最优操作参数检验75-76
• 6.6 不同制氢工艺的技术性能指标比较76-78
• 6.7 本章小结78-80
• 第七章 结论和展望80-83
• 7.1 结论80-81
• 7.2 展望81-83
• 参考文献83-88
• 作者简介及硕士期问研究成果88

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 Xiang Wu;Sufang Wu;;Production of high-purity hydrogen by sorption-enhanced steam reforming process of methanol[J];Journal of Energy Chemistry;2015年03期

2 Fan ZHANG;Qi TANG;Su-fang WU;;Preparation of a mesoporous sorption complex catalyst and its evaluation in reactive sorption enhanced reforming[J];Journal of Zhejiang University-Science A(Applied Physics & Engineering);2013年12期

3 Sadao Araki;Naoe Hino;Takuma Mori;Susumu Hikazudani;;Autothermal reforming of biogas over a monolithic catalyst[J];Journal of Natural Gas Chemistry;2010年05期

4 吴素芳,T.H.Beum,J.I.Yang,J.N.Kim;The Characteristics of a Sorption-enhanced Steam-Methane Reaction for the Production of Hydrogen Using CO_2 Sorbent[J];Chinese Journal of Chemical Engineering;2005年01期

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本文编号：603744