管式反應(yīng)器中內(nèi)熱源加熱的甲醇水蒸氣重整制氫特性

張家盛，王  鋒，彭隆肇，丁佳渝，王國強

摘 要：為了強化甲醇水蒸氣重整（MSR）制氫過程，研制一種電磁感應(yīng)內(nèi)熱源加熱的微型反應(yīng)器。對電磁感應(yīng)加熱的線熱源升溫特性進行研究，并采用雙速率動力學(xué)模型數(shù)值考察反應(yīng)物進口溫度、速度、水醇比和內(nèi)熱源功率對MSR制氫過程的影響。實驗結(jié)果表明：電磁感應(yīng)加熱升溫速率快，可為吸熱的MSR提供足夠強的線內(nèi)熱源；計算結(jié)果顯示在反應(yīng)物進口速度為 0.1m/s、進口溫度為 450K，加熱功率為 5000kW/m³和水醇物質(zhì)的量之比為 1.33的反應(yīng)條件下，反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率達96.47%。電磁感應(yīng)加熱作為內(nèi)熱源的MSR微反應(yīng)器能在較高的反應(yīng)物流量下保持較大的出口氫氣含量及甲醇轉(zhuǎn)化率。

關(guān)鍵詞：水蒸氣重整；制氫；感應(yīng)加熱；內(nèi)熱源；管式反應(yīng)器 

      氫氣是一種極具前景的能源載體，由于其無污染、可再生、能量密度高等特點而被視為理想的清潔能源之一。目前氫氣大多由化石能源熱化學(xué)轉(zhuǎn)化而來，甲醇水蒸氣重整（MSR）是其中一種重要的制氫方式，而利用太陽能為 MSR供熱制氫被認為是一種非常有前景的方法。但 MSR 是強吸熱過程，反應(yīng)速度快且吸熱大，針對該反應(yīng)過程優(yōu)化研究主要有以下3個方面：一是優(yōu)化聚光板結(jié)構(gòu)，如通過改變管式反應(yīng)器槽型太陽能聚光板的結(jié)構(gòu)來調(diào)整反應(yīng)中冷點的分布；二是使用新型催化劑材料，研究銅基催化劑的表征及其活性、催化劑摻雜等來強化催化反應(yīng)過程；三是優(yōu)化反應(yīng)器，減小反應(yīng)通道尺寸，縮短熱質(zhì)傳輸距離從而強化傳熱傳質(zhì)。

     常規(guī)外部加熱的固定床反應(yīng)器受傳熱限制而影響反應(yīng)器性能發(fā)揮。為了強化傳熱，本文設(shè)計基于電磁感應(yīng)內(nèi)熱源加熱的甲醇重整制氫管式反應(yīng)器。該反應(yīng)器可利用電磁感應(yīng)效應(yīng)將太陽能光伏發(fā)電用于甲醇水蒸氣重整反應(yīng)吸熱，改善反應(yīng)器溫度分布。因此，首先通過實驗研究電磁加熱的特性，采用內(nèi)熱源模擬電磁感應(yīng)加熱，分析在一定加熱條件下反應(yīng)器進口參數(shù)（如溫度、速度、水醇比和加熱功率）對性能的影響，同時討論反應(yīng)通道中溫度分布和壓降等。

1  電磁感應(yīng)內(nèi)熱源升溫特性實驗

1.1   電磁感應(yīng)加熱反應(yīng)器設(shè)計

      電磁感應(yīng)加熱的甲醇水蒸氣重整制氫反應(yīng)器及實驗系統(tǒng)如圖1所示。在管式反應(yīng)器外壁面纏繞電磁線圈，反應(yīng)器內(nèi)填充銅基催化劑顆粒，中心沿軸向（x 方向）布置鐵絲作為內(nèi)熱源。鐵絲直徑為2mm，長度與反應(yīng)器中催化段長度相同。采用空氣泵在反應(yīng)器中通入空氣并沿軸向測溫觀察反應(yīng)器內(nèi)部軸向溫度的升溫特性。

1.2   電磁感應(yīng)加熱溫度分布及計算結(jié)果對比

     電磁感應(yīng)加熱主板輸入電壓U=220V，線圈電流I =10.23A，交流頻率f= 15kHz，線圈纏繞半徑r=7.5mm，纏繞間距n =7.5mm/圈，線圈外部包裹石棉防止熱量散失，空氣入口處293K，出口空氣流量Q =1.3L/min。加熱升溫曲線如圖2所示。

      實驗表明，電磁加熱溫升和響應(yīng)快有利于反應(yīng)器溫度調(diào)控，加熱穩(wěn)定后的反應(yīng)器軸向空氣平均溫度如圖3所示，可見管內(nèi)溫度沿軸向不斷升高。進一步建立反應(yīng)器物理模型，根據(jù)實驗結(jié)果，為了達到較好的擬合效果不斷調(diào)試參數(shù)，最終設(shè)置金屬絲內(nèi)熱源加熱功率為20000kW/m³，通入空氣參數(shù)與實驗相同，初始溫度293K，入口速度0.1m/s，得到圖3結(jié)果?？煽闯觯磻?yīng)器軸向空氣平均溫度與實驗中結(jié)果趨勢吻合。線圈均勻纏繞下電磁加熱的內(nèi)熱源功率可用恒熱流密度內(nèi)熱源模擬，在后文分析中，采用內(nèi)熱源來代替電磁感應(yīng)加熱用于MSR 制氫特性的研究。

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