摘 要

为了减少燃烧石油资源带来的污染，人们采取了很多措施，其中一种有效的措施是燃烧更清洁的替代燃料，天然气汽车应运而生。我国天然气储量丰富，天然气汽车具有很大的发展潜力。天然气需求点火能量高，燃烧时火焰传播速度低，稀燃时容易出现燃烧不完全、循环变动率大等现象。在天然气发动机中掺氢可以改善发动机的燃烧和排放性能。天然气发动机的尾气中包含H₂O、CO₂等物质，天然气的主要成分CH₄能与H₂O和CO₂发生重整反应制得氢气，将天然气和发动机尾气一起导入重整反应器中可以实现在线制取氢气。在重整反应器中，微通道反应器具有传热传质快的特点，研究初始条件对微通道内废气重整制氢的影响，能为重整反应器的设计提供参考。

本文利用fluent软件探究入口温度、入口流速及进气组分对于重整制氢反应的影响，研究表明产氢量和甲烷转化率以及氢气与一氧化碳的比值随入口温度增加而增大；产氢量和甲烷转化率随着流速的增大而减小；产氢量随甲烷与废气比值的增加而增大，甲烷转化率随甲烷与废气比值的增加先减少后增大，氢气与一氧化碳的比值随甲烷与废气比值的增大而减小。

关键词：天然气；微通道反应器；废气重整

Abstract

In order to reduce the pollution caused by the burning of petroleum resources, people have taken many measures. One of the effective measures is to burn cleaner alternative fuels. Natural gas vehicles have emerged as the times require. The demand for natural gas is high in ignition energy, and the flame propagation speed during combustion is low, and incomplete combustion and high rate of change in circulation tend to occur during lean burn. Hydrogen addition in natural gas engines improves engine combustion and emissions performance. The tail gas of natural gas engine contains H₂O, CO₂ and other substances. The main component of natural gas, CH₄, can be reformed with H₂O and CO₂ to produce hydrogen, and the natural gas and engine exhaust gas can be introduced together into the reforming reactor to realize on-line hydrogen production. In the reforming reactor, the microchannel reactor has the characteristics of rapid heat and mass transfer, and the influence of initial conditions on the hydrogen production from exhaust gas reforming in the microchannel can be studied, which can provide reference for the design of the reforming reactor.

This article uses fluent software to explore the effect of inlet temperature, inlet flow rate, and inlet gas composition on reforming hydrogen production. Studies have shown that hydrogen production rate and methane conversion rate and the ratio of hydrogen to carbon monoxide increase with increasing inlet temperature. The hydrogen production rate and the methane conversion rate decrease with the increase of the flow rate; the hydrogen production rate increases with the increase of the ratio of methane and exhaust gas, and the methane conversion rate decreases first and then increases with the increase of the ratio of methane and exhaust gas. The ratio of hydrogen to carbon monoxide decreases with increasing methane to exhaust gas ratio.

Key Words：natural gas, microchannel reactor, exhaust gas reforming

目录

摘 要 I

Abstract II

1绪 论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2研究现状 1

1.2.1甲烷催化重整研究现状 1

1.2.2废气重整的研究现状 3

1.3本文的研究内容及技术路线 3

1.4 Fluent软件介绍 4

2 数值模拟及计算模型 6

2.1物理模型 6

2.2 控制方程 6

2.3 催化反应机理 7

2.4 网格划分 9

2.5 计算方法及边界条件 10

3 反应器初始条件对重整制氢特性的影响 12

3.1 特定工况下各参数沿管道方向的变化规律 12

3.2 初始温度对于重整制氢特性的影响 15

3.3 进口流速对于重整制氢反应特性的影响 18

3.4 废气组分对重整制氢反应特性的影响 21

4 结论与展望 25

4.1 结论 25

4.2 展望 25

致谢 26

参考文献 27

1绪 论

1.1研究背景及意义

以石油类资源为燃料的发动机数量越来越多，发动机的排放对环境的污染越来越大。随着人们环保意识的提高，节能减排越来越受到大家的重视。为了减少燃烧石油类资源带来的污染，有效途径之一是燃烧更加清洁的替代燃料。天然气是其中一种优秀的替代燃料，它储量丰富，燃烧产物简单，污染物少。作为燃料，天然气的辛烷值高，在内燃机应用中可以采用大的压缩比，热效率高。但是天然气需求点火能量高，燃烧时火焰传播速度低，稀燃时容易出现燃烧不完全、失火率高、循环变动率大等现象^[1]。氢气也是一种较好的替代燃料，它的来源广泛，燃烧产物无污染。且相较于天然气，氢气可燃界限宽，最小淬熄距离短，燃烧速度快，点火需求能量小。但是氢气的储存和运输还存在很多技术难题，这大大的限制了氢气的使用。由于氢气和天然气燃烧性能优势互补，因此许多学者研究了天然气发动机的掺氢燃烧^{[2][3][4][5][6]}，研究表明天然气发动机掺氢燃烧能大幅改善其燃烧和排放性能。

此外，有研究表明天然气发动机在气门重叠区存在一定燃料泄露问题^[7]，即天然气发动机尾气中含有小部分CH₄，除此之外，尾气中的主要成分是CO₂和N₂，同时还有一部分H₂O。而天然气的主要成分CH₄可以与H₂O和CO₂通过催化重整得到H₂，天然气发动机尾气中有甲烷催化重整的全部原料，如果将其尾气导入催化反应器内进行重整，则既可以利用尾气中的原料，又能利用尾气中的余热，同时将重整得到的H₂与原燃料混合燃烧还能改善发动机的燃烧和排放性能，最重要的是它还实现了在线制取氢气，解决了氢气难以储存和运输的问题。

在催化反应器中，微通道反应器具有传质速度快，反应物在流动过程中短时间内就可混合充分；比表面积大，热交换效率较大；体积小；副反应少，能连续反应等优点^[8]。利用微通道反应器重整天然气发动机的废气，能够提高制取重整气的效率，再将重整气导入气缸中燃烧实现节能减排。

1.2研究现状

1.2.1甲烷催化重整研究现状

CH₄催化重整的方式有很多，工业上最常用的CH₄催化重整制氢方式是甲烷水蒸气重整（CH₄ H₂O），这是一个强吸热反应，所以反应一般在高温高压下进行。CH₄还能与CO₂发生重整反应制取氢气，这也是一个吸热反应，该反应的好处是将CH₄和CO₂这两种温室气体作为反应物，能够一定程度上减缓温室效应。甲烷还能与氧气发生部分氧化反应制取氢气（CH₄ 0.5O₂→CO 2H₂），该反应是放热反应。将甲烷的水蒸气重整反应和甲烷的部分氧化反应结合在一起就是甲烷的自热重整反应，调整CH₄、H₂O、O₂的比例，可以让CH₄与H₂O反应所需要的热量全部来自于CH₄与O₂反应放出的热量，实现热量的自供应。

刘科^[9]做了微型反应器内甲烷催化自热重整反应特性的数值模拟研究，采用CFD软件数值模拟了微细直圆管反应器内和微型旋流多层筒式反应器内甲烷自热重整反应特性，重点考察了催化壁面温度、反应原料气流速、水碳比（W/C）、氧碳比（O/C）反应压力以及Ni基催化剂活性位密度等对甲烷转化率、产物收率、催化壁面积炭、n(H₂)/n(CO)以及压力损失等的影响。

Jaekyeong Yoo等^[10]做了在丁酸助催化的镍/氧化铝催化剂上天然气的水蒸气重整制氢试验，结果表明，丁酸助剂镍/氧化铝催化剂的特性受丁酸/镍摩尔比的影响很大，尽管所有丁酸助剂镍/氧化铝催化剂在天然气的蒸汽重整中表现出稳定的催化性能，但是当引入丁酸时会获得更高的催化性能，天然气转化率和氢气产量也随之增加。

Xuli Zhai 等^[11]用CFD模拟了在整体式微反应器中CH₄水蒸气重整制氢的详细化学反应，得出对于涂覆的Rh催化剂的高活性和微反应器中优异的传热性能，与传统固定床反应器中的相同工艺相比，甲烷水蒸气重整反应可以以毫秒为单位有效完成。

张力等^[12]模拟研究了Ni/Rh催化剂作用下，甲烷在微通道内的自热重整制氢特性，得出在采用Ni/Rh比例为10:1的催化剂时可有效缓解温度过高而引起的烧结问题，实现甲烷的高效转化；随O₂与CH₄的物质的量比例增加，甲烷转化率升高，制氢功率先增加后逐渐减少；随H₂O与CH₄的物质的量比例增加，CH₄的转化率降低。

李培俊等^[13]做了甲烷水蒸气重整制氢反应及其影响因素的数值分析，结果表明，甲烷的转化率随着水碳比的增加而不断增加，随壁面温度的增加而不断增加，且温度的影响大于水碳比的影响。甲烷的转化率还随入口流速的增加而降低。

Chenxi Cao等^[14]用CFD内详细的化学反应探究了微通道内铑涂层和镍涂层对于甲烷水蒸气重整（SMR）反应的影响，研究表明，在相同的操作条件下，Rh的SMR催化性能优于Ni，但制备好的高负载量Ni催化剂也可表现出与Rh同样优异的性能。Ni在反应器通道不同的操作模式下表面C和O的浓度差别很大。内部加热过程中通道后半部分的表面C浓度会很高，焦化概率大。相反，内部加热过程中Rh的平均表面C浓度低于整个反应器通道外部加热时的C浓度。

综上，甲烷催化重整的研究主要以甲烷某一种催化反应方式为主，涉及的化学反应较少，对于天然气发动机的废气重整，涉及的化学反应（见下表）包括甲烷的水蒸气重整、甲烷与二氧化碳的重整、甲烷的部分氧化等反应，反应过程较为复杂，相关的研究也较少。

表1 废气重整过程中主要反应

1.2.2废气重整的研究现状

句丙杰^[15]做了燃料重整器的设计及重整气对内燃机性能影响的研究，自行设计了一套乙醇重整制氢系统与汽油机排气管相连接，利用尾气中的热量对催化重整反应加热，实现了在线制取重整气（主要成分为CO和H₂），同时将重整气与汽油混合燃烧，能改善汽油机的燃烧和排放性能。

Daniel Fennell等^[16]做了用废气燃料重整制氢提高汽油直喷发动机（GDI）的效率和排放的试验研究，结果表明，在所有情况下废气重整再循环（REGR）提高了汽油发动机的指示效率，并减少了NO_x的排放，但是HC排放略有增加；与废气再循环（EGR）相比，REGR更能降低PM的排放。

Pelin Su Bulutoglu等^[17]做了微通道反应器中天然气废气重整模拟研究，得出由于微通道反应器本身改进的传热特性，温度分布均匀，没有沿通道的尖锐热点，发现增加进料温度、H₂O/C比和进料中的丙烷含量可提高H₂产生速率；提高O₂/C比有利于提高甲烷转化率和微通道中的温度。

谢倩等人^[18]模拟了天然气发动机废气重整再循环系统，采用蜂窝式重整反应器探究了当量比、气体质量流量等对于产氢量的影响。结果表明，重整过程中产生的H₂量不仅与进气当量比有关，还与重整器前入口模型有关。

关于废气重整，虽然已经有很多学者做了相关的模拟和实验研究，但是对于废气重整制氢的研究尚不全面，对于初始条件的设置以及最终讨论的物理量还可以拓展讨论。

1.3本文的研究内容及技术路线

本文研究天然气尾气在微通道内重整制氢反应的特性，主要探究初始条件包括进气温度、进气流速以及进气组分对于产氢量、甲烷转化率等目标参数的影响，通过数值模拟的手段，耦合详细催化反应动力学机理，揭示废气——燃料重整制氢反应过程中流体流动、传热以及反应之间的耦合作用规律。下图是本文采用的技术路线。

图1 本文的技术路线

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