新型甲醇水蒸汽重整器及相应制氢系统的研究

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1、新型甲醇水蒸汽重整器及相应制氢系统的研究*国家重点基础研究973项目(G2000026401)资助潘立卫王树东**联系作者:王树东研究员.电话:0411-84662365,E-mail:wangsd@dicp.ac.cn*中国科学院大连化学物理研究所901组摘要:创新研制了一种新型甲醇水蒸汽重整器，其特点是集预热、气化、重整、催化燃烧于一体，在反应器内部，放热反应与吸热反应、气化与冷却之间实现了较好的热量耦合；便于扩大规模；可实现完全自供热。另外，本文还对该反应器的放大规律进行了研究，并且在此基础上设计运行了5kW的制氢系统。关键词:板翅

2、式反应器甲醇水蒸汽重整制氢热量耦合燃料电池引言由于氢气作为一种为燃料电池提供能量的载体，其利用效率高而且能实现零排放。因此，燃料电池和氢能的研究已引起各国学者的广泛重视。Hunter和McGuire[1]最早提出通过间接传热把强放热和强吸热耦合在同一反应器中的概念。近几年在制氢反应器的研究过程中，强放热和强吸热耦合的板式反应器越来越引起研究人员的重视[2-6]。许多学者[6-8]把甲烷水蒸汽重整和甲烷的催化燃烧成功地耦合到了这种类型反应器中。本板翅式重整器（PFR）通过采用板翅结构，放热与吸热之间的传热阻力比以前的板式结构更小。同时，本重

3、整器中耦合了甲醇水蒸汽重整反应和部分重整气的催化燃烧反应，反应温度较低。1实验部分1.1实验装置板翅式重整器的结构示意可见图1。两个燃烧腔、一个重整腔和两个气化腔均集成于同一反应器中，相邻的两个腔之间保持错流流动。所有的腔均采用多孔板翅结构。通过几个相同的此类重整器组合即可获得更大规模的反应装置，这就克服了同心圆式反应器扩大规模的局限性。实验中，化学反应主要在燃烧腔和重整腔中进行，其中重整腔内进行甲醇的水蒸汽重整反应，而两个燃烧腔内进行氢氧的催化燃烧反应，其目的是为了模拟利用燃料电池的阳极尾气,为物料的气化及重整反应提供热量。图1板翅式重

4、整器及内部多孔板翅的结构示意Fig.1.ConfigurationofthePFRandperforatedfin.ThelocationsofthethermocouplesinthePFRarealsoshown.1.2实验流程实验流程见图2。实验中，先向燃烧腔通一定比例的空气和氢气，当重整腔达到一定的温度时，则开始向重整腔进按一定比例混合好的甲醇水溶液。当重整反应稳定时，就可把左侧管路的氢气截止，而改用重整腔产生的部分氢气混合气（Reforminggas）进入燃烧腔供热，达到完全自热重整。另外，当重整反应器和燃料电池联试时，返回燃烧

5、腔的气体主要来自燃料电池没有完全利用的氢气混合气。图2实验流程Fig.2.Schemeoftheplate-finreformerexperimentalset-up2.结果与讨论2.1板翅式重整器中的温度分布为了更详细地说明板翅式反应器的传热行为，实验中检测了整个反应器中各腔的温度分布，在反应器中设置了15根热偶（位置如图1所示），每根热偶均能沿反应腔的轴向移动,即可检测每个腔的轴向不同位置的温度。整个反应器的轴向温度分布如图3所示，重整腔和气化腔的温度分布比较均匀，燃烧腔除了进出口处受外界保温以及气流分布的影响外，温度分布也较均匀。图

6、3重整器中各腔的轴向温度分布Fig.3.AxialtemperaturedistributioninthewholePFR(H2O/CH3OH=1.2,FluxofCH3OH-H2Owas5mL/min,7.7L/minairand2.9L/minreforminggaswerefedintothecombustionchambers.)2.2氢气选择性和甲醇转化率实验中考察了不同空速的情况下，重整反应的氢气选择性及其甲醇转化率的变化规律（图4、图5）。对应不同的空速和水醇比，燃烧腔中的燃烧气体流量与甲醇重整量的比例是一致的。从图4中可看

7、出，随着水醇比的减小，氢气的选择性虽相应下降，但所有条件下的氢气选择性均在98％以上。另外，较多的水虽然可以提高反应的产氢率，但过多的水可能导致转化率随之下降（图5）。在图5中，在较低空速和不同的水醇比下，转化率均能达到100％，随着空速的增大，在较高的水醇比下，虽然此时燃烧腔的燃烧量也相应增加，但转化率随着水醇比的增大明显下降。因此，在实验中一定要选择一个较适宜的水醇比。Fig.5EffectoftheratioofH2O/CH3OHonconversionofmethanolunderdifferentspacevelocity(13

8、2mLCatalystloadedinreformingchamberunder0.00~0.04MPaandat210~270℃)Fig.4EffectoftheratioH2O/CH3OH