管式反应器中内热源加热的甲醇水蒸气重整制氢特性

张家盛，王  锋，彭隆肇，丁佳渝，王国强

摘 要：为了强化甲醇水蒸气重整（MSR）制氢过程，研制一种电磁感应内热源加热的微型反应器。对电磁感应加热的线热源升温特性进行研究，并采用双速率动力学模型数值考察反应物进口温度、速度、水醇比和内热源功率对MSR制氢过程的影响。实验结果表明：电磁感应加热升温速率快，可为吸热的MSR提供足够强的线内热源；计算结果显示在反应物进口速度为 0.1m/s、进口温度为 450K，加热功率为 5000kW/m³和水醇物质的量之比为 1.33的反应条件下，反应器出口转化率达96.47%。电磁感应加热作为内热源的MSR微反应器能在较高的反应物流量下保持较大的出口氢气含量及甲醇转化率。

关键词：水蒸气重整；制氢；感应加热；内热源；管式反应器 

      氢气是一种极具前景的能源载体，由于其无污染、可再生、能量密度高等特点而被视为理想的清洁能源之一。目前氢气大多由化石能源热化学转化而来，甲醇水蒸气重整（MSR）是其中一种重要的制氢方式，而利用太阳能为 MSR供热制氢被认为是一种非常有前景的方法。但 MSR 是强吸热过程，反应速度快且吸热大，针对该反应过程优化研究主要有以下3个方面：一是优化聚光板结构，如通过改变管式反应器槽型太阳能聚光板的结构来调整反应中冷点的分布；二是使用新型催化剂材料，研究铜基催化剂的表征及其活性、催化剂掺杂等来强化催化反应过程；三是优化反应器，减小反应通道尺寸，缩短热质传输距离从而强化传热传质。

     常规外部加热的固定床反应器受传热限制而影响反应器性能发挥。为了强化传热，本文设计基于电磁感应内热源加热的甲醇重整制氢管式反应器。该反应器可利用电磁感应效应将太阳能光伏发电用于甲醇水蒸气重整反应吸热，改善反应器温度分布。因此，首先通过实验研究电磁加热的特性，采用内热源模拟电磁感应加热，分析在一定加热条件下反应器进口参数（如温度、速度、水醇比和加热功率）对性能的影响，同时讨论反应通道中温度分布和压降等。

1  电磁感应内热源升温特性实验

1.1   电磁感应加热反应器设计

      电磁感应加热的甲醇水蒸气重整制氢反应器及实验系统如图1所示。在管式反应器外壁面缠绕电磁线圈，反应器内填充铜基催化剂颗粒，中心沿轴向（x 方向）布置铁丝作为内热源。铁丝直径为2mm，长度与反应器中催化段长度相同。采用空气泵在反应器中通入空气并沿轴向测温观察反应器内部轴向温度的升温特性。

1.2   电磁感应加热温度分布及计算结果对比

     电磁感应加热主板输入电压U=220V，线圈电流I =10.23A，交流频率f= 15kHz，线圈缠绕半径r=7.5mm，缠绕间距n =7.5mm/圈，线圈外部包裹石棉防止热量散失，空气入口处293K，出口空气流量Q =1.3L/min。加热升温曲线如图2所示。

      实验表明，电磁加热温升和响应快有利于反应器温度调控，加热稳定后的反应器轴向空气平均温度如图3所示，可见管内温度沿轴向不断升高。进一步建立反应器物理模型，根据实验结果，为了达到较好的拟合效果不断调试参数，最终设置金属丝内热源加热功率为20000kW/m³，通入空气参数与实验相同，初始温度293K，入口速度0.1m/s，得到图3结果。可看出，反应器轴向空气平均温度与实验中结果趋势吻合。线圈均匀缠绕下电磁加热的内热源功率可用恒热流密度内热源模拟，在后文分析中，采用内热源来代替电磁感应加热用于MSR 制氢特性的研究。

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