甲烷在内置多孔介质卷式反应器内富燃制氢的数值研究

【摘要】： 能源是人类社会生存、经济发展以及提高人民生活水平的物质基础,是关系到国民经济命脉和国防安全的重要物质保障。我国能源消费结构仍属以煤炭为主的低质型能源消费结构,给我国带来严重的环境污染和能源危机问题,必须发展清洁能源,我国可利用的天然气资源量正在不断增加,天然气制氢将成为未来氢燃料的重要来源之一,多孔介质内的甲烷超绝热燃烧制氢属于甲烷自热重整制氢技术范畴,但由与传统的甲烷自热重整制氢技术有很大的不同,是一种新型的制氢方法国。国外学者对多孔介质内的超绝热燃烧开展了大量实验和理论研究工作,国内的研究者在双层、往复式及渐变型多孔介质燃烧器内的预混燃烧方面也开展了一定的实验和模拟研究,并取得了卓有成效的进展。 为了解甲烷在内置多孔介质卷式反应器内超绝热富燃制氢特性,采用计算流体力学与详细的化学反应机理GRI1.2相结合的方法,对甲烷在该反应器的富燃制氢过程进行了数值模拟,研究当量比和预混气体流速对燃烧区峰值温度、合成气组分和甲烷转化效率的影响,并和试验值进行对比。结果表明,多孔介质内CH4的燃烧温度远超过其绝热燃烧温度,实现了超绝热条件下富燃制氢;在本文研究范围内,甲烷-氢气的转化效率随当量比和气体流速的增大而增大,数值模拟结果与试验值基本吻合。 【关键词】：多孔介质 制氢 超绝热燃烧 甲烷转化率
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TQ116.25
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-13
• 1.1 研究背景及意义8-10
• 1.1.1 我国能源安全问题与环境危机8-9
• 1.1.2 天然气制氢的研究意义9-10
• 1.2 内置多孔介质卷式反应器富燃制氢问题的提出10-12
• 1.3 本文研究内容及研究方法12-13
• 第二章 甲烷在多孔介质内燃烧制取氢气的研究现状13-27
• 2.1 多孔介质内预混燃烧的研究13-20
• 2.1.1 多孔介质概述13-14
• 2.1.2 用于燃烧领域的多孔介质14-15
• 2.1.3 气体在多孔介质中的燃烧15-20
• 2.2 甲烷在多孔介质内超绝热燃烧的实验研究20-22
• 2.3 甲烷在多孔介质内超绝热燃烧的数值模拟研究22-27
• 2.3.1 多孔介质物性参数的研究23-24
• 2.3.2 辐射模型及其参数的研究24-25
• 2.3.3 化学反应模型的研究25-27
• 第三章 甲烷在内置多孔介质卷式反应器内燃烧的数值模型27-46
• 3.1 实验概述27-28
• 3.2 数值模型的建立28-33
• 3.2.1 多孔介质内的反应流模型28-30
• 3.2.2 体积平均方法30-33
• 3.3 多孔介质内燃烧过程的辐射模型33-35
• 3.4 甲烷制氢的化学反应模型及动力学模拟35-41
• 3.4.1 化学反应模型35-36
• 3.4.2 甲烷制氢的化学动力学模拟36-41
• 3.5 材料物性参数的选取41-44
• 3.5.1 气体的热物性参数与传输参数41-42
• 3.5.2 多孔介质的结构参数和材料物性参数42-44
• 3.6 网格划分及边界条件44
• 3.7 本章小结44-46
• 第四章 甲烷超绝热燃烧制取氢气的数值模拟研究46-57
• 4.1 甲烷富燃制氢的数值模拟方法46
• 4.2 无化学反应的反应器流动流场分析46-49
• 4.3 二维双温度模型及模拟结果分析49-51
• 4.3.1 双温度数学模型49-50
• 4.3.2 边界条件与求解策略50-51
• 4.3.3 双温度模型计算结果与讨论51
• 4.4 二维单温度模型及模拟结果分析51-56
• 4.4.1 单温度数学模型51-52
• 4.4.2 模拟结果分析与试验对比讨论52-56
• 4.5 模拟计算结果小结56-57
• 第五章 结论与展望57-59
• 5.1 全文主要工作及总结57
• 5.2 研究展望57-59
• 参考文献59-63
• 致谢63-64
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果64-65

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