管式反應器中內熱源加熱的甲醇水蒸氣重整制氫特性

張家盛，王  鋒，彭隆肇，丁佳渝，王國強

摘 要：為了強化甲醇水蒸氣重整（MSR）制氫過程，研制一種電磁感應內熱源加熱的微型反應器。對電磁感應加熱的線熱源升溫特性進行研究，并采用雙速率動力學模型數(shù)值考察反應物進口溫度、速度、水醇比和內熱源功率對MSR制氫過程的影響。實驗結果表明：電磁感應加熱升溫速率快，可為吸熱的MSR提供足夠強的線內熱源；計算結果顯示在反應物進口速度為 0.1m/s、進口溫度為 450K，加熱功率為 5000kW/m³和水醇物質的量之比為 1.33的反應條件下，反應器出口轉化率達96.47%。電磁感應加熱作為內熱源的MSR微反應器能在較高的反應物流量下保持較大的出口氫氣含量及甲醇轉化率。

關鍵詞：水蒸氣重整；制氫；感應加熱；內熱源；管式反應器 

      氫氣是一種極具前景的能源載體，由于其無污染、可再生、能量密度高等特點而被視為理想的清潔能源之一。目前氫氣大多由化石能源熱化學轉化而來，甲醇水蒸氣重整（MSR）是其中一種重要的制氫方式，而利用太陽能為 MSR供熱制氫被認為是一種非常有前景的方法。但 MSR 是強吸熱過程，反應速度快且吸熱大，針對該反應過程優(yōu)化研究主要有以下3個方面：一是優(yōu)化聚光板結構，如通過改變管式反應器槽型太陽能聚光板的結構來調整反應中冷點的分布；二是使用新型催化劑材料，研究銅基催化劑的表征及其活性、催化劑摻雜等來強化催化反應過程；三是優(yōu)化反應器，減小反應通道尺寸，縮短熱質傳輸距離從而強化傳熱傳質。

     常規(guī)外部加熱的固定床反應器受傳熱限制而影響反應器性能發(fā)揮。為了強化傳熱，本文設計基于電磁感應內熱源加熱的甲醇重整制氫管式反應器。該反應器可利用電磁感應效應將太陽能光伏發(fā)電用于甲醇水蒸氣重整反應吸熱，改善反應器溫度分布。因此，首先通過實驗研究電磁加熱的特性，采用內熱源模擬電磁感應加熱，分析在一定加熱條件下反應器進口參數(shù)（如溫度、速度、水醇比和加熱功率）對性能的影響，同時討論反應通道中溫度分布和壓降等。

1  電磁感應內熱源升溫特性實驗

1.1   電磁感應加熱反應器設計

      電磁感應加熱的甲醇水蒸氣重整制氫反應器及實驗系統(tǒng)如圖1所示。在管式反應器外壁面纏繞電磁線圈，反應器內填充銅基催化劑顆粒，中心沿軸向（x 方向）布置鐵絲作為內熱源。鐵絲直徑為2mm，長度與反應器中催化段長度相同。采用空氣泵在反應器中通入空氣并沿軸向測溫觀察反應器內部軸向溫度的升溫特性。

1.2   電磁感應加熱溫度分布及計算結果對比

     電磁感應加熱主板輸入電壓U=220V，線圈電流I =10.23A，交流頻率f= 15kHz，線圈纏繞半徑r=7.5mm，纏繞間距n =7.5mm/圈，線圈外部包裹石棉防止熱量散失，空氣入口處293K，出口空氣流量Q =1.3L/min。加熱升溫曲線如圖2所示。

      實驗表明，電磁加熱溫升和響應快有利于反應器溫度調控，加熱穩(wěn)定后的反應器軸向空氣平均溫度如圖3所示，可見管內溫度沿軸向不斷升高。進一步建立反應器物理模型，根據(jù)實驗結果，為了達到較好的擬合效果不斷調試參數(shù)，最終設置金屬絲內熱源加熱功率為20000kW/m³，通入空氣參數(shù)與實驗相同，初始溫度293K，入口速度0.1m/s，得到圖3結果。可看出，反應器軸向空氣平均溫度與實驗中結果趨勢吻合。線圈均勻纏繞下電磁加熱的內熱源功率可用恒熱流密度內熱源模擬，在后文分析中，采用內熱源來代替電磁感應加熱用于MSR 制氫特性的研究。

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