文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123540
甲醇重整制氢耦合温差发电的微型反应器
王锋1,王国强2,张国付2
(1重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室,重庆,400030;2 重庆大学动力工程学院,重庆,400044)
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摘要温差发电是利用热电转换材料将热能转化为电能的一种静态发电方式。设计了一种新型耦合温差发电的甲醇重整制氢微型反应器并对其性能和影响其性能的因素进行了数值分析。研究结果表明:微反应器单元中甲醇水蒸气重整和甲醇催化燃烧通道的出口温差随温差发电模块的有效导热系数增加而迅速降低;重整通道中甲醇转化率受进口温度影响较大而催化燃烧通道中甲醇转化率主要受进口速度的影响,且进口速度对两通道中甲醇转化率和出口温差的影响相反;对两通道中温度分布、反应速率和热流密度的分析表明由于重整反应的强吸热效应和甲醇催化燃烧相对较低的反应速率导致局部热量不平衡以致在微反应器进口处产生冷点,因采用导热系数较高的金属材料可以使得温差发电模块两端温度分布更加均匀。
关键词甲醇重整;催化燃烧;温差发电;制氢;微反应器
0 前言
甲醇水蒸气重整制氢为一强吸热过程,在外部热量向其供热的过程中往往存在从热源到甲醇水蒸气重整吸热热汇的传热温差[1]。根据热源的种类如工业烟气和发动机余热、高温气冷反应堆高温氦气、催化燃烧热源、电加热热源等的不同,导致热量从加热通道传至重整反应通道过程中两通道中温度分布和两者温差分布特性有所不同,利用这一温差发电,不仅可以提高系统的能量效率,还可以提供重整器从室温启动时所需的加热能量[2,3]。本文对耦合甲醇催化燃烧供热的甲醇水蒸气重整制氢并联合温差发电过程进行了数值研究,分析了甲醇水蒸气重整通道和甲醇催化燃烧通道进口参数以及温差发电材料导热性能对耦合温差发电的甲醇重整器性能和温差发电模块两端温差的影响。
1 物理、数学及动力学模型
计算中采用的微反应器单元物理模型见图1。计算区域包括甲醇水蒸气重整通道(简称蒸汽重整通道)、甲醇催化燃烧通道、温差发电模块和相应的中间隔板材料。模型中假设两通道中的反应气体为理想不可压流体;忽略流体和反应壁面的辐射传热;混合气体流动视为层流流动并忽略重力影响;催忽略催化层的厚度,只考虑表面催化反应。模型中甲醇水蒸气重整通道表面设为Cu基催化涂层,而甲醇催化燃烧通道中设为Pt基催化涂层。隔板为不锈钢材质。温差发电模块根据计算设置四种大小的导热系数。微反应器单元的通道长为L=40mm,温差发电模块高为H=5mm,蒸汽重整和催化燃烧通道高为h1=1mm不锈钢隔板厚为h2=1mm。
图1甲醇蒸汽重整耦合温差发电微型反应器物理模型
因假设反应流体为理想气体混合物且符合道尔顿分压定律,所以各组分的分压与其在混合物中的摩尔分数成正比,理想气体混合物比焓是各组分质量分数的函数。这样甲醇蒸汽重整和甲醇催化燃烧通道中的热质传输过程可由一系列质量、动量、能量和传质组分的非线性偏微分微分方程来描述。
质量守恒方程:
(1)
动量守恒方程:
(2)
因忽略体积力,上式简化为:
(3)
能量守恒方程:
(4)
上式中Φ为耗散函数。
(5)
(6)
由于是低