不同结构微反应器下甲烷水蒸气重整制氢性能对比

作者：刘俊伯; 郭欣; 张朔昕; 吴棒

来源：过程工程学报, 2022, 22(12): 1-10.

• 甲烷水蒸气重整
• 氢气
• 微反应器
• 结构
• 稳定时间
• 转化率

微通道反应器是便携式制氢领域目前最有发展前景的技术之一。为了提高甲烷水蒸气重整在微反应器内制氢的效果，设计了三种不同结构的微反应器几何模型，利用AnsysFluent流体仿真软件结合甲烷水蒸气重整制氢的CHEMKIN反应机理文件对三种不同结构的微反应器进行了数值模拟分析，通过计算不同参数下三种微反应器的性能表现可知：微反应器出口处甲烷转化率随入口速度、壁面温度以及水碳比(S/C)变化而变化，入口速度越小，甲烷转化率、氢气体积分数越高分别达到91%和77%左右；壁面温度越大，微反应器出口处甲烷含量逐渐减小为0，氢气体积分数增大到75%以上，但过高的温度会降低氢气产量，增加CO含量；S/C越大，甲烷转化率增大至80%以上、氢气含量增加至73%以上，而一氧化碳先增大后减小，增大S/C可以避免催化剂中毒；通过计算不同条件下微反应器达到稳定所需时间可知：稳定时间随入口速度增加减小了11.9 ms (FCC)，随温度由先减小再增加，最大相差4460.4 ms (Tri-g IBS)，随S/C增加而减小并逐渐平稳；通过对比三种微反应器可知：复杂结构可以强化微反应器的性能，三种微反应器的甲烷转化率最大相差11.57%，氢气体积分数最大能够提高2.27%，但会增加微反应器达到稳定所需的时间；在微反应器性能方面：微反应器的性能随结构复杂性的增加先提高再减小，平板圆弧弯道模型(FCC)最优，直管模型(Pipe)最差。而在稳定时间方面：随着结构复杂性增加稳定时间反而增长，直管(Pipe)模型最好，三纹内螺旋枪管(Tri-g IBS)模型最坏；复杂程度不同，结构对微反应器性能的提升也不同，过于复杂的结构反而会抑制微反应器的性能。

• 单位
  华中科技大学; 煤燃烧国家重点实验室