微型反应器内甲烷催化自热重整反应特性数值模拟

摘要

随着微电子机械系统(MEMS)日新月异的发展，微型动力系统已经广泛应用于各行各业，尤其是在微电子、信息、生物、医疗、航天、国防等领域拥有良好的应用前景，对微动力机电系统的研究也成为了学术界的热门课题，微型燃烧器作为微动力机电系统的核心组成部分，国内外研究专家对其进行了大量的研究。目前，在微动力机电系统中应用最广泛的动力装置还是普通的锂电池，世界上最好的锂电池的能量密度仅为0.50MJ/kg，而采用甲烷气体的微燃烧器的能量密度可以达到45MJ/kg左右，即使能量转换效率只有10％，这种燃烧器所能提供的能量密度也是普通锂离子电池的10倍左右，因此微型燃烧器的应用前景广泛。但是由于微型燃烧器中的燃烧室空间急剧缩小，燃烧室面容比增大，散热损失严重，同时在微细腔中燃烧不稳定且容易熄火，这是微型燃烧器发展的难点。大量研究表明如果在甲烷中加入少量的氢气，就可以改善微细腔内的燃烧特性，因此，将甲烷自热重整反应应用于微细腔内甲烷燃烧成为一种可行的途径；对微细腔中甲烷自热重整反应特性的研究可为微型燃烧器的应用和发展打下基础。
　　 本文针对微型反应器内甲烷自热重整反应特性进行了一系列基础研究，采用计算流体力学软件CFD数值方法，重点考察了催化壁面温度、反应原料气入口流速、水碳比(W/C)、氧碳比(O/C)、操作压力、Ni基催化剂活性位密度对甲烷转化率、产物收率、催化壁面积炭以及出口个组分等的影响；分别以微细直圆管反应器和微型旋流多层筒式反应器为研究对象研究了甲烷自热重整反应特性，并对两种研究结果进行了对比。
　　 研究表明，温度的升高会极大地促进甲烷自热重整反应的发生，但在高温环境下，大量的CO2和H2的存在会促进水气转换反应向反方向进行(水气转换反应为放热反应)，此时部分CO2和H2转化成CO和H2O，对于微细直圆管反应器，催化壁面温度不超过1123K为宜，对于微型旋流多层筒式反应器，催化壁面温度不宜超过1000K，获得相同的甲烷转化率以及产物收率微细直圆管要求的催化壁面温度比旋流多层筒式反应器高150K左右，这是因为多层筒式结构散热损失小，更加节能。
　　 在微细直圆管反应器中，水碳比(W/C)的增加可以促进甲烷的转化，当水碳比(W/C)超过2.2时，适当的过量水会促进水气转换反应的发生，提高氢气产率，同时可以抑制积炭的形成；在旋流多层筒式反应器中，甲烷自热重整反应的最佳水碳比(W/C)为2.1，这与在直圆管中的研究结果基本吻合。
　　 从对两个反应器的模拟可以得出，随着氧碳比(O/C)的增加，甲烷转化率增加，但当氧碳比(O/C)超过0.3时，氧气出现过量，会导致氢气和一氧化碳的收率减小，此时的催化壁面积炭量也出现迅速下降，研究表明，当氧碳比(O/C)为0.4时，可以同时得到高甲烷转化率、高氢气和一氧化碳收率以及低催化壁面积炭量。Ni催化剂活性位密度的上升可提高甲烷转化率和H2、CO收率，但综合催化反应效果和催化剂成本分析，可以得出9.98×10-6kmol/m2为最优Ni催化剂活性位密度。
　　 入口流速的增加导致反应原料气在微细腔内停留时间减小，从而降低了甲烷转化率以及H2、CO收率，但同时也减少了催化壁面总积炭量，因此，选择一个合理的原料气入口流速对通过微型反应器内甲烷自热重整获得一定发电量的微机动力系统至关重要。
　　 微型旋流多层筒式反应器的压力损失是微细直圆管反应器的20-30倍，因此，操作压力对微细直圆管反应器内的重整反应特性影响很小，而对微型旋流多层筒式反应器内的重整反应特性影响较大；操作压力的增加，可以增大流场内气体传质的推动力，气体扩散至催化剂活性中心参与重整反应的实际量增加，增加反应发生的机率，但考虑到设备的承压能力和成本要求，操作压力不应盲目增加。