高溫堆甲烷蒸汽重整制氫系統(tǒng)的研究

【摘要】： 利用核能可以大規(guī)模、高效地制氫,同時減少甚至消除溫室氣體的排放,為實(shí)現(xiàn)未來可持續(xù)能源體系提供了有力的保證。本文采用理論分析和計算模擬的方法對高溫堆甲烷蒸汽重整制氫系統(tǒng)進(jìn)行了研究。 論文首先從熱力學(xué)的角度對系統(tǒng)進(jìn)行了研究。提出了不完全反應(yīng)模型的總反應(yīng)式,推導(dǎo)獲得了標(biāo)態(tài)時不完全反應(yīng)模型的計算熱效率的解析式。利用不完全反應(yīng)模型的熱效率解析式,結(jié)合平衡反應(yīng)模型,對系統(tǒng)性能進(jìn)行了研究。給定重整溫度,壓力和水碳比,即可利用該解析式計算出系統(tǒng)平衡反應(yīng)的熱效率。分析表明,耦合高溫堆的甲烷蒸汽重整制氫系統(tǒng)相對傳統(tǒng)的制氫系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)選擇比較高的水碳比,以獲得較高的熱效率。在壓力大于1MPa,水碳比大于2的研究范圍內(nèi),熱效率更實(shí)際的理論上限為68.2%。高溫堆甲烷蒸汽重整制氫系統(tǒng)中過剩水蒸汽的潛熱,副產(chǎn)物CO需要進(jìn)一步地利用和轉(zhuǎn)換,以提高熱效率。 論文進(jìn)一步對制氫系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析。基于一維擬均相模型和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)建立了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型。計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得比較好。計算分析表明HTR-10制氫系統(tǒng)的氦加熱重整器設(shè)計是合理的。利用該模型對耦合HTR-10的氦加熱重整器入口氦氣參數(shù)和入口工藝氣參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了分析與討論。 為了對系統(tǒng)進(jìn)行安全分析,進(jìn)一步建立了氦加熱重整器,蒸汽發(fā)生器和換熱器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。通過它們之間的耦合組成了系統(tǒng)回路的動態(tài)模型。計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得比較好。利用該模型研究了HTR-10制氫系統(tǒng)的原料氣斷流引起的安全事故。研究表明在氦加熱重整器下游設(shè)置蒸汽發(fā)生器能夠有效地抑制熱力擾動引起的溫度波動。 最后,提出了將膜分離技術(shù)應(yīng)用到高溫堆甲烷蒸汽重整制氫系統(tǒng)中。首先對集成膜分離技術(shù)的制氫系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析?；谇懊娼⒌暮ぜ訜嶂卣鞣€(wěn)態(tài)模型,建立了氦加熱無機(jī)膜重整器的穩(wěn)態(tài)模型。研究表明利用膜分離技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)緊湊的重整器結(jié)構(gòu),并且獲得高達(dá)95%的甲烷轉(zhuǎn)化率,而壓力損失只是略有增加。通過計算分析,在一定的設(shè)計條件或者操作參數(shù)的情況下,利用膜分離技術(shù),將使高溫堆帶給制氫系統(tǒng)的不利條件變?yōu)橛欣麠l件。 【關(guān)鍵詞】：高溫堆 制氫 甲烷蒸汽重整 氦加熱重整器 安全分析
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2006
【分類號】：TQ116.2
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第1章 課題背景11-31
• 1.1 氫與氫能11-16
• 1.2 核能制氫16-17
• 1.3 核能制氫的工藝選擇17-23
• 1.4 制氫過程對核能體系的要求[25,26]23
• 1.5 高溫堆甲烷蒸汽重整制氫23-26
• 1.6 研究現(xiàn)狀26-28
• 1.7 課題的意義和主要內(nèi)容28-29
• 1.8 課題研究難點(diǎn)與創(chuàng)新成果29-31
• 第2章 平衡反應(yīng)模型熱效率31-52
• 2.1 轉(zhuǎn)化率32-36
• 2.2 熱效率36-49
• 2.3 產(chǎn)氫量49-50
• 2.4 與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較50-51
• 2.5 小結(jié)51-52
• 第3章 制氫系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析52-74
• 3.1 氦加熱重整器的基本結(jié)構(gòu)52-56
• 3.2 制氫系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型56-60
• 3.3 數(shù)值解法60-63
• 3.4 模型驗(yàn)證63-65
• 3.5 計算結(jié)果與討論65-73
• 3.6 小結(jié)73-74
• 第4章 系統(tǒng)動態(tài)與安全分析74-94
• 4.1 系統(tǒng)安全問題74-77
• 4.2 系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型77-85
• 4.3 數(shù)值求解85-88
• 4.4 模型驗(yàn)證88-92
• 4.5 典型安全事故分析92-93
• 4.6 小結(jié)93-94
• 第5章 膜分離技術(shù)應(yīng)用到制氫系統(tǒng)中的研究94-108
• 5.1 常規(guī)重整器和氦加熱重整器的比較94-95
• 5.2 氦加熱無機(jī)膜重整器95-98
• 5.3 氦加熱無機(jī)膜重整器的熱力學(xué)分析98-99
• 5.4 氦加熱無機(jī)膜重整器的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型99-102
• 5.5 計算結(jié)果與討論102-105
• 5.6 操作參數(shù)對甲烷轉(zhuǎn)化率的影響105-107
• 5.7 小結(jié)107-108
• 第6章 全文總結(jié)及研究展望108-110
• 6.1 全文總結(jié)108-109
• 6.2 研究展望109-110
• 參考文獻(xiàn)110-114
• 致謝114-115
• 附錄 A 系統(tǒng)熱效率分析程序TEAP115-117
• 附錄 B 催化床總傳熱系數(shù)的計算117-119
• 附錄 C 物性計算119-123
• 附錄 D 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)計算程序SSAP123-126
• 附錄 E 系統(tǒng)動態(tài)與安全分析程序DSAP126-130
• 附錄 F 氦加熱無機(jī)膜重整器計算程序MREFORMER130-132
• 個人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果132-133

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