车载醇水液制取富氢气体燃料可行性研究

孙 腾，缪文俊

（1.钦州学院，广西钦州535011：2.重庆长安汽车股份有限公司，重庆400023）

车载醇水液制取富氢气体燃料可行性研究

孙 腾1，缪文俊2

（1.钦州学院，广西钦州535011：2.重庆长安汽车股份有限公司，重庆400023）

在较低温度下，采取以CeO2为载体，搭载N i-Cu活性组分为醇水液裂解反应的催化剂，以提高其制取富氢气体的转换率和生成气体中氢气的选择率。同时，对醇水液裂解的化学反应热力学和能耗进行了可行性计算。最终通过实验，验证了方案的可行性。

气体燃料；醇水液；富氢气体；可行性计算

人类社会每一次生产力的进步，都离不开能源结构上质的变化[1-4]。随着我国经济的高速发展，汽车占有率逐年攀升，预计到2020年，我国石油需求总量会大幅增加到5亿吨[5]。而石化能源的高排放与高污染所带来的危机，促使人们发展新能源缓解。乙醇裂解制取富氢气体是一种可持续、燃烧值高的绿色能源。因此，氢气作为最具前景的新型清洁能源，世界各大汽车制造商已经开展了对氢气的研究与开发[6-9]。日本丰田汽车公司设计出一款新型以氢气为燃料的新能源汽车[10]。我国在氢燃料电池汽车上的研发也付出了很多的努力，北京航空航天大学汽车工程系对天然气/氢气混合燃料发动机进行了研究，对回收排气管废气进行了分析[11]。昆明新能源公司研发了氢发生器，利用发动机的尾气余热催化分解醇水液体以制取富氢气体[12]。

本文在较低温度，选取CeO2为载体，搭载Ni-Cu为活性组分为催化剂的情况下，对浙江某能源公司的车载醇水液制取富氢气体的化学反应热力学和能耗的可行性进行了计算以佐证该车载醇水液制取富氢气体的可行性。

1 车载醇水液裂解的化学反应及其可行性计算

1.1 化学反应热计算

本文以醇水液裂解反应在压力为101.3 kPa，反应温度为523~823 K的条件下进行，其主反应为：

其计算部分主要包含：反应自由能△GT，起始反应温度T0时的平衡常数K、焓变△H（J·mol-1）、熵S以及吉布斯自由能变△GT（J·mol-1），其中△GT=△H-T△S计算获得。其反应在不同温度下的各参数计算数值以及平衡常数K值见表1.

反应焓变：

由于假设裂解反应前后温度不变，简化范特霍夫方程[i]，可获得式2-8计算平衡常数：

其中气体常数R=8.314J·mol-1·K-1.

表1 主反应相关常数计算值

由表1可知，醇水液裂解制氢过程中焓变△H＞0，热能Q＜0，吉布斯自由能△G＜0，说明温度在523~823 K范围内，醇水液裂解主反应可自发进行。平衡常数K值随温度的升高而增大，反应的醇氢选择率和转化率都有所提高，即升高温度有利于裂解反应向正向进行。

1.2 醇水液裂解制氢反应能耗的可行性计算

（1）当氢气占气体燃料的30%时，醇水液消耗量为：

醇水液裂解的主反应为：

C2H5OH+H2O→2H2+CO2+CH4，其中乙醇消耗摩尔数n乙醇＝1/2nC、n水＝其中

基于理想气体状态方程：

可得喷入的氢气量：

由醇水液氢化得到的富氢气体主要为H2、CO2、CH4，可计算含碳气体摩尔数：

（2）蒸发过程中的吸热量

在标准状态下，取醇水体积比为2誜1的单位质量的醇水混合液，计算其乙醇的质量分数为ζ=61.27%，其热平衡关系有：

在沸点状态下，醇水液由液态转换成气态所吸收的热量为Q蒸发：Q过热表示气态乙醇与水蒸气由沸点升温到进入反应阶段过程吸收的热量：

（3）m醇水液的醇水混合液发生了裂解反应时水的质量为：

（4）烟气的能量损失

通过反应器后，尾气所携带的能量分为三个部分：醇水液裂解反应释放出能量、通过排气管道输送到大气中、在通过反应器外壁时耗散到空气中。烟气通过反应器过程中，其能量损失表达式为：

式中，M2为反应器内烟气质量；CP烟气为烟气平均定压比热容；Tr为发动机排出气体温度；T排为反应器末端排出气体温度。

当△Q烟气＞△Q蒸+△Q反应时，反应可以顺利进行。

2 结束语

本文研究了在低温情况下，对醇水液裂解制氢反应的化学反应热力学和能耗进行了计算，验证了方案的可行性。最后，与浙江某能源公司合作并进行富氢气体燃料实验，取得了良好的效果。

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Feasibility Study on The Hydrogen Rich Gas Converted From AlcoholWater Liquid

SUN Teng1，MIUWen-jun2
（1.Qinzhou University，Qinzhou Guangxi535011，China；2.Changan Chongqing Automobile Limited by Share Ltd.，Chongqing 400023，China）

In order to improve the alcohol water cracking conversion rate and selection of hydrogen in gas production rate under the low temperture，CeO2and Ni-Cu are adopted for catalyst.At the same time，the feasibility of thermodynamics and energy consumption are calculated for the alcohol water liquid chemical reaction.It shows the method is feasible which is tested in experiment.

gaseous fuel；alcoholwater liquid；hydrogen-rich gas；feasibility study

TM 911.42

A

1672-545X（2017）04-0171-03

广西高校中青年教师基础能力提升项目（编号：KY2016LX435）；钦州学院教改项目（编号2016QYJGB39）

孙腾（1988-），男，广西钦州人，助教，研究方向为机械CAD/CAM/CAE.