天然氣重整器內部傳遞過程的數值模擬

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1、維普資訊http://www.cqvip.com弟28巷弟3別大然氣工業(yè)天然氣重整器內部傳遞過程的數值模擬*楊國剛岳丹婷袁金良。(1．大連海事大學輪機學院2．瑞典蘭德大學熱能工程系)楊國剛等．天然氣重整器內部傳遞過程的數值模擬．天然氣工業(yè)，2008，28(3)：121—123．摘要天然氣通過重整反應可以生成氫氣，成為燃料電池氫原料的重要來源。目前緊湊型天然氣重整器的開發(fā)設計，主要集中在材料方面的研究，而內部機理方面的研究較少。對天然氣重整器內部流動與傳熱現(xiàn)象進行了模擬與分析。分析中考慮了化學反應的影響，采用了耦合的邊界條件以及可變的熱物性參數

2、，建立了描述流通管道和多孔催化劑層內部流動與傳熱現(xiàn)象的三維數學模型。采用SIMPLE算法對模型進行求解，得到了化學反應速率、混合氣濃度以及溫度等的空間分布。結果表明，化學反應限制在厚度約為1mm的催化劑薄層內進行，沿主流動方向，CH濃度由19．5降到7左右，H濃度由4．1上升到13左右，混合氣溫度上升約1O℃。研究結果對天然氣重整器的開發(fā)、結構設計具有參考意義。主題詞燃料電池天然氣重整器傳熱傳質數值模擬天然氣(甲烷占97以上)通過重整反應生成的氫氣，可成為燃料電池氫原料的重要來源。近年出現(xiàn)的緊湊型天然氣重整器由燃燒與重整兩個平行管道組成，具有

3、熱傳導的距離以及氣體擴散路徑短的優(yōu)點，降低了重整器中的傳熱、傳質阻力。因此，該重整器不僅能量利用率較高，也使得體積大大縮小l_1]。目前緊湊型天然氣重整器的內部機理方面的研究較少口]。筆者將對單個重整管道的不同傳遞過程進行三維模擬，不涉及燃燒管道，燃燒管道對嘲是供的鞋瞳(q)重整管道的影響將采用熱邊界條件來描述(相鄰燃圖1緊湊型重整器結構示意圖燒管道固壁有熱量流入，其他為絕熱條件)。一式中：△。。。表示反應溫度為1000K時的反應熱，、過程描述與數學模型方程(1)稱為水蒸氣重整反應，為吸熱反應；方程(2)重整器結構見圖1。取一半寬度管道進行研

4、究，稱為水一氣變換反應，為放熱反應?？偡磻鼰?，熱坐標原點設定在復合管道的左下角處，坐標、量由燃燒管道內的催化燃燒反應提供。、分別表示管道的長、高、寬，U、、w分別為對應3個控制方程包括連續(xù)方程、動量方程、能量方程等。方向的速度分量。連續(xù)方程：V(peff)一0(3)重整的化學過程用2個獨立的平衡式來表示：動量方程：(p“w)一一VP+V(／zffV)+Sd．CH4+H2O—CO+3H2(Ah1。。。K一226kJ／mo1)(4)(1)式中：為有效密度，V為混合物的體積平均速度張Co+H2O——CO2+H2(Ah1oo0K一一35kJ／mo1

5、)量；P為壓強；源項Sd．的計算公式l5為：(2)Sdi一(ffV／／~eff)一peffBVlVl(5)*本文受到國家自然科學基金資助項目(編號：50706004)、遼寧省2007年博士啟動基金的資助。作者簡介：楊國剛，1972年生，副教授，工學博士；畢業(yè)于大連理工大學，主要從事氣體流動與傳熱現(xiàn)象的數值模擬研究；發(fā)表文章1O余篇。地址：(116026)遼寧省大連市凌海路2號。電話：(0411)81702713，13050561150。E-mail：yanggg168@SO—hu．com維普資訊http://www.cqvip.com天然氣工

6、業(yè)2008年3月式中：、floB分別為有效黏度、多孔層的有效滲表1重整反應器管道尺寸表cm透率、公式常數。能量方程表示為：(pfffffvT)一(keffT)+ST(6)ST—RAh+RAh(7)式中：S為與重整反應有關的熱源項；R為水蒸氣重整反應與變換反應的摩爾速率；Ah為反應焓。三、結果與討論組分守恒方程采用以下的統(tǒng)一形式：圖2為管道中心處CH質量濃度沿主流動方(I。。ff)一(I?！癉“)+S≠(8)向與管道高度方向的分布。Y軸單位為相對高度這里，為燃料氣體的質量分數。(即實際高度Y與復合管道總高h的比值)?？梢钥催吔鐥l件為：出，CH濃

7、度沿著主流動與高度兩個方向逐漸降低。(1)在同壁底部(一0)處沿主流動方向，CH質量濃度由人口處的0．195，降U—V—W一0，kf—01一q，J一0至出口處的0．056～0．084；沿高度方向，在人口很短Y的一段距離(約1ram)，反應可以發(fā)生在催化劑層很(為CH、H2、CO、H2O、C()2)深的區(qū)域；而在催化劑層的其他區(qū)域，反應主要集中(2)在固壁頂部與側面處在靠近燃料管道的薄層內(約1ram)進行。U——W一0，q一0，l／一01O(3)在平板中心位置(一0)處8U一一一w一一一0azazazaz采用控制容積積分法對數學模型進行離散，

8、對流項采用二次迎風插值格式，擴散項采用中心差分格式。采用SIMPIE算法解決速度與壓力耦合問題。oo10．2二、算例研究xfm、圖2CH的質量濃度沿主流動方向分布圖