車用甲醇重整制氫反應器設計及催化換熱性能的研究

田野，葉曉明

（華中科技大學中歐清潔與可再生能源學院，湖北 武漢 430074）

隨著當今汽車需求量的增長，傳統汽車燃料因其能源稀缺、尾氣排放污染嚴重等缺點，面臨極大的挑戰。氫氣熱值高，燃燒清潔無污染，是十分優質的燃料，然而它貯存、運輸困難，具有一定的安全隱患，不能直接作為車用燃料。使用甲醇作為初始燃料，利用發動機尾氣余熱來催化甲醇重整制氫，在線產生氫氣，可以有效解決這一難題。甲醇重整氣發動機主要通過回收發動機廢熱，并選擇適當的催化劑使甲醇水蒸氣發生重整反應產生H2，并將產物通入缸內參與燃燒做功。甲醇分別經過吸熱、蒸發、化學反應及燃燒做功四個階段，這樣就構成了一個甲醇重整、混合燃燒和余熱回收再利用的動力系統循環。與甲醇直接作為發動機燃料相比，它克服了甲醇對發動機零件的腐蝕問題，延長了發動機使用壽命；有效回收利用了發動機尾氣余熱，變相提升了燃料熱值，提高了發動機的熱效率；反應產物中的H2有助于燃燒速度的加快，促進混合氣的形成，降低了發動機排放。

1 流動傳熱與化學反應理論基礎

（1）幾何建模與網格劃分。根據發動機燃料需求及排氣狀況，計算甲醇重整反應所需熱量，估算反應器的換熱系數及換熱面積，確定了反應器的結構，設計了直管式與螺旋管式兩種不同結構形式的反應器。根據與反應器實體模型1：1的比例建立了反應器的計算模型（如圖1）。

兩種反應器殼體直徑為140mm，殼體長度為400mm，換熱管管徑為20mm。利用Ansys16.0的ICEM工具進行計算網格劃分，采用以四面體為主的混合網格，同時，對反應器的入口、出口與反應壁面位置處的網格加密處理，保證模擬的精度。

圖1 反應器模型結構圖

（2）化學反應動力學模型。甲醇水蒸氣重整反應表達式為：

以亓愛篤、洪學倫等人的實驗測得的動力學模型為背景（測定條件為：Cu/ZnO/Al2O3催化劑粒徑 0.5～0.8mm，甲醇空 速 4000～20000h-1，反應 溫 度573～623K），甲醇重整反應速率表達式為：

式中，反應速率單位為mol/h/gcat，反應指前因子為2.12×108，阿倫尼烏斯活化能為108000，R為摩爾氣體常量，T為熱力學溫度，pCH3OH、pH2O、pH2分別為混合氣體中CH3OH、H2O、H2的分壓。

Ansys Fluent16.0可以借助用戶自定義函數UDF來編譯表達化學反應。根據動力學表達式，通過編譯反應物與生成物的源項方程來實現模擬。將寫好的UDF導入到Fluent軟件中進行編譯，并在Fluid面板Source Terms選項中，選擇激活相應的UDF。

（3）進出口邊界條件。為了便于模擬，本文作了如下幾條假設：①反應器各組分為剛性連接，殼體與換熱管之間連接穩定，忽略其振動及變形；②流體為不可壓縮的牛頓流體，支持理想氣體方程；③不考慮重力的影響，不考慮粘性加熱、熱輻射和動能變化；④化學反應的體積力對流場影響足夠小，可以忽略不計。

激活能量方程，設定流體湍流模型為standard k～ε model，并對近壁面區域采用標準壁面函數進行設置。入口邊界條件：將管程流體、殼程流體的進口邊界分別設為質量入口和速度入口。甲醇水蒸氣摩爾比1:1，進口流量為2kg/h，溫度設為373.15K。高溫廢氣入口速度設為10m/s，溫度設為773.15K。出口邊界條件：采用壓力出口進行設定。換熱管內外壁面：甲醇反應器換熱管內外壁面直接采用流固耦合的方式進行處理。殼體壁面：考慮到反應器外殼有絕熱材料包裹，所以模擬不考慮殼體的對外傳熱，因此采用絕熱邊界。

2 數值計算結果與分析（圖2、圖3）

圖2 直管式反應器H2摩爾分數分布云圖

圖3 螺旋管式反應器H2摩爾分數分布云圖

由模擬結果可知，在甲醇重整反應器內，低溫甲醇蒸汽在進入螺旋管后通過管壁換熱迅速升溫，達到反應溫度開始發生反應。反應初始階段，反應溫度對反應速率起主導地位。由于流體的升溫，甲醇蒸汽快速地發生反應，產出氫氣。而在反應的后半段，生成物的濃度影響著反應的進行，伴隨著甲醇、水蒸氣的消耗，氫氣、二氧化碳的產出，使生成物的濃度以及對應的分壓比逐漸增大，反應平衡向反應物方向移動，反應逐漸趨于穩定，此時反應物各組分摩爾分數達到一個穩定值。通過對模擬結果比較分析可知，雖然直管式換熱管與螺旋管流體實際換熱面積相同，但是螺旋管式反應器甲醇轉化率更高，氫氣生成量更大，螺旋管式反應器催化換熱性能要全面優于直管式反應器。

3 不同邊界條件下模擬結果分析

圖4 不同水醇比下氫氣產出摩爾分數圖

甲醇水蒸汽混合物中，入口甲醇的質量不變，改變甲醇蒸汽與水蒸氣的濃度配比，水醇比（摩爾比）分別取 0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.5、2.0，通過監測生成氫氣的質量分數來分析水醇比對甲醇制氫反應的影響。模擬結果如圖4所示，由圖可知，當水醇比為0.8，即水與甲醇摩爾濃度配比為4:5時，生成氫氣質量最高，甲醇轉化率最大。

改變甲醇蒸汽入口流量分別為 2，2.5，3，3.5，4和5kg/h，保持其他條件不變，對反應器的催化換熱性能進行模擬。模擬表明，增大甲醇冷流體入口流量，甲醇的轉化率會下降，但是由于流量增大，單位時間內流經反應器的甲醇量增大，致使總氫氣產出有所提升，當入口流量在4kg/h以上時，氫氣的總產出開始下降。結果說明，增大甲醇冷流體入口流量，一定程度內會增大氫氣的產出，但是甲醇的利用率會下降，能源利用率會降低。熱流體的流速分別選取為8，10，12，14和16m/s，保持甲醇蒸汽入口流量不變，進行模擬。結果顯示，熱流體流速增加，單位時間內通過管壁交換的熱量增大，同時壁面附近熱流體湍流強度增大，提高了壁面間的接觸換熱效果。結果表明，在其它條件不變的情況下，換熱流體流速變化對反應器的整體傳熱性能有很大影響，流速的增加有利于強化傳熱。

4 結語

本文基于醇氫動力系統，設計了直管式與螺旋管式兩種甲醇反應器，利用FLUENT軟件進行數值模擬，對反應器催化換熱性能進行研究。對模擬結果中反應器內各組分濃度分布進行了分析，比較了螺旋管與直管反應器換熱性能的差異。同時通過改變邊界條件，分別探討了水醇比、冷流流量、熱流流速對反應器催化換熱性能、甲醇轉化率及氫氣產出量的影響，結果表明，控制水醇比在0.7～0.9，增大熱流流速，適當提高冷流流量，可以提高催化換熱效果，增加氫氣的產出量。