二甲醚催化重整制氢的试验研究

摘要

随着人们对能源短缺和环境保护的日益关注，降低发动机的能源消耗和排放成为发动机开发的两个主要问题。二甲醚（DME）是符合中国能源结构特点的优良车用替代燃料。在二甲醚中掺入氢气燃烧，可有效改善二甲醚发动机的燃烧和性能，并同时大幅度降低发动机的废气排放水平。REGR 是一种达成节能减排目标的有效技术手段。本文主要通过试验手段研究了二甲醚催化重整制氢反应的反应过程和制氢性能，为车载二甲醚燃料重整制氢系统的开发打好基础。 主要研究工作和结论： （1）研究了二甲醚水蒸气重整的性能。分别改变二甲醚流量、反应温度、催化剂装填量、催化剂种类、CNZ-1/HZSM-5 型催化剂的比例以及催化剂还原时间，研究了各种反应参数对二甲醚水蒸气重整制氢反应的影响。结果表明：常压条件下，随着二甲醚流量增大，氢气的产量先变大再变小；在250℃-500℃的温度范围内，随着反应温度的升高，氢气的产率增大，二甲醚转化率最高可接近100％；CO体积分数随着反应温度的升高而减小；试验条件下，加大催化剂用量对氢气的产率影响不大，但可大幅度提高二甲醚的转化率；1％Pd/γ-Al2O3催化剂相较于CNZ-1/HZSM-5 型催化剂，两者对甲醇制氢反应途径的选择性恰好相反，1％Pd/γ-Al2O3主要以生成H2和CO为主，而CNZ-1/HZSM-5 主要以生成H2和CO2为主；在250℃～300℃之间，H2在生成气中的浓度会随着CNZ-1/HZSM-5的质量比例上升而变大；反应前用H2还原可以提高催化剂CNZ-1/HZSM-5的整体活性，提高H2的产率和二甲醚的转化率，但效用有限； （2）研究了二甲醚二氧化碳重整的性能。分别改变反应温度和催化剂装填量，研究了它们对二甲醚二氧化碳重整制氢反应的影响，并比较分析了它和水蒸气重整反应的异同。研究结果表明：温度对二氧化碳重整反应促进作用明显，提高温度能快速提高生成气中H2和CO的浓度，350℃以后受制于反应物的不足，H2和CO浓度基本不再上升，平均为46％；增加催化剂用量，二甲醚转化率大幅提升，二氧化碳和二甲醚的转化率最大为87.4％和88％，单位质量催化剂最大H2和CO产量分别为6.13ml/min·g和5.83ml/min·g；二甲醚水蒸气重整制氢生成的H2浓度大约比二氧化碳重整平均高出30％，试验结果基本符合理论结果； （3）分析比较了二甲醚催化重整的能量利用率。二甲醚二氧化碳重整能量利用率高，理论上可达到燃料能量的120.6％，试验研究最高可达到114.3％；二甲醚催化重整反应的节能效率取决于两点：一是DME转化率的大小，转化率越大，反应效率越高，从外部需要吸收的热量越多；二是生成CO和H2的比例，前者的比例越高，生成气的总热值越大，节能效率越高。 本研究通过大量的试验，充分并深入的了解了二甲醚催化重整反应的机理及性能，为发动机的高效超低排放应用奠定了良好的基础。