高温堆甲烷蒸汽重整制氢系统的研究

论文摘要

利用核能可以大规模、高效地制氢,同时减少甚至消除温室气体的排放,为实现未来可持续能源体系提供了有力的保证。本文采用理论分析和计算模拟的方法对高温堆甲烷蒸汽重整制氢系统进行了研究。论文首先从热力学的角度对系统进行了研究。提出了不完全反应模型的总反应式,推导获得了标态时不完全反应模型的计算热效率的解析式。利用不完全反应模型的热效率解析式,结合平衡反应模型,对系统性能进行了研究。给定重整温度,压力和水碳比,即可利用该解析式计算出系统平衡反应的热效率。分析表明,耦合高温堆的甲烷蒸汽重整制氢系统相对传统的制氢系统应当选择比较高的水碳比,以获得较高的热效率。在压力大于1MPa,水碳比大于2的研究范围内,热效率更实际的理论上限为68.2%。高温堆甲烷蒸汽重整制氢系统中过剩水蒸汽的潜热,副产物CO需要进一步地利用和转换,以提高热效率。论文进一步对制氢系统进行稳态分析。基于一维拟均相模型和化学反应动力学建立了系统的稳态数学模型。计算结果与实验结果吻合得比较好。计算分析表明HTR-10制氢系统的氦加热重整器设计是合理的。利用该模型对耦合HTR-10的氦加热重整器入口氦气参数和入口工艺气参数对系统性能的影响进行了分析与讨论。为了对系统进行安全分析,进一步建立了氦加热重整器,蒸汽发生器和换热器的动态数学模型。通过它们之间的耦合组成了系统回路的动态模型。计算结果与实验结果吻合得比较好。利用该模型研究了HTR-10制氢系统的原料气断流引起的安全事故。研究表明在氦加热重整器下游设置蒸汽发生器能够有效地抑制热力扰动引起的温度波动。最后,提出了将膜分离技术应用到高温堆甲烷蒸汽重整制氢系统中。首先对集成膜分离技术的制氢系统进行了热力学分析。基于前面建立的氦加热重整器稳态模型,建立了氦加热无机膜重整器的稳态模型。研究表明利用膜分离技术可以实现紧凑的重整器结构,并且获得高达95%的甲烷转化率,而压力损失只是略有增加。通过计算分析,在一定的设计条件或者操作参数的情况下,利用膜分离技术,将使高温堆带给制氢系统的不利条件变为有利条件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 课题背景
• 1.1 氢与氢能
• 1.2 核能制氢
• 1.3 核能制氢的工艺选择
• 1.4 制氢过程对核能体系的要求[25,26]
• 1.5 高温堆甲烷蒸汽重整制氢
• 1.6 研究现状
• 1.7 课题的意义和主要内容
• 1.8 课题研究难点与创新成果
• 第2章 平衡反应模型热效率
• 2.1 转化率
• 2.2 热效率
• 2.3 产氢量
• 2.4 与实验结果的比较
• 2.5 小结
• 第3章 制氢系统稳态分析
• 3.1 氦加热重整器的基本结构
• 3.2 制氢系统稳态数学模型
• 3.3 数值解法
• 3.4 模型验证
• 3.5 计算结果与讨论
• 3.6 小结
• 第4章 系统动态与安全分析
• 4.1 系统安全问题
• 4.2 系统动态数学模型
• 4.3 数值求解
• 4.4 模型验证
• 4.5 典型安全事故分析
• 4.6 小结
• 第5章 膜分离技术应用到制氢系统中的研究
• 5.1 常规重整器和氦加热重整器的比较
• 5.2 氦加热无机膜重整器
• 5.3 氦加热无机膜重整器的热力学分析
• 5.4 氦加热无机膜重整器的稳态数学模型
• 5.5 计算结果与讨论
• 5.6 操作参数对甲烷转化率的影响
• 5.7 小结
• 第6章 全文总结及研究展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 系统热效率分析程序TEAP
• 附录 B 催化床总传热系数的计算
• 附录 C 物性计算
• 附录 D 系统稳态计算程序SSAP
• 附录 E 系统动态与安全分析程序DSAP
• 附录 F 氦加热无机膜重整器计算程序MREFORMER
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果