车用甲醇重整制氢反应器设计及催化换热性能的研究

田野，叶晓明

（华中科技大学中欧清洁与可再生能源学院，湖北 武汉 430074）

随着当今汽车需求量的增长，传统汽车燃料因其能源稀缺、尾气排放污染严重等缺点，面临极大的挑战。氢气热值高，燃烧清洁无污染，是十分优质的燃料，然而它贮存、运输困难，具有一定的安全隐患，不能直接作为车用燃料。使用甲醇作为初始燃料，利用发动机尾气余热来催化甲醇重整制氢，在线产生氢气，可以有效解决这一难题。甲醇重整气发动机主要通过回收发动机废热，并选择适当的催化剂使甲醇水蒸气发生重整反应产生H2，并将产物通入缸内参与燃烧做功。甲醇分别经过吸热、蒸发、化学反应及燃烧做功四个阶段，这样就构成了一个甲醇重整、混合燃烧和余热回收再利用的动力系统循环。与甲醇直接作为发动机燃料相比，它克服了甲醇对发动机零件的腐蚀问题，延长了发动机使用寿命；有效回收利用了发动机尾气余热，变相提升了燃料热值，提高了发动机的热效率；反应产物中的H2有助于燃烧速度的加快，促进混合气的形成，降低了发动机排放。

1 流动传热与化学反应理论基础

（1）几何建模与网格划分。根据发动机燃料需求及排气状况，计算甲醇重整反应所需热量，估算反应器的换热系数及换热面积，确定了反应器的结构，设计了直管式与螺旋管式两种不同结构形式的反应器。根据与反应器实体模型1：1的比例建立了反应器的计算模型（如图1）。

两种反应器壳体直径为140mm，壳体长度为400mm，换热管管径为20mm。利用Ansys16.0的ICEM工具进行计算网格划分，采用以四面体为主的混合网格，同时，对反应器的入口、出口与反应壁面位置处的网格加密处理，保证模拟的精度。

图1 反应器模型结构图

（2）化学反应动力学模型。甲醇水蒸气重整反应表达式为：

以亓爱笃、洪学伦等人的实验测得的动力学模型为背景（测定条件为：Cu/ZnO/Al2O3催化剂粒径 0.5～0.8mm，甲醇空 速 4000～20000h-1，反应 温 度573～623K），甲醇重整反应速率表达式为：

式中，反应速率单位为mol/h/gcat，反应指前因子为2.12×108，阿伦尼乌斯活化能为108000，R为摩尔气体常量，T为热力学温度，pCH3OH、pH2O、pH2分别为混合气体中CH3OH、H2O、H2的分压。

Ansys Fluent16.0可以借助用户自定义函数UDF来编译表达化学反应。根据动力学表达式，通过编译反应物与生成物的源项方程来实现模拟。将写好的UDF导入到Fluent软件中进行编译，并在Fluid面板Source Terms选项中，选择激活相应的UDF。

（3）进出口边界条件。为了便于模拟，本文作了如下几条假设：①反应器各组分为刚性连接，壳体与换热管之间连接稳定，忽略其振动及变形；②流体为不可压缩的牛顿流体，支持理想气体方程；③不考虑重力的影响，不考虑粘性加热、热辐射和动能变化；④化学反应的体积力对流场影响足够小，可以忽略不计。

激活能量方程，设定流体湍流模型为standard k～ε model，并对近壁面区域采用标准壁面函数进行设置。入口边界条件：将管程流体、壳程流体的进口边界分别设为质量入口和速度入口。甲醇水蒸气摩尔比1:1，进口流量为2kg/h，温度设为373.15K。高温废气入口速度设为10m/s，温度设为773.15K。出口边界条件：采用压力出口进行设定。换热管内外壁面：甲醇反应器换热管内外壁面直接采用流固耦合的方式进行处理。壳体壁面：考虑到反应器外壳有绝热材料包裹，所以模拟不考虑壳体的对外传热，因此采用绝热边界。

2 数值计算结果与分析（图2、图3）

图2 直管式反应器H2摩尔分数分布云图

图3 螺旋管式反应器H2摩尔分数分布云图

由模拟结果可知，在甲醇重整反应器内，低温甲醇蒸汽在进入螺旋管后通过管壁换热迅速升温，达到反应温度开始发生反应。反应初始阶段，反应温度对反应速率起主导地位。由于流体的升温，甲醇蒸汽快速地发生反应，产出氢气。而在反应的后半段，生成物的浓度影响着反应的进行，伴随着甲醇、水蒸气的消耗，氢气、二氧化碳的产出，使生成物的浓度以及对应的分压比逐渐增大，反应平衡向反应物方向移动，反应逐渐趋于稳定，此时反应物各组分摩尔分数达到一个稳定值。通过对模拟结果比较分析可知，虽然直管式换热管与螺旋管流体实际换热面积相同，但是螺旋管式反应器甲醇转化率更高，氢气生成量更大，螺旋管式反应器催化换热性能要全面优于直管式反应器。

3 不同边界条件下模拟结果分析

图4 不同水醇比下氢气产出摩尔分数图

甲醇水蒸汽混合物中，入口甲醇的质量不变，改变甲醇蒸汽与水蒸气的浓度配比，水醇比（摩尔比）分别取 0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.5、2.0，通过监测生成氢气的质量分数来分析水醇比对甲醇制氢反应的影响。模拟结果如图4所示，由图可知，当水醇比为0.8，即水与甲醇摩尔浓度配比为4:5时，生成氢气质量最高，甲醇转化率最大。

改变甲醇蒸汽入口流量分别为 2，2.5，3，3.5，4和5kg/h，保持其他条件不变，对反应器的催化换热性能进行模拟。模拟表明，增大甲醇冷流体入口流量，甲醇的转化率会下降，但是由于流量增大，单位时间内流经反应器的甲醇量增大，致使总氢气产出有所提升，当入口流量在4kg/h以上时，氢气的总产出开始下降。结果说明，增大甲醇冷流体入口流量，一定程度内会增大氢气的产出，但是甲醇的利用率会下降，能源利用率会降低。热流体的流速分别选取为8，10，12，14和16m/s，保持甲醇蒸汽入口流量不变，进行模拟。结果显示，热流体流速增加，单位时间内通过管壁交换的热量增大，同时壁面附近热流体湍流强度增大，提高了壁面间的接触换热效果。结果表明，在其它条件不变的情况下，换热流体流速变化对反应器的整体传热性能有很大影响，流速的增加有利于强化传热。

4 结语

本文基于醇氢动力系统，设计了直管式与螺旋管式两种甲醇反应器，利用FLUENT软件进行数值模拟，对反应器催化换热性能进行研究。对模拟结果中反应器内各组分浓度分布进行了分析，比较了螺旋管与直管反应器换热性能的差异。同时通过改变边界条件，分别探讨了水醇比、冷流流量、热流流速对反应器催化换热性能、甲醇转化率及氢气产出量的影响，结果表明，控制水醇比在0.7～0.9，增大热流流速，适当提高冷流流量，可以提高催化换热效果，增加氢气的产出量。