甲烷重整热化学储能过程催化反应及传输特性

【摘要】：太阳能是一种清洁、丰富的可再生能源，合理高效利用太阳能能够缓解我国不合理的能源消费结构以及能源短缺现象，并大幅度减小我国对外能源依存程度。由于太阳能具有间歇性和不稳定性等特点，很难满足规模化连续稳定供能的要求，因此必须发展高效储能技术以保证太阳能的高效稳定利用。现有太阳能高温储能主要采用显热和相变储能方法，其储能密度相对较低，且高温热能在常温下无法做到长期储存。热化学储能是太阳能高温储能的新型技术，具有重要的研究意义和应用前景。 CO_2/CH_4重整热化学储能的储能特性引起了国际社会广泛关注，该储能过程能够将低能量密度、间歇性和不稳定的太阳能转化为稳定化学燃烧能，且CO_2/CH_4重整热化学储能反应工况为高温环境，该储能特性有效填补太阳能热利用高温储能蓄热（600oC）的空缺，CO_2/CH_4重整储能有效提高了稳定燃料化学能的焓值，焓值提升幅度为23.6%，根据“温度对口、梯级利用”的能量利用理念，CO_2/CH_4重整热化学储能有效提高了能的品位，将低品位的能量转换为可以用于直接发电的高品位能，并能实现能的异时空使用，实现了能的主动调控蓄能；同时，CO_2/CH_4重整热化学储能过程在实现对太阳能的收集-存储-再利用的过程中，能充分利用CO_2及CH_4两种温室气体制造氢能，在完成可再生能源规模化利用的同时，实现了稳定燃料化学能的主动调控蓄能，以及节能减排多重作用，因此CO_2/CH_4热化学储能具有非常广阔的应用前景。 热化学储能过程是一多相多场共存与转化的复杂热流体系反应动力学过程，而热化学反应储能过程的催化机制则是储能技术实用化之关键。与普通CO_2/CH_4重整反应工况不同，热化学储能过程需要以高效储能效率为前提，这要求CO_2/CH_4重整热化学储能在高温环境下进行。而反应过程必须需要催化剂进行催化，因此对催化剂要求极高，普通甲烷重整反应催化剂难以适应符合太阳能高温反应条件的苛刻要求，需要研制适合耐高温催化性能良好的催化剂。本文运用化学反应工程的观点和方法，以CO_2/CH_4重整热化学储能反应体系为研究对象，研究了CO_2/CH_4重整热化学储能过程的反应原理，着重分析了由太阳能向稳定燃烧化学能转化的过程，通过研究CO_2/CH_4重整热化学储能过程的反应工况，制备重整储能过程催化剂并探讨了影响催化稳定活性的相关因素及机理，并且设计了基于碳酸熔融盐高温传热-蓄热平台为原型的模拟太阳能塔式热发电电站的CO_2/CH_4重整储能的管壳式重整储能反应器的数值模型，解决了影响储能过程效率的反应器结构参数及反应操作条件的变化规律及趋势。此外，本文对管壳式重整反应器的研究进行了部分延伸，设计了有序填充床反应器数值模型，通过探讨反应器内部的热质传递等规律，分析影响反应器管内影响热质传递规律的因素。。 本文首先提出了CO_2/CH_4重整储能反应理论，根据CO_2/CH_4重整储能反应特性进行理论分析，提出满足高效储能效率的反应条件。研究表明：重整反应条件为CO_2/CH_4=1，T=800°C，常压操作时，CO_2/CH_4重整储能具有最佳的储能效率，此时，CO_2/CH_4重整储能体系中主反应的反应程度高于90%，且副反应产生的表面积炭也维持相当低的水平。 为了解决CO_2/CH_4重整储能过程稳定性及机理等关键科学问题，本文设计并制备了高效稳定的催化剂，详细探讨该类催化剂在高温持续稳定的续航能力，以及稳定性机理及预测其使用寿命。研究表明，采用正交实验优化的Pt-Ru/γ-Al_2O_3催化剂，其高温稳定续航能力优秀，可在800°C下持续反应500h后保持与新鲜催化剂不变的催化性能；通过稳定性及催化剂表面积炭研究，得出Pt-Ru/γ-Al_2O_3不仅能提高催化剂抗烧结能力，还能改善活性组分Pt在富CO反应体系的毒化情况和Ru在高温富氧环境的被氧化情况；同时，研究表明，随着反应时间的增加，催化剂表面覆盖的部分毒化C种类会向活性炭种类转化，催化剂表面积炭类型主要是具有一定活性的C种类。因此，通过实验研究，本课题选择的Pt-Ru/γ-Al_2O_3催化剂能够满足高能流密度、高储能温度工况下的CO_2/CH_4热化学储能持续稳定工作的工艺条件，同时还能保持高效的储能效率，达到了实验设定目的。 基于CO_2/CH_4重整储能过程的实际应用领域，本文设计了基于碳酸熔融盐高温传热-蓄热平台为原型的模拟太阳能塔式热发电电站的CO_2/CH_4重整储能的管壳式重整储能反应器的数值模型，解决了影响储能过程效率的反应器结构参数及反应操作条件的变化规律及趋势，研究表明，在蓄热反应过程中，蓄热反应器管长越长、直径越短，管内催化剂床层高度越厚，催化剂活化能越小，越有利于提高蓄热储能效率；另外，反应雷诺数越低，操作压力越小，甲烷进口摩尔分率越小，壁温与进口温度越高，越有利于甲烷转化率的提高，从而提高蓄热储能效率。此外，该数值模型还解决了CO_2/CH_4重整储能体系现有研究阶段微观热质传递机理不清晰的难题。 本文基于管壳式重整储能反应器固定床反应器模型，设计了几种管内催化剂颗粒有序堆积方式，通过研究反应器内部不同堆积方式的热质传递等规律，探讨了影响反应器管内影响热质传递规律的因素。研究表明，在大多数雷诺数范围内，管内N=2.16堆积方式最有利于提高传热速率。考察了床层堆积方式对局部流场的影响规律，得出床层内的阻力特性主要受催化剂形体阻力控制。耦合CO_2/CH_4吸热重整反应后，研究了堆积方式对催化剂单位面积转化率的影响，得出N=2.16堆积方式转化率最高，管内球表面温度的变化规律符合反应宏观规律，说明催化剂床层采用N=2.16的有序堆积方式，能够有效的提高管内传热速率，并能增加储能蓄热效率。 本文基于CO_2/CH_4重整热化学储能研究了该储能过程的反应原理，分析了由太阳能向稳定燃烧化学能转化的过程，研究了CO_2/CH_4重整热化学储能过程的反应工况，制备了重整储能过程催化剂并探讨了影响催化稳定活性的相关因素及机理，并且设计了基于碳酸熔融盐高温传热-蓄热平台为原型的模拟太阳能塔式热发电电站的CO_2/CH_4重整储能的管壳式重整储能反应器的数值模型，解决了影响储能过程效率的反应器结构参数及反应操作条件的变化规律及趋势。本文还基于管壳式重整储能反应器固定床反应器模型，设计了有序填充床反应器数值模型，通过探讨反应器内部的热质传递等规律，分析了影响反应器管内影响热质传递规律的因素。 【关键词】：热化学储能 能的品位 主动调控蓄能 Pt-Ru/γ-Al_2O_3 催化特性 数值模拟 传递特性
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ203
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-15
• 主要符号表15-17
• 第一章 绪论17-44
• 1.1 前言17
• 1.2 热化学储能技术17-25
• 1.2.1 储能技术17-20
• 1.2.2 热化学储能体系20-22
• 1.2.2.1 热化学吸附/吸收储能20-21
• 1.2.2.2 热化学反应储能21-22
• 1.2.3 常见热化学反应储能体系22-25
• 1.3 甲烷重整体系25-30
• 1.3.1 甲烷二氧化碳重整25-28
• 1.3.2 甲烷水蒸气重整28-29
• 1.3.3 甲烷水蒸气/二氧化碳混合重整29-30
• 1.4 甲烷二氧化碳重整体系30-42
• 1.4.1 二氧化碳甲烷重整热力学分析30-31
• 1.4.2 二氧化碳甲烷重整反应器31-32
• 1.4.3 二氧化碳甲烷重整催化剂32-37
• 1.4.3.1 催化剂活性组分32-33
• 1.4.3.2 催化剂载体33-35
• 1.4.3.3 催化剂表面的积炭和消炭研究35-37
• 1.4.4 催化重整反应的数值模拟37-42
• 1.4.4.1 甲烷二氧化碳重整数值模拟38-39
• 1.4.4.2 甲烷燃烧数值模拟39-41
• 1.4.4.3 甲烷自热重整数值模拟41
• 1.4.4.4 甲烷水蒸气重整数值模拟41-42
• 1.5 本论文研究目的和研究内容42-44
• 第二章 二氧化碳甲烷重整反应理论热力学分析44-57
• 引言44
• 2.1 二氧化碳甲烷重整体系涉及反应44-47
• 2.2 甲烷二氧化碳重整反应体系热力学计算47-50
• 2.3 二氧化碳甲烷重整体系独立反应平衡转化率的计算50-53
• 2.4 压力不同对二氧化碳甲烷重整体系的影响53-55
• 2.5 CO_2/CH_4摩尔比对重整体系的影响55-56
• 2.6 本章小结56-57
• 第三章 铂-钌双金属催化剂制备及稳定性和积炭分析57-86
• 引言57
• 3.1 实验部分57-61
• 3.1.1 催化剂制备57-58
• 3.1.2 催化剂性能评价58-59
• 3.1.3 催化剂稳定性测试59-60
• 3.1.4 催化剂稳定性机理分析方法60-61
• 3.1.4.1 比表面积的 N2-吸附脱附测定60
• 3.1.4.2 形貌的扫描电子显微镜（SEM）观察60
• 3.1.4.3 组成和价态的 X 射线光电子能谱（XPS）分析60
• 3.1.4.4 积炭的热重（TG）分析60
• 3.1.4.5 积炭的透射电子显微镜（TEM）观察60-61
• 3.2 催化剂制备方法优化61-66
• 3.2.1 活性组分对催化剂性能的影响61-62
• 3.2.1.1 活性组分总负载率对催化性能的影响61
• 3.2.1.2 各活性组分比例对催化性能的影响61-62
• 3.2.2 制备方法优化的正交实验设计及分析62-66
• 3.2.2.1 正交实验设计62-63
• 3.2.2.2 正交实验结果分析63-66
• 3.3 催化剂的性能和稳定性66-70
• 3.3.1 催化剂活性和选择性66-67
• 3.3.2 催化剂的短期稳定性67-69
• 3.3.3 催化剂的长期稳定性69-70
• 3.4 催化剂稳定性的机理分析70-85
• 3.4.1 催化剂稳定性的现代物理技术分析71-77
• 3.4.1.1 比表面积变化的 N2-吸附脱附分析71-72
• 3.4.1.2 形貌变化的扫描电子显微镜分析72-74
• 3.4.1.3 催化剂活性组分变化的 X-射线光电子能谱（XPS）分析74-77
• 3.4.2 表面积炭的理论分析77-79
• 3.4.3 表面积炭实验分析79-85
• 3.4.3.1 表面积炭的热重（TG）分析79-83
• 3.4.3.2 表面积炭的透射电子显微镜（TEM）观察83-85
• 3.5 本章小结85-86
• 第四章 管壳式催化重整反应器的数值模拟86-109
• 引言86
• 4.1 数理模型及数值方法86-92
• 4.1.1 物理模型86-89
• 4.1.2 控制方程89-91
• 4.1.3 边界条件与数值方法91-92
• 4.2 化学动力学模型92-96
• 4.2.1 动力学实验测定93
• 4.2.1.1 催化剂粒径与甲烷转化率的关系—内扩散效应实验93
• 4.2.1.2 反应物流速与甲烷转化率的关系—外扩散效应实验93
• 4.2.1.3 温度对反应速率的影响—阿伦尼乌斯公式93
• 4.2.2 动力学结果与讨论93-96
• 4.2.2.1 催化剂粒径与甲烷转化率的关系93-94
• 4.2.2.2 反应物流速与甲烷转化率的关系94-95
• 4.2.2.3 温度与反应速率常数的关系—Arrhenius 经验式推导95-96
• 4.3 模型验证96-100
• 4.3.1 反应转化率对比96-97
• 4.3.2 热质传递与反应的分布规律97-100
• 4.4 反应器结构对 CO_2/CH_4催化重整反应的影响100-104
• 4.4.1 管长对催化重整反应的影响100-102
• 4.4.2 管直径对催化重整反应的影响102-103
• 4.4.3 催化床层高度对催化重整反应的影响103-104
• 4.5 重整反应条件对 CO_2/CH_4催化重整反应的影响104-108
• 4.5.1 流动速度对催化重整反应的影响104-106
• 4.5.2 压力对催化重整反应的影响106
• 4.5.3 温度对催化重整反应的影响106-107
• 4.5.4 原料摩尔分率对催化重整反应的影响107
• 4.5.5 活化能对催化重整反应的影响107-108
• 4.6 本章小结108-109
• 第五章 管内有序堆积填充床重整反应的数值模拟109-124
• 引言109-110
• 5.1 数理模型及数值方法110-114
• 5.1.1 物理模型110
• 5.1.2 控制方程110-111
• 5.1.3 网格划分111-112
• 5.1.4 边界条件与数值方法112-113
• 5.1.5 模拟数据处理113-114
• 5.2 模型验证114-118
• 5.2.1 传热系数对比114-116
• 5.2.2 流动与传热性能分布116-118
• 5.3 模拟结果与讨论118-123
• 5.3.1 壁面边界条件对平均传热与流动特性的影响118
• 5.3.2 无反应时堆积方式对平均传热与流动特性的影响118-120
• 5.3.3 耦合反应时堆积方式对 CO_2/CH_4反应的影响120-123
• 5.4 本章小结123-124
• 结论124-127
• 参考文献127-145
• 攻读博士学位期间取得的研究成果145-146
• 致谢146-147
• 附件147

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