車用甲醇重整制氫反應(yīng)器設(shè)計(jì)及催化換熱性能的研究

田野，葉曉明

（華中科技大學(xué)中歐清潔與可再生能源學(xué)院，湖北 武漢 430074）

隨著當(dāng)今汽車需求量的增長(zhǎng)，傳統(tǒng)汽車燃料因其能源稀缺、尾氣排放污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)，面臨極大的挑戰(zhàn)。氫氣熱值高，燃燒清潔無(wú)污染，是十分優(yōu)質(zhì)的燃料，然而它貯存、運(yùn)輸困難，具有一定的安全隱患，不能直接作為車用燃料。使用甲醇作為初始燃料，利用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱來(lái)催化甲醇重整制氫，在線產(chǎn)生氫氣，可以有效解決這一難題。甲醇重整氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要通過(guò)回收發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱，并選擇適當(dāng)?shù)拇呋瘎┦辜状妓魵獍l(fā)生重整反應(yīng)產(chǎn)生H2，并將產(chǎn)物通入缸內(nèi)參與燃燒做功。甲醇分別經(jīng)過(guò)吸熱、蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)及燃燒做功四個(gè)階段，這樣就構(gòu)成了一個(gè)甲醇重整、混合燃燒和余熱回收再利用的動(dòng)力系統(tǒng)循環(huán)。與甲醇直接作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料相比，它克服了甲醇對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零件的腐蝕問題，延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命；有效回收利用了發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱，變相提升了燃料熱值，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率；反應(yīng)產(chǎn)物中的H2有助于燃燒速度的加快，促進(jìn)混合氣的形成，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)排放。

1 流動(dòng)傳熱與化學(xué)反應(yīng)理論基礎(chǔ)

（1）幾何建模與網(wǎng)格劃分。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料需求及排氣狀況，計(jì)算甲醇重整反應(yīng)所需熱量，估算反應(yīng)器的換熱系數(shù)及換熱面積，確定了反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了直管式與螺旋管式兩種不同結(jié)構(gòu)形式的反應(yīng)器。根據(jù)與反應(yīng)器實(shí)體模型1：1的比例建立了反應(yīng)器的計(jì)算模型（如圖1）。

兩種反應(yīng)器殼體直徑為140mm，殼體長(zhǎng)度為400mm，換熱管管徑為20mm。利用Ansys16.0的ICEM工具進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格劃分，采用以四面體為主的混合網(wǎng)格，同時(shí)，對(duì)反應(yīng)器的入口、出口與反應(yīng)壁面位置處的網(wǎng)格加密處理，保證模擬的精度。

圖1 反應(yīng)器模型結(jié)構(gòu)圖

（2）化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。甲醇水蒸氣重整反應(yīng)表達(dá)式為：

以亓愛篤、洪學(xué)倫等人的實(shí)驗(yàn)測(cè)得的動(dòng)力學(xué)模型為背景（測(cè)定條件為：Cu/ZnO/Al2O3催化劑粒徑 0.5～0.8mm，甲醇空 速 4000～20000h-1，反應(yīng) 溫 度573～623K），甲醇重整反應(yīng)速率表達(dá)式為：

式中，反應(yīng)速率單位為mol/h/gcat，反應(yīng)指前因子為2.12×108，阿倫尼烏斯活化能為108000，R為摩爾氣體常量，T為熱力學(xué)溫度，pCH3OH、pH2O、pH2分別為混合氣體中CH3OH、H2O、H2的分壓。

Ansys Fluent16.0可以借助用戶自定義函數(shù)UDF來(lái)編譯表達(dá)化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)動(dòng)力學(xué)表達(dá)式，通過(guò)編譯反應(yīng)物與生成物的源項(xiàng)方程來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬。將寫好的UDF導(dǎo)入到Fluent軟件中進(jìn)行編譯，并在Fluid面板Source Terms選項(xiàng)中，選擇激活相應(yīng)的UDF。

（3）進(jìn)出口邊界條件。為了便于模擬，本文作了如下幾條假設(shè)：①反應(yīng)器各組分為剛性連接，殼體與換熱管之間連接穩(wěn)定，忽略其振動(dòng)及變形；②流體為不可壓縮的牛頓流體，支持理想氣體方程；③不考慮重力的影響，不考慮粘性加熱、熱輻射和動(dòng)能變化；④化學(xué)反應(yīng)的體積力對(duì)流場(chǎng)影響足夠小，可以忽略不計(jì)。

激活能量方程，設(shè)定流體湍流模型為standard k～ε model，并對(duì)近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行設(shè)置。入口邊界條件：將管程流體、殼程流體的進(jìn)口邊界分別設(shè)為質(zhì)量入口和速度入口。甲醇水蒸氣摩爾比1:1，進(jìn)口流量為2kg/h，溫度設(shè)為373.15K。高溫廢氣入口速度設(shè)為10m/s，溫度設(shè)為773.15K。出口邊界條件：采用壓力出口進(jìn)行設(shè)定。換熱管內(nèi)外壁面：甲醇反應(yīng)器換熱管內(nèi)外壁面直接采用流固耦合的方式進(jìn)行處理。殼體壁面：考慮到反應(yīng)器外殼有絕熱材料包裹，所以模擬不考慮殼體的對(duì)外傳熱，因此采用絕熱邊界。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析（圖2、圖3）

圖2 直管式反應(yīng)器H2摩爾分?jǐn)?shù)分布云圖

圖3 螺旋管式反應(yīng)器H2摩爾分?jǐn)?shù)分布云圖

由模擬結(jié)果可知，在甲醇重整反應(yīng)器內(nèi)，低溫甲醇蒸汽在進(jìn)入螺旋管后通過(guò)管壁換熱迅速升溫，達(dá)到反應(yīng)溫度開始發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)初始階段，反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)速率起主導(dǎo)地位。由于流體的升溫，甲醇蒸汽快速地發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)出氫氣。而在反應(yīng)的后半段，生成物的濃度影響著反應(yīng)的進(jìn)行，伴隨著甲醇、水蒸氣的消耗，氫氣、二氧化碳的產(chǎn)出，使生成物的濃度以及對(duì)應(yīng)的分壓比逐漸增大，反應(yīng)平衡向反應(yīng)物方向移動(dòng)，反應(yīng)逐漸趨于穩(wěn)定，此時(shí)反應(yīng)物各組分摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果比較分析可知，雖然直管式換熱管與螺旋管流體實(shí)際換熱面積相同，但是螺旋管式反應(yīng)器甲醇轉(zhuǎn)化率更高，氫氣生成量更大，螺旋管式反應(yīng)器催化換熱性能要全面優(yōu)于直管式反應(yīng)器。

3 不同邊界條件下模擬結(jié)果分析

圖4 不同水醇比下氫氣產(chǎn)出摩爾分?jǐn)?shù)圖

甲醇水蒸汽混合物中，入口甲醇的質(zhì)量不變，改變甲醇蒸汽與水蒸氣的濃度配比，水醇比（摩爾比）分別取 0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.5、2.0，通過(guò)監(jiān)測(cè)生成氫氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)分析水醇比對(duì)甲醇制氫反應(yīng)的影響。模擬結(jié)果如圖4所示，由圖可知，當(dāng)水醇比為0.8，即水與甲醇摩爾濃度配比為4:5時(shí)，生成氫氣質(zhì)量最高，甲醇轉(zhuǎn)化率最大。

改變甲醇蒸汽入口流量分別為 2，2.5，3，3.5，4和5kg/h，保持其他條件不變，對(duì)反應(yīng)器的催化換熱性能進(jìn)行模擬。模擬表明，增大甲醇冷流體入口流量，甲醇的轉(zhuǎn)化率會(huì)下降，但是由于流量增大，單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)反應(yīng)器的甲醇量增大，致使總氫氣產(chǎn)出有所提升，當(dāng)入口流量在4kg/h以上時(shí)，氫氣的總產(chǎn)出開始下降。結(jié)果說(shuō)明，增大甲醇冷流體入口流量，一定程度內(nèi)會(huì)增大氫氣的產(chǎn)出，但是甲醇的利用率會(huì)下降，能源利用率會(huì)降低。熱流體的流速分別選取為8，10，12，14和16m/s，保持甲醇蒸汽入口流量不變，進(jìn)行模擬。結(jié)果顯示，熱流體流速增加，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)管壁交換的熱量增大，同時(shí)壁面附近熱流體湍流強(qiáng)度增大，提高了壁面間的接觸換熱效果。結(jié)果表明，在其它條件不變的情況下，換熱流體流速變化對(duì)反應(yīng)器的整體傳熱性能有很大影響，流速的增加有利于強(qiáng)化傳熱。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于醇?xì)鋭?dòng)力系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了直管式與螺旋管式兩種甲醇反應(yīng)器，利用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)反應(yīng)器催化換熱性能進(jìn)行研究。對(duì)模擬結(jié)果中反應(yīng)器內(nèi)各組分濃度分布進(jìn)行了分析，比較了螺旋管與直管反應(yīng)器換熱性能的差異。同時(shí)通過(guò)改變邊界條件，分別探討了水醇比、冷流流量、熱流流速對(duì)反應(yīng)器催化換熱性能、甲醇轉(zhuǎn)化率及氫氣產(chǎn)出量的影響，結(jié)果表明，控制水醇比在0.7～0.9，增大熱流流速，適當(dāng)提高冷流流量，可以提高催化換熱效果，增加氫氣的產(chǎn)出量。