天然气重整器内部传递过程的数值模拟

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1、维普资讯http://www.cqvip.com弟28巷弟3别大然气工业天然气重整器内部传递过程的数值模拟*杨国刚岳丹婷袁金良。(1．大连海事大学轮机学院2．瑞典兰德大学热能工程系)杨国刚等．天然气重整器内部传递过程的数值模拟．天然气工业，2008，28(3)：121—123．摘要天然气通过重整反应可以生成氢气，成为燃料电池氢原料的重要来源。目前紧凑型天然气重整器的开发设计，主要集中在材料方面的研究，而内部机理方面的研究较少。对天然气重整器内部流动与传热现象进行了模拟与分析。分析中考虑了化学反应的影响，采用了耦合的边界条件以及可变的热物性参数

2、，建立了描述流通管道和多孔催化剂层内部流动与传热现象的三维数学模型。采用SIMPLE算法对模型进行求解，得到了化学反应速率、混合气浓度以及温度等的空间分布。结果表明，化学反应限制在厚度约为1mm的催化剂薄层内进行，沿主流动方向，CH浓度由19．5降到7左右，H浓度由4．1上升到13左右，混合气温度上升约1O℃。研究结果对天然气重整器的开发、结构设计具有参考意义。主题词燃料电池天然气重整器传热传质数值模拟天然气(甲烷占97以上)通过重整反应生成的氢气，可成为燃料电池氢原料的重要来源。近年出现的紧凑型天然气重整器由燃烧与重整两个平行管道组成，具有

3、热传导的距离以及气体扩散路径短的优点，降低了重整器中的传热、传质阻力。因此，该重整器不仅能量利用率较高，也使得体积大大缩小l_1]。目前紧凑型天然气重整器的内部机理方面的研究较少口]。笔者将对单个重整管道的不同传递过程进行三维模拟，不涉及燃烧管道，燃烧管道对嘲是供的鞋瞳(q)重整管道的影响将采用热边界条件来描述(相邻燃图1紧凑型重整器结构示意图烧管道固壁有热量流入，其他为绝热条件)。一式中：△。。。表示反应温度为1000K时的反应热，、过程描述与数学模型方程(1)称为水蒸气重整反应，为吸热反应；方程(2)重整器结构见图1。取一半宽度管道进行研

4、究，称为水一气变换反应，为放热反应。总反应吸热，热坐标原点设定在复合管道的左下角处，坐标、量由燃烧管道内的催化燃烧反应提供。、分别表示管道的长、高、宽，U、、w分别为对应3个控制方程包括连续方程、动量方程、能量方程等。方向的速度分量。连续方程：V(peff)一0(3)重整的化学过程用2个独立的平衡式来表示：动量方程：(p“w)一一VP+V(／zffV)+Sd．CH4+H2O—CO+3H2(Ah1。。。K一226kJ／mo1)(4)(1)式中：为有效密度，V为混合物的体积平均速度张Co+H2O——CO2+H2(Ah1oo0K一一35kJ／mo1

5、)量；P为压强；源项Sd．的计算公式l5为：(2)Sdi一(ffV／／~eff)一peffBVlVl(5)*本文受到国家自然科学基金资助项目(编号：50706004)、辽宁省2007年博士启动基金的资助。作者简介：杨国刚，1972年生，副教授，工学博士；毕业于大连理工大学，主要从事气体流动与传热现象的数值模拟研究；发表文章1O余篇。地址：(116026)辽宁省大连市凌海路2号。电话：(0411)81702713，13050561150。E-mail：yanggg168@SO—hu．com维普资讯http://www.cqvip.com天然气工

6、业2008年3月式中：、floB分别为有效黏度、多孔层的有效渗表1重整反应器管道尺寸表cm透率、公式常数。能量方程表示为：(pfffffvT)一(keffT)+ST(6)ST—RAh+RAh(7)式中：S为与重整反应有关的热源项；R为水蒸气重整反应与变换反应的摩尔速率；Ah为反应焓。三、结果与讨论组分守恒方程采用以下的统一形式：图2为管道中心处CH质量浓度沿主流动方(I。。ff)一(I。“D“)+S≠(8)向与管道高度方向的分布。Y轴单位为相对高度这里，为燃料气体的质量分数。(即实际高度Y与复合管道总高h的比值)。可以看边界条件为：出，CH浓

7、度沿着主流动与高度两个方向逐渐降低。(1)在同壁底部(一0)处沿主流动方向，CH质量浓度由人口处的0．195，降U—V—W一0，kf—01一q，J一0至出口处的0．056～0．084；沿高度方向，在人口很短Y的一段距离(约1ram)，反应可以发生在催化剂层很(为CH、H2、CO、H2O、C()2)深的区域；而在催化剂层的其他区域，反应主要集中(2)在固壁顶部与侧面处在靠近燃料管道的薄层内(约1ram)进行。U——W一0，q一0，l／一01O(3)在平板中心位置(一0)处8U一一一w一一一0azazazaz采用控制容积积分法对数学模型进行离散，

8、对流项采用二次迎风插值格式，扩散项采用中心差分格式。采用SIMPIE算法解决速度与压力耦合问题。oo10．2二、算例研究xfm、图2CH的质量浓度沿主流动方向分布图