硫碘循环制氢系统流程模拟及本生反应试验研究

摘要

氢能作为一种新型的高效、洁净的二次能源，被认为会在21世纪世界能源舞台上成为一种举足轻重的能源。环境污染和化石能源危机使得人们对未来氢能系统的构建就有很多的关注。于是，氢气的低成本制备、规模化生产成为发展氢能的首要问题。热化学硫碘循环分解水制氢反应温和、可实现大规模工业化的优点受到关注，是较为理想的热化学循环制氢方式。
　　 本生反应是硫碘循环中的起始步骤，本生反应过程中的一些因素关系到整个过程的经济性和技术的可持续性，比如产物的两相分离、副反应、过量碘和过量水的过量程度。本文首先在设计的连续式鼓泡塔反应器系统中开展不同SO2进气流速和进气浓度对本生反应影响的实验研究，得到溶液组分浓度随时间的变化规律、副产物随时间的变化规律以及反应结束后两相中杂质酸含量的情况。然后对SO2在液相中的溶解吸收特性进行了实验研究，得到SO2在温度不同、流速不同和浓度不同情况下的溶解吸收数据，为本生反应实验提供了参考和验证。实验结果显示:随着反应的进行，溶液中HI浓度和I2浓度先增大后又减少，在分层现象出现前出现一个最大值。之后，由于取上层硫酸相，溶液中HI和I2浓度会急剧减小，直到趋于平稳，反应达到平衡。而H2SO4浓度则随着时间的推移逐渐增大，急剧增大后会达到一个最大值直至反应结束。随着进气浓度的增大，分层前HI和H2SO4浓度越高，说明浓度越大，越有利于Bunsen反应的进行。进气浓度减小，硫酸相中杂质酸含量变化很小，碘化氢相中杂质酸含量减小，但是两相中成分酸液的浓度减小，检测到SO2生成的时间越来越提前，越不利于本生反应的发生。进气流速提高有利于加快本生反应进程，但是会使得两相中的杂质酸含量升高，成分酸含量减少。对实际本生反应中SO2溶解吸收特性进行实验研究后发现，温度升高、流速提高、进气浓度减小都不利于SO2溶解吸收，流速影响＞进气浓度影响＞温度影响。
　　 其次，利用大型化工流程模拟软件Aspen Plus对硫碘循环闭路制氢系统进行设计与模拟，计算了使用实验数据模拟时产氢率为0.348mol/s的硫碘循环系统的质量平衡、能量平衡，并对系统热效率进行评估，结果显示:没有电渗析装置的硫碘循环系统热效率高达68.46％。实际运行中，可以通过优化本生反应操作条件来提高碘化氢相中的HI浓度。SO3分解率对系统热效率影响很大。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论及文献综述

1．1 引言

1．2 制氢方法简介

1．2．1 化石能源制氢

1．2．2 生物质制氢

1．2．3 水分解制氢

1．3 热化学循环水分解制氢

1．3．1 卤化物体系

1．3．2 氧化物体系

1．3．3 杂化体系

1．3．4 含硫体系

1．4 热化学硫碘循环分解水制氢

1．4．1 热化学硫碘循环制氢系统流程优化研究进展

1．4．2 化工流程模拟

1．4．3 基础实验研究进展

1．5 本文工作设想

2 试验系统与方法

2．1 本生反应实验系统

2．1．1 研究内容

2．1．2 工况参数选择

2．1．3 实验系统介绍

2．2 SO2在液相中的溶解吸收特性试验系统

2．2．1 研究内容

2．2．2 工况参数的选择

2．2．3 实验系统介绍

2．3 实验仪器及试剂

2．3．1 主要仪器介绍

2．3．2 标准溶液配制

2．4 分析方法

2．4．1 H+浓度的测定

2．4．2 I-浓度和SO42-浓度的测定

2．4．3 I2浓度的测定

3 本生反应反应的实验研究

3．1 引言

3．2 本生反应的实验研究

3．2．1 试验方法

3．2．2 原料气中SO2浓度的影响

3．2．3 SO2进气流速的影响

3．3 SO2在液相中的溶解吸收特性的试验研究

3．3．1 试验方法

3．3．2 温度对SO2在溶液中的溶解吸收特性影响

3．3．3 进气流速的影响与选择

3．3．4 进气SO2浓度的影响

3．5 本章小结

4 热化学硫碘循环闭路系统的设计与模拟

4．1 引言

4．2 热化学硫碘闭路循环系统流程介绍

4．3 各流程段的设计与假设

4．3．1 本生反应系统

4．3．2 HI精馏和分解／分离系统

4．3．3 H2SO4浓缩和分解系统

4．4 计算方法和计算中的假设

4．4．1 单元操作模型的选择

4．4．2 物性方法的选择

4．4．3 计算时的假设

4．5 硫碘循环闭路系统质量平衡和能量平衡计算

4．5．1 硫碘循环闭路系统质量平衡计算

4．5．2 硫碘循环换热体系

4．5．3 硫碘循环闭路系统能量平衡计算

4．5．4 系统热效率计算

4．6 主要设计参数对系统效率的影响

4．6．1 HI分解率对效率的影响

4．6．2 SO3分解率对效率的影响

4．7 本章小结

5 全文总结及展望

5．1 全文总结

5．1．1 主要研究内容

5．1．2 本文创新之处

5．2 下一步工作展望

参考文献

作者简历