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熔融盐作热载体太阳能甲烷蒸汽重整制氢过程的模拟研究

来源:论文学术网
时间:2024-08-18 21:05:19
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熔融盐作热载体太阳能甲烷蒸汽重整制氢过程的模拟研究【摘要】:氢作为一种重要的能源载体和燃料,具有储量丰富、来源广、可再生、无污染等特点。现阶段发展最为成熟的工业化制氢工艺还是甲烷重

【摘要】:氢作为一种重要的能源载体和燃料,具有储量丰富、来源广、可再生、无污染等特点。现阶段发展最为成熟的工业化制氢工艺还是甲烷重整制氢工艺,但其反应条件较为苛刻,目前,对于提高氢气产率的过程优化是研究热点之一。甲烷重整需要大量的化石燃料供热,寻找适合的清洁外热源是甲烷重整制氢工艺的发展方向,因此,采用太阳能作为系统外热源这一工艺改进具有重要意义。 本文应用现代化工过程模拟软件Aspen Plus,对甲烷蒸汽重整制氢过程进行必要的工艺简化,选择合适的单元操作模型和热力学方法,实现了制氢系统的模拟。研究了反应器中水碳比、操作温度、操作压力对氢气产率的影响规律。模拟结果表明,氢气产率随水碳比的增大而提高;压力较低时,重整反应器(R1)氢气产率与操作温度的关系曲线成指数函数形式,压力超过一定值,成二次函数形式;温度较低时,R1氢气产率与操作压力的关系曲线成指数函数形式,温度超过一定值,成二次函数形式,模拟结果符合甲烷重整反应及变换反应的反应规律。通过流程模拟分析,对整个工艺流程进行了优化,提出多反应器串联和单反应器回流两个优化方案。模拟结果显示,两个优化方案均可提高甲烷转化率,降低操作温度。 在制氢过程中,为了研究太阳能作外热源与传统的化石燃料作外热源的区别,首先模拟了外供热对甲烷重整制氢过程的影响。系统甲烷进料为3Kmol/h,当系统外供热量为0.25Gcal/h时,R1出口甲烷流率为0.002258Kmol/h,氢气总产量为9.495Kmol/h,甲烷转化率可达99.92%。结合对甲烷燃烧过程放热量的模拟,间接得到了太阳能供热量大小对制氢过程的影响,随着太阳能供热量占总外供热量比例的增大,甲烷转化率提高,二氧化碳的排放量减小。在本文模拟系统中,相比于传统的甲烷重整制氢过程,若太阳能提供全部的外热源,甲烷转化率由71.76%增至99.92%,二氧化碳排放量由1.6798Kmol/h降至0.5023Kmol/h。根据工艺流程的模拟,对于更好的指导实际的工业生产,具有深远的研究意义,也可为制氢过程的节能和新工艺的开发提供理论依据。 【关键词】:甲烷重整 制氢 Aspen Plus 流程模拟优化 太阳能
【学位授予单位】:青岛科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TQ116.2
【目录】:
  • 摘要4-5
  • ABSTRACT5-10
  • 前言10-11
  • 第一章 文献综述11-34
  • 1.1 氢能源的特点和优越性11-12
  • 1.2 氢气生产的主要工艺方法12-19
  • 1.2.1 电解水制氢12-13
  • 1.2.2 天然气制氢13-15
  • 1.2.2.1 甲烷蒸汽重整制氢13-14
  • 1.2.2.2 甲烷部分氧化重整制氢14-15
  • 1.2.2.3 甲烷自热重整制氢15
  • 1.2.3 甲醇制氢15-17
  • 1.2.4 生物质制氢17-19
  • 1.2.4.1 生物法制氢18
  • 1.2.4.2 热化学法制氢18-19
  • 1.2.5 太阳能制氢19
  • 1.3 太阳能-氢能系统19-24
  • 1.3.1 太阳能概述19-20
  • 1.3.2 太阳能制氢工艺20-23
  • 1.3.2.1 太阳能电解水制氢20
  • 1.3.2.2 太阳能热化学制氢20-21
  • 1.3.2.3 太阳能光化学制氢21
  • 1.3.2.4 太阳能光催化分解水制氢21-22
  • 1.3.2.5 太阳能热解水制氢22-23
  • 1.3.2.6 光合作用制氢23
  • 1.3.3 太阳能-氢能系统的科学性23-24
  • 1.3.4 太阳能-氢能系统的经济性24
  • 1.4 太阳能甲烷蒸汽重整制氢过程24-29
  • 1.4.1 熔融盐的特性及研究24-27
  • 1.4.1.1 熔融盐的特性24-25
  • 1.4.1.2 熔融盐的研究与应用25-27
  • 1.4.2 太阳能甲烷重整制氢27-29
  • 1.4.2.1 太阳能甲烷制氢概述27
  • 1.4.2.2 太阳能甲烷制氢设备及流程27-29
  • 1.5 模拟用软件介绍29-32
  • 1.5.1 Aspen Plus 软件介绍30
  • 1.5.2 Aspen 软件在化工科研生产中的应用30-32
  • 1.6 本课题研究的意义、目的和内容32-34
  • 1.6.1 本课题的意义和目的32
  • 1.6.2 本课题的研究内容32-34
  • 第二章 甲烷蒸汽重整制氢过程的模拟与优化34-52
  • 2.1 甲烷重整制氢过程简介34-36
  • 2.1.1 甲烷蒸汽重整反应原理34
  • 2.1.2 影响甲烷蒸汽重整反应的主要因素34-35
  • 2.1.3 甲烷蒸汽重整制氢工艺流程35-36
  • 2.2 模拟过程36-40
  • 2.2.1 模型建立36-39
  • 2.2.2 物性方法选择39-40
  • 2.2.3 部分物流输入40
  • 2.3 模拟结果与分析40-47
  • 2.3.1 模型选择对模拟结果的影响40-41
  • 2.3.2 水碳比对氢气产率及氢气产量的影响41-44
  • 2.3.3 温度对氢气产率的影响44-46
  • 2.3.3.1 温度对重整反应器氢气产率的影响44-45
  • 2.3.3.2 温度对变换反应器氢气产率的影响45-46
  • 2.3.4 压力对氢气产率的影响46-47
  • 2.4 系统优化47-51
  • 2.4.1 多重整反应器串联47-49
  • 2.4.2 单反应器回流49-51
  • 2.5 本章小结51-52
  • 第三章 太阳能甲烷重整制氢过程的模拟研究52-64
  • 3.1 模拟流程的建立52
  • 3.2 外供热对甲烷水蒸气重整反应的影响52-56
  • 3.2.1 恒定条件下外供热对甲烷转化率的影响53-54
  • 3.2.2 不同系统进水量时外供热对甲烷转化率的影响54-55
  • 3.2.3 不同压力时外供热对甲烷转化率的影响55-56
  • 3.3 太阳能供热量对甲烷重整制氢过程的影响56-62
  • 3.3.1 甲烷燃烧过程的模拟57-60
  • 3.3.1.1 模型建立57
  • 3.3.1.2 反应器温度对过程放热量的影响57-58
  • 3.3.1.3 反应器压力对过程放热量的影响58-59
  • 3.3.1.4 甲烷流量对过程放热量的影响59-60
  • 3.3.2 太阳能供热量大小对制氢过程的影响60-62
  • 3.3.2.1 太阳能供热比例对甲烷转化率的影响60-61
  • 3.3.2.2 太阳能供热比例对二氧化碳排放量的影响61-62
  • 3.4 本章小结62-64
  • 第四章 主要结论与展望64-66
  • 4.1 主要结论64-65
  • 4.2 展望65-66
  • 参考文献66-70
  • 致谢70-71
  • 攻读学位期间发表的学术论文目录71-72


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