流化床内吸附强化甲烷水蒸气重整的模拟研究

摘要

吸附强化甲烷水蒸气重整是一种节能环保，经济适用的新型制氢技术，其通过高温固体吸附剂就地捕获二氧化碳，不仅打破了热力学平衡获得了高纯度的氢气，同时也降低了反应温度。流化床反应器具有气固混合良好、床层温度均匀、传热传质效率高等优势，是吸附强化甲烷水蒸气重整(SESMR)制氢技术潜在的反应器。本文采用欧拉-欧拉流体动力学模型对鼓泡流化床和循环流化床内的SESMR过程进行了模拟研究。　　首先，将重整反应动力学和吸附反应动力学模型耦合到欧拉-欧拉流体动力学模型中，构建了一种能预测流动-传递-反应(重整/吸附)SESMR全过程的整体模型。然后对循环流化床提升管内SESMR过程进行了模拟，研究了因素温度，水碳比，静床层高度，表观气速，吸附剂与催化剂质量比对反应过程的影响。结果表明：常压下以Ni/MgAl2O4为催化剂，煅烧白云石为吸收剂时,最佳反应温度约为923K，水碳比，静床层高度和吸附剂与催化剂质量比的增加有利于吸附强化甲烷水蒸气重整过程，但是气速的增加使得气固接触时间变短，对反应有着负面的影响。　　最后，以鼓泡流化床为反应器比较了SMR与SESMR过程，发现与传统SMR相比SESMR具有很大的优越性，大幅度提高了氢气纯度和甲烷转化率，以及氢气的产量。鼓泡流化床反应器内介尺度流动结构(气泡)对传质、反应起着重要的作用，为了考虑介尺度流动结构的影响，分别采用介尺度曳力模型和传统的均匀曳力模型(Gidaspow模型)对SMR与SESMR过程进行了模拟，结果表明：介尺度模型模拟的结果与实验结果更加相符，并且模拟结果显示气泡的生成降低了产物氢气的浓度。比较了鼓泡流化床与循环流化床的性能，发现循环流化床出口氢气的纯度和产量更高。

目录

主要符号说明

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 传统的甲烷水蒸气重整 (SMR) 过程

1.3 吸附强化甲烷水蒸气重整 (SESMR) 过程

1.3.1 CaO吸附剂

1.4.1 固定床反应器

1.4.2 流化床反应器

1.5.1 计算流体力学简介

1.5.2 介尺度曳力模型

1.5.3 SESMR的数值模拟研究

1.6 主要研究内容

1.7 本章小结

2 SESMR 流动-传质-反应模型的建立

2.1 引言

2.2.1 质量守恒方程

2.2.2 动量守恒方程

2.2.3 能量守恒方程

2.2.4 湍流方程

2.3 SESMR 反应模型

2.3.1 SMR 反应动力学模型

2.3.2 CO2吸附反应动力学模型

2.3.4 SESMR过程的评价参数

2.4 SESMR模型验证

2.5 本章小结

3 提升管内SESMR过程的模拟

3.1.1 物理模型

3.1.2 模拟参数

3.2 网格无关性验证

3.3.1 温度对SESMR过程的影响

3.3.2 水碳比对SESMR过程的影响

3.3.3 表观气速对SESMR过程的影响

3.3.4 颗粒静床层高度对SESMR过程的影响

3.3.5 吸附剂与催化剂之比对SESMR的影响

3.5 本章小结

4 鼓泡流化床内SESMR过程的模拟

4.1 物理模型与模拟参数

4.2 SMR与SESMR过程的比较

4.3 气泡对SESMR的影响

4.4 循环流化床与鼓泡流化床性能比较

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢

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