详情

原文传递废气-燃料重整催化剂载体结构优化设计

论文题名：	废气-燃料重整催化剂载体结构优化设计
关键词：	船用天然气发动机;废气-燃料重整器;固定床反应器;催化剂载体;结构优化
摘要：	针对船用天然气发动机，采用废气-燃料重整再循环技术能够充分利用发动机废气成分和余热实现发动机的在线掺氢燃烧，从而改善发动机的热效率并降低其尾气污染物排放。其中，废气-燃料重整器是该技术中产生氢气的装置。目前应用于工程实际的重整器大多为填充颗粒催化剂的固定床反应器，提高重整器的产氢量并降低重整器内的压力损失对船用天然气发动机掺氢量的调控具有重要意义。而固定床反应器中颗粒的形状和尺寸决定了床层内部的间隙空间，从而影响整个反应器的换热与重整反应过程。因此，本文对常用的催化剂颗粒载体的形状及尺寸进行数值模拟研究，深入分析颗粒催化剂堆积床层的流动、传热和重整制氢特性，筛选出最适用于船用天然气发动机废气-燃料重整的催化剂载体结构。　　首先，本文利用Blender软件构建了球体、单孔球体、圆柱、单孔圆柱、四孔圆柱及三叶形圆柱等六种不同结构的颗粒催化剂堆积模型，并结合经验公式对比分析了各颗粒堆积固定床的孔隙率分布，验证了随机堆积模型的准确性。然后，利用ICEM软件对催化剂随机堆积模型进行网格划分，并基于Fluent计算流体仿真软件对不同颗粒结构固定床的流动传热特性开展研究，分析不同颗粒结构催化剂堆积床层的压降、流场与温度场沿反应器轴向和径向距离的分布规律，初步筛选结构最优的催化剂颗粒。最后，耦合详细废气-燃料重整反应机理对固定床反应器内的流动传热及催化反应过程进行数值模拟研究，探究不同水碳比和氧碳比的进气条件下，不同结构的催化剂颗粒堆积床层内的流动传热以及重整反应特性，最终筛选出结构最优的催化剂颗粒。　　结果表明，对实心颗粒（球形和圆柱形）进行内部开孔或外部开槽处理，能够有效降低混合气体在固定床反应器中的压降。对于圆柱系列的颗粒催化剂，当孔隙率相同时，相比于内部开孔的圆柱形催化剂，采用外部开槽的三叶形圆柱颗粒所堆积的固定床具有更小的床层压降。各颗粒催化剂在不同工况的流动传热特性如下，由于所堆积的催化剂固定床的孔隙率沿轴向距离呈现出振荡分布的特性，导致轴向截面的平均速度沿轴向呈现上下波动的分布规律；轴向速度越大的颗粒催化剂所堆积的固定床，其沿轴向的传热效率越高。　　当各颗粒固定床耦合重整反应后，所有固定床层的压降均增大，固定床层轴向截面平均速度整体值也增大，但变化趋势依旧与无重整反应时一致。在温度场分布上，由于重整反应过程中包含多种吸热与放热的重整反应，导致催化剂固定床层的能量变化不均，从而使催化床层的温度场分布比无重整反应时发生改变。　　当催化剂固定床的进气组分比相同时，相比于其他形状的催化剂堆积固定床，单孔球颗粒固定床具有更高的单位压降产氢率，三叶形圆柱颗粒固定床具有最高的产氢量。提高混合气进口温度，能够降低各颗粒固定床的压降并提高产氢量。综上所述，在六种不同结构的催化剂颗粒中，以床层压降、产氢量及单位压降产氢率为筛选目标，单孔球和三叶圆柱形的催化剂颗粒更适用于天然气发动机的废气-燃料重整制氢过程。
作者：	钱航
专业：	轮机工程
导师：	张尊华
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021