kW级燃料电池热电联产系统中天然气重整制氢体系的研究

【摘要】：天然气是继煤炭、石油之后的第三大能源,具有清洁、高效、优质的特点。近年来,天然气在我国能源体系中的比重越来越大,天然气的合理、高效利用问题亟待解决。燃料电池是公认的21世纪高效、节能、环保的发电方式之一,氢能是这种先进技术的理想动力源。将小型天然气制氢装置和质子交换膜燃料电池集成实现发电和供热的热电联产技术,实现了能源的梯级利用,很大提高了天然气的利用率。 本论文以kW级燃料电池热电联产系统中天然气重整制氢体系为研究对象,设计了适用于kW级燃料电池系统的工艺流程,基于Aspen Plus化工模拟软件平台,建立了流程模型并进行模拟。考察了进料温度,水碳比(S/C),氧碳比(O/C)对系统热效率,发电效率,氢气及热水产量的影响。分析表明,采用自热重整的制氢方法时,当进料温度在450℃~ 500℃之间,S/C=1.75~2.0,O/C=0.5为系统较为合理的操作参数。 研发了一种集成式重整制氢反应器。集成式重整反应器是整个制氢系统的核心设备,集原料预热与过热、燃烧、重整反应于一体。反应器主要包括重整反应器、燃烧器和蒸汽发生器三个部分,并且在固定床反应器中设置一氧分布器,以廉价的空气作氧源,使氧气分布在整个床层中进行催化反应,以保证反应体系的安全及床层热点问题。 搭建了反应器的测试平台并进行了实验研究,在流程模拟的理论指导下,考察了两种制氢方式(甲烷蒸汽重整与甲烷氧化蒸汽重整)及不同工艺条件(反应温度、水碳比、氧碳比、空速等)对甲烷转化率、重整合成气干基含量的影响,并把实验结果与理论计算的数据进行了比较分析。 实验研究表明:对于蒸汽重整的制氢方式,实验值与计算值能很好的吻合,说明反应基本接近热力学平衡,氢气含量较高(65%以上),有利于氢气供应及气体净化。但是蒸汽重整制氢,反应为强吸热过程,受燃烧器和燃烧效率的影响,启动时间较长,反应器床层温度比较低,甲烷转化率较低,系统燃料消耗较大,不利于产热和供热。结果表明,当反应压力为常压时,温度在570℃,水碳比为3.5,空速为170 L-CH_4·h~(-1)·L-cat~(-1)是较适宜的工艺条件。在此条件下,甲烷转化率保持在60%以上,氢气含量在70%左右,CO含量在5%以下。 对于氧化蒸汽重整的制氢方式,空气的加入使CH_4发生氧化反应,启动速度快,反应器床层温度较高(达到650℃以上),有利于系统产热和供热,甲烷转化率较高,达到90%以上,但是该方案中,氢气的含量较低,比理论值低10%左右,而氮气含量比理论值高10%左右,可能的原因是空气中的氧使氢气发生的氧化反应,及大量氮气的稀释作用。结果表明,当反应压力为常压,氧碳比为0.5,水碳比为2.5是较为合理的工艺参数,在此条件下,甲烷转化率保持在90%以上,氢气含量在37%左右,CO含量在5%以下。甲烷自热重整制氢可以在较大的空速下进行。 本文研究成果为kW级燃料电池热电联产系统的制氢体系提供了关键的反应部件及重要的参考数据,为系统集成做了基础性和前期的研究工作。 【关键词】：热电联产 天然气制氢 工艺流程设计 模拟 集成式反应器
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TQ116.2
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-27
• 1.1 课题研究背景及意义11-12
• 1.2 kW 级燃料电池热电联产系统的简介12-15
• 1.2.1 kW 级燃料电池热电联产系统的组成12
• 1.2.2 天然气重整制氢的方法12-13
• 1.2.3 合成气净化方法13-15
• 1.3 微型天然气重整制氢反应器的研究状况15-23
• 1.3.1 管式反应器15-16
• 1.3.2 板式反应器16
• 1.3.3 微通道反应器16-17
• 1.3.4 膜反应器17-19
• 1.3.5 集成式反应器19-23
• 1.4 kW 级燃料电池热电联产系统的国内外研究现状23-25
• 1.5 本文研究内容25-27
• 第二章 kW 级燃料电池系统的工艺设计及流程模拟27-38
• 2.1 系统工艺流程设计27-29
• 2.2 流程模型建立29-31
• 2.2.1 参数定义与流程设计29-30
• 2.2.2 流程模型中模块设定30-31
• 2.3 系统典型案例分析31-33
• 2.3.1 系统输入31
• 2.3.2 系统输出31-32
• 2.3.3 系统关键节点的模拟数据32
• 2.3.4 系统能量平衡表32-33
• 2.3.5 系统的物料及热量流程图(Process Flow Diagram，PFD 图)33
• 2.4 工艺优化33-37
• 2.4.1 ATR 反应器进料温度Tin 的影响33-34
• 2.4.2 水碳比S/C 的影响34-35
• 2.4.3 氧碳比O/C 的影响35-37
• 2.5 本章小结37-38
• 第三章 集成式重整制氢反应设备的研发与测试38-67
• 3.1 重整制氢反应器的设计38-42
• 3.1.1 重整反应器的设计计算38-40
• 3.1.2 重整反应器结构描述40-42
• 3.2 集成式重整制氢反应器测试平台42-49
• 3.2.1 集成式重整反应器测试流程42-45
• 3.2.2 实验仪表和相关设备45-49
• 3.3 实验方案及操作步骤49-54
• 3.3.1 测试考察参数49-50
• 3.3.2 蒸汽重整实验方案50-51
• 3.3.3 氧化蒸汽重整实验方案51-53
• 3.3.4 实验操作步骤53-54
• 3.4 测试结果与分析讨论54-65
• 3.4.1 基本工况的结果与讨论54-56
• 3.4.2 甲烷蒸汽重整（SMR）的结果分析与讨论56-60
• 3.4.3 甲烷氧化蒸汽重整（OSR）的结果分析与讨论60-65
• 3.5 本章小结65-67
• 结论67-69
• 参考文献69-74
• 附录74-77
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果77-78
• 致谢78-79
• 附件79

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