天然气重整器内部传递过程的数值模拟.pdf

弟 2 8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， 2 0 0 8 ， 2 8 3 1 2 1 1 2 3 ． 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 ， 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 S I MP L E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 1 mm 的催化剂 薄层 内进行 ， 沿 主 流动方 向， CH 浓度 由 1 9 ． 5 降到 7 左右 ， H 浓度 由 4 ． 1 上升到 1 3 左 右， 混合 气温度上升约 1 O℃。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 9 7 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 重整管道的影 响将采用热边界条件来描述 相邻 燃 烧管道固壁有热量流入 ， 其他为绝热条件 。 一 、过程描述与数学模型 重整器结构见图 1 。取一半宽度管道进行研究 ， 坐标原点设定 在复合管道 的左下 角处 ， 坐标 、 分别表示管道的长、 高 、 宽 ， U、 、 w 分别为对应 3个 方 向的速 度分 量 。 重整 的化 学 过程 用 2个独 立 的平 衡式 来 表示 C H4 H2 OCO3 H2 A h 1 。 。 。 K 一2 2 6 k J ／ mo 1 1 C oH2 O C O 2 H2 A h 1 o o 0 K 一 一3 5 k J ／ mo 1 2 嘲 是 供的鞋瞳 q 图 1 紧凑型重 整器结构示意 图 式 中 △ 。 。 。 表 示 反 应 温 度 为 1 0 0 0 K 时 的 反 应 热 ， 方 程 1 称 为水 蒸气 重 整反 应 ， 为 吸 热反 应 ； 方 程 2 称为水一气变换反应 ， 为放热反应 。总反应 吸热 ， 热 量由燃烧管道内的催化燃烧反应提供 。 、 控制方程包括连续方程、 动量方程、 能量方程等。 连 续方 程 V p e f f 一 0 3 动 量方 程 p “ w 一一 V P V ／ z f f V S d ． 4 式中 为有效密度 ， V为混合物的体积平均速度张 量 ； P为 压强 ； 源 项 S d ． 的计 算公 式 l 5 为 S d i 一 f f V ／ ／ e f f 一p e f f B V l V l 5 *本文受到 国家 自然科 学基金资助项 目 编号 5 0 7 0 6 0 0 4 、 辽 宁省 2 0 0 7年博士启动基金 的资助 。 作者简介 杨国刚， 1 9 7 2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 1 O 余篇 。地 址 1 1 6 0 2 6 辽 宁省 大连市凌海路 2号 。电话 0 4 1 1 8 1 7 0 2 7 1 3 ， 1 3 0 5 0 5 6 1 1 5 0 。E - ma i l y a n g g g 1 6 8 S O hu ．c o m 维普资讯 天然气工业 2 0 0 8 年 3 月 式 中 、 fl o B 分别 为 有 效 黏 度 、 多 孔 层 的 有 效 渗 透率 、 公 式 常数 。 能量方 程表示 为 p f f f f f v T一 k e f f T S T 6 S T R Ah R Ah 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 ； A h为 反应焓 。 组分 守恒方 程采用 以下 的统一 形式 I。 。 f f 一 I。 “ D “ S ≠ 8 这里 ， 为燃 料 气体 的质 量分 数 。 边界条件为 1 在 同壁底 部 一0 处 U V W一 0， k ff0 1 一 q ，J 一 0 Y 为 C H 、 H2 、 C O、 H2 O、 C 2 2 在 固壁顶 部 与侧 面处 U W一 0， q一 0 ， l ／ 一 0 3 在 平板 中心位 置 一0 处 一8 U 一 一 w一 一 一0 az az az az 采用控制容积积分法对数学模型进行离散， 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 S I MP I E算法解决速度与压力耦合问题 。 二 、 算例研 究 采用 一 个 典 型 的重 整 器管 道 作 为 基础 算 例 ， 几 何 参数见 表 1 。对 于多 孔重整 催化 剂层 ， 特性参 数孔 隙 率为 0 ． 5 、 渗 透 率 为 2 1 0 。 m。 。燃 料 气 体 人 口 温度 为 7 0 0℃ ； H 、 C H 、 H。 O、 C O 的有 效 扩 散 系数 分别 为 9 ． 5 1 0 一、 2 ． 8 1 0 ～ 、 3 1 0 ～ 、 2 ． 6 1 0 一 m ／ s ； 甲烷 ／ 蒸气混合 物 体 积 比为 3 3 6 7 的人 口速 度 为 5 m／ s ， 摩 尔 浓度 比为 H C H C O H。 O CO， 一 0 ． 2 8 4 0 ．1 7 10 ． 0 2 80 ． 4 7 30 ． 0 4 4 1 2 2 O 0 I f m、 图 3 表 1 重整反应器管道尺寸表 c m 三 、 结果与讨论 图 2为 管 道 中心 处 C H 质 量 浓 度 沿 主流 动 方 向与管 道 高 度 方 向 的 分 布 。Y轴 单 位 为 相 对 高 度 即实际高度 Y与复合管道总高 h的比值 。可以看 出， C H 浓度沿着主流动与高度两个方向逐渐降低。 沿主流动方向， CH 质量浓度由人 口处 的 0 ． 1 9 5 ， 降 至 出 口处 的 0 ． 0 5 6 ～0 ． 0 8 4 ； 沿 高度 方 向 ， 在 人 口很 短 的一段距 离 约 1 ram ， 反 应可 以发生在 催化 剂层 很 深 的 区域 ； 而 在催化 剂层 的其 他 区域 ， 反应 主 要集 中 在 靠近燃 料管 道 的薄层 内 约 1 ram 进行 。 1 O o o 1 0 ．2 xf m、 图 2 CH 的质 量 浓 度 沿 主 流 动 方 向分 布 图 图 3为 C O 和 H。 质 量 浓度 沿 主 流 动 方 向分 布 图 。从 图 3 - a看 出 ， 沿 主 流 动 方 向 ， C O 质量 浓 度 变 化不大 ， 说明 C O生成与 消耗速度基本相 当。从 图 3 - b看 出， 沿 主流 动方 向 ， H。 质量 浓度 由 0 ． 0 4 1上升 到 0 ． 1 3 9 ～0 ． 1 7 6 。 蒸 气重 整反 应与变 换反 应 的反 应速 度 分布 见 图 4 。 2 个 反 应 主 要 发 生 在 多 孔 催 化 剂 与 流 动 管 道 的 O 2 维普资讯 第 2 8 卷第 3 期 天然气工业 O 0 1 O 2 x Il 1 1 O O 0 1 0 2 x I l1 图 4 反应器 单个管道 内蒸气重整 反应、 变换 反应 速度沿主流动方 向的分布 图 界面处 可见较大 的反应速度值 ， 催 化剂的其他 区 域 只发生 较弱 的反应 。 图 5为 H o 在管 道 内 的变 化 情 况 。可 以看 出 ， 在 多孔 催化 剂 层 内 H o 被 蒸 气 重 整 反 应 与 变 换 反 应所消耗。因此 ， H O的质量分数沿着主流动方 向 由 0 ． 6降至 0 ． 1 4 2 ～0 ． 2 7 9 。 从图 6 可见 ， 混合气体温度沿着主流动方向升高。 在催化剂层 内， 底部固体平板另一侧为燃烧管道 ， 由此 传人热量 ， 温度最高达 7 2 4 o C。随着高度的增加， 温度 逐渐降低， 到与流动管道交界处时， 温度最低已降至约 7 0 3 o C。原因一是由于传热阻力形成温度梯度， 二是 由 于越靠近交界处 ， 化学反应越剧烈 ， 耗热量也越多 。 O 0 1 0 ．2 x IT I 图 5 管道 内 H O质量浓度 沿主流动方 向的分布 图 O 0 1 0 ．2 x I T I 图 6 管道温度沿主流 动方 向的分布 图 单个重整反应管道 内的化学反应 ， 以及 气体流动与 传 热 过程 进 行 了模 拟 与 分 析 。结 论 如 下 化 学 反 应 主要 发生 在催 化剂 表 面 ， 厚度 约 1 mm 的 薄层 内 ； 沿 主流动方 向， C H 质量浓度 由 0 ． 1 9 5降至 0 ． 0 5 6 ～ 0 ． 0 8 4 ； C O质 量浓 度变 化 不大 ； H 质 量浓 度 由0 ． 0 4 1 升到 0 ． 1 3 9 ～0 ． 1 7 6 ； H O 的质 量浓度 由 0 ． 6降至 0 ． 1 4 2 ～0 ． 2 7 9 ； 混合气体温度沿着主流动方向升高， 在催化剂层内， 温度随高度的增加而下降。 参 考 文 献 [ 1 ]张斌 ， 李 政 ， 倪维 斗． 管式 固体 氧化 物燃料 电池 系统数学 模型[ J ] ． 天然气工 业 ， 2 0 0 4 ， 2 4 6 1 0 3 1 o 8 ． [ 2 ]刘军 民， 廖 世军． 天 然气 固体氧化 物燃 料 电池 研究 进展 [ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 5 ， 2 5 1 1 1 0 7 1 1 1 ． [ 3 ]S AMAN TA I ，S HAH R K，WAG NE R A．F u e l p r o c e s s i n g f o r f u e l c e l l a p p l i c a t i o n [ C ] ／ ／P r o c e e d i n g s o f f u e l c e l l s c i e n c e， e n gi ne e r i n g a nd t e c hn ol ogy，SHAH R K ， KANDLI KAR S G ， e d s ． Ne w Yo r k AS M E，Fu e l c e l l 2 0 04． [ 4 ]F AR R AUTO R，HWANG S ，S HO RE L ，e t a 1 ．Ne w ma t e r i a l ne e d s f or hy dr oc a r bo n f ue l pr o c e s s i ngGe n e r a r i n g Hy d r o g e n f o r t h e P E M F u e l C e l l [ C] ／ ／ An n u a l Re v i e w o f Ma t e r i a l R e s e a r c h ， [ s ． 1 ． ] [ S ． n ． ] ， 2 0 0 3 ， 3 3 1 2 7． [ 5 ]YU AN J ，S UN D N B ．Nu me r i c a l i n v e s t i g a t i o n o f h e a t t r a n s f e r a n d g a s f l o w i n p r o t o n e x c h a n g e me mb r a n e f u e l c e l l d u c t s b y a g e n e r a l i z e d e x t e n d e d d a r c y m o d e l [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Gr e e n En e r g y， 2 0 0 4 1 4 7 6 3 ． [ 6 ]Y UAN J ，R OK NI M， S UN D6 N B ．Th r e e - d i me n s i o n a l c ompu t a t i o na l a na l y s i s of g a s a n d he a t t r an s p or t phe no m - e na i n du c t s r e l e va nt f or a no de s u pp or t e d s o l i d ox i d e f u e l c e l l s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f He a t a n d Ma s s T r a n s f e r， 2O 03， 4 6 8O 9 - 8 2】 ． 四 、 结 论 修 改回 稿日 期 2 3 ’0 8 一 o 1 2 5编 辑 赵 勤 笔者采用计算流体力学方法对紧凑 型重整器 中 1 23 维普资讯