“研究生论坛”金属氢化物反应器的传热性能与反应特性分析

建立了内置螺旋换热管的金属氢化物反应器的三维数学模型,其特点是耦合了螺旋管内载热流体温度变化对反应过程的影响。根据所建模型并采用多物理场软件对反应器传热及反应过程进行数值模拟,分析了不同操作参数下反应器的传热性能与吸氢反应特性。结果表明：吸氢反应过程可划分为三个阶段,第一阶段主要受氢气压力影响,第三阶段主要受传热过程控制,其间为过渡段;氢气压力的减小能降低反应速率和床层平均温度,当其低至0.6MPa时,反应速率显著降低;载热流体温度的升高使传热温差减小,从而导致反应速率降低,当其高至323K时,反应已不能彻底进行;床层中,靠近螺旋管壁处温度较低,反应更为充分,但远离管壁的区域换热性能较差,反应较缓慢,由此指出了换热结构的改进方向。     

金属氢化物反应器的传热性能与反应特性分析

建立内置螺旋换热管的金属氢化物反应器的3维数学模型,其特点是耦合了螺旋管内载热流体温度变化对反应过程的影响。根据所建模型并采用多物理场软件对反应器传热及反应过程进行数值模拟,分析了不同操作参数下反应器的传热性能与吸氢反应特性。结果表明:吸氢反应过程可划分为3个阶段,第1阶段主要受氢气压力影响,第3阶段主要受传热过程控制,其间为过渡段;氢气压力的减小能降低反应速率和床层平均温度,当其低至0.6 MPa时,反应速率显著降低;载热流体温度的升高使传热温差减小,从而导致反应速率降低,当其高至323 K时,反应已不能彻底进行;床层中,靠近螺旋管壁处温度较低,反应更为充分,但远离管壁的区域换热性能较差,反应较缓慢,由此指出了换热结构的改进方向。     

内置双螺旋结构换热管金属氢化物反应器的传热性能

针对金属氢化物反应器传热性能较差的问题，提出了更紧凑高效的双螺旋结构换热管。建立了内置螺旋管的金属氢化物反应器的三维数学模型，研究了换热流体入口平均流速对反应器传热性能的影响，确定了模拟中入口平均流速的范围，对比分析了单、双螺旋结构对反应器性能的影响。结果表明：在换热流体入口平均流速大于0.5m/s以后，能达到较好的换热效果，换热流体的平均真实温升趋于稳定。减小螺旋导程可以明显提高换热流体的平均真实温升和反应器的传热性能。对于导程为60mm的单、双螺旋结构管，床层平均温度降至300K所用时间从7000s缩短到3000s。导程为30mm的双螺旋结构管的单位重量输出?功率比导程为15mm的单螺旋结构管更高，可见内置双螺旋结构管反应器的传热性能优于内置单螺旋结构管反应器。双螺旋结构管具有更大的换热面积，在反应器床层内的位置分布更加均匀，从而提高了反应器的传热性能。     

基于金属氢化物的单级氢压缩机的性能模拟

基于金属氢化物的氢压缩机是金属氢化物最有前途的应用之一。它具有从低温位热源中回收动力、对环境友好、安全可靠等优点。以LaNi5合金为氢压缩机的工质,建立了考虑壁面对流换热系数、合金导热系数、热源温度等因素的能量分析模型,应用有限容积法对描述反应床与储氢罐间的动态平衡过程进行了离散求解,综合分析了其操作工况的改变,对单级氢压缩机性能的影响,并提出了系统的优化措施。给定氢压缩机的压力比,氢压缩机存在最低热源温度;效率随热源温度的增加先增后减,冷源温度大约控制在285 K;给定冷、热源温度,合金导热系数与对流换热系数值亦存在最合适值;在给定工况及反应床尺寸下,储氢罐容积对压缩机性能有较大的影响。     

金属氢化物的吸附性能和活性炭贮氢的可行性

目前迫切需要解决氢能在输送和存储上的困难。碳材料吸附和金属氢化物吸附储氢都是经济可行的储氢手段。通过所建立的同心圆柱体物理模型,可以计算金属氢化物脱附和吸附反应锋面的瞬时位置,以及反应的热流量和氢气流量。模拟结果证明,氢气流量和热流量对时间的变化与压力有关,也与热源温度有关;表明合金材料的成分和性能对金属氢化物吸附特性有明显的影响。适当地选择村料并加以性能调整,可以提高其性能和效应。从燃料存储系统的重量及其特性看,碳材料吸附储氢比金属氢化物更适合车用。活性炭吸附技术,能够达到吸放氢条件温和、储氢容量大和成本低这三个基本要求。     

新型高容量储氢材料的研究进展

新型、高效、洁净的氢能是人类社会可持续发展的绿色能源。而氢气的储存一直是世界难题。储氢材料的研究是氢能源开发的重要课题,也是新材料研究的热点。综述了近几年金属-N-H、氨硼烷、金属-氨硼烷等储氢体系的研究成果,期望尽早开发出储氢量大、吸放氢可逆、成本低、操作条件可控、生命周期长、符合车载要求的储氢材料。     

Zr掺杂TiFe电子结构和储氢性能研究

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理,计算了Zr掺杂TiFe氢化物的电子结构,研究了Zr掺杂引起电子结构变化和对TiFe合金储氢性能的影响。分析对比了电子态密度和Mulliken键布居数的变化。结果表明:Zr掺杂后TiFe合金在反复吸放氢的过程中抗粉化性能和吸放氢的滞后效应得到改善,而体积变化引起的晶胞畸变则导致合金的可逆吸放氢量减少。     

内螺旋管金属氢化物反应器吸氢过程数值分析及优化

针对金属氢化物反应器传热性能较差的问题,采用田口方法对内置螺旋换热管的氢化物反应器进行了优化研究。建立了金属氢化物反应器的三维多物理场耦合模型并采用COMSOL Multiphysics V4.4软件来求解。采用田口方法安排出具有代表性的螺旋结构参数组合,通过反应器模型计算得到各个组合的性能。结果表明：螺旋管的换热系数和换热面积都较大,因此内置螺旋管的氢化物反应器的性能较理想;随着螺旋数N和螺旋管直径do的增加,反应器的单位重量蓄热功率GHSR大大提高,而螺旋线直径D对反应器性能影响很小;最优的螺旋管参数组合为：D=32mm、N=6和do=8mm,相应的GHSR达到62.90W/kg。     

多元镁基合金的储氢性能及机理

本文研究了六种不同成份的Mg-Cu-Ni系合金的动力学性能及氢化物形成和分解的一些规律。试验结果表明,合金Mg_(0.833)Ni_(0.066)Cu_(0.095)Ml_(0.006)具有最佳的放氢动力学性能:在330℃,1大气压下,经30分钟可放氢气4.75wt％。在260℃,1大气压下,经60分钟可放氢气1.55wt％。表面分凝在亚表面所形成的活性Ni、Cu金属质点,特定方位的相界面和微裂纹,对改善合金的吸放氢动力学性能具有促进作用。基此,作者提出多元镁基合金吸放氢过程的“表面分凝和界面—微裂纹通道”模型。     

400 nm3/h用金属氢化物提取超纯氢装置

用金属氢化物来提取超纯氢,经过多年来实践证明在技术经济上都是可行的.介绍了一套处理量达到400 nm3/h的金属氢化物氢气纯化装置.可能是目前国内同类型产品中处理量最大的.其原料氢气纯度99.9%,纯化后氢气纯度达到99.999%以上,能满足用户要求.在设计制造过程中解决了提高装置的处理能力,改善传热性能和长期连续工作,自动操作等关键技术.     

基于Cu和Pt基催化剂的乙醇水蒸气重整制氢试验研究

乙醇水蒸气重整制氢的车载应用不但可在线产生富氢气体,解决氢气的储运问题,还可实现混富氢气燃烧,降低排放.为得到较优的重整制氢方案,模拟内燃机尾气温度条件,在燃料重整试验台上实现乙醇的水蒸气催化重整制氢过程.在不同催化剂Cu49Zn21Al18Zr12和Pt/CZO/Al2O3条件下,考察了反应温度、水醇摩尔比和空速对重整气中φ(H2)的影响.研究表明:当反应温度为723～973 K、空速为720 h-1、水醇摩尔比分别为6∶1和4∶1时,二者φ(H2)的平均值分别为47.78%和40.26%.催化剂Pt/CZO/Al2O3重整制氢的产量高于Cu49Zn21Al18Zr12,尤其是在823 K以上的高温区域.但是与Pt/CZO/Al2O3相比,Cu49Zn21Al18Zr12成本低廉,在873 K以上的温度区域,重整气中φ(H2)也相当高.因此,基于Cu49Zn21Al18Zr12催化剂的乙醇水蒸气重整对于车载制氢更加具有可行性.     

High Purity Hydrogen Production by Metal Hydride System:A Parametric Study Based on the Lumped Parameter Model

The simulation of hydrogen purification in a mixture gas of hydrogen/carbon dioxide (H2/CO2) by metal hydride system was reported.The lumped parameter model was developed and validated.The validated model was implemented on the software Matlab/Simulink to simulate the present investigation.The simulation results demonstrate that the purification efficiency depends on the external pressure and the venting time.An increase in the external pressure and enough venting time makes it possible to effectively remove the impurities from the tank during the venting process and allows to desorb pure hydrogen.The impurities are partially removed from the tank for low external pressure and venting time during the venting process and the desorbed hydrogen is contaminated.Other parameters such as the overall heat transfer coefficient,solid material mass,supply pressure,and the ambient temperature influence the purification system in terms of the hydrogen recovery rate.An increase in the overall heat transfer coefficient,solid material mass,and supply pressure improves the hydrogen recovery rate while a decrease in the ambient temperature enhances the recovery rate.     

MgH2-graphene复合储氢材料吸放氢性能

通过球磨制备MgH2,MgHz-GMgHz-graphene储氢材料,研究石墨烯添加对MgH2吸放氢性能的影响。结果表明,石墨和石墨烯对球磨过程中MgHz的细化有促进作用;石墨和石墨烯的添加对MgH2的吸放氢动力学有良好的改善作用;特别是MgH2-graphene储氢材料有优良的吸放氢性能,在573K下于5,2min内放氢和再吸氢质量分数都为7．0％,且其放氢起始温度较MgH2的低50K。     

Development of an Internally Circulating Fluidized Bed Membrane Reactor for Hydrogen Production from Natural Gas

An innovative Internally Circulating Fluidized Bed Membrane Reactor (ICFBMR) was designed and operated for ultra-pure hydrogen production from natural gas. The reactor includes internal catalyst solids circulation for conveying heat between a reforming zone and an oxidation zone. In the reforming zone, catalyst particles are transported upwards by reactant gas where steam reforming reactions are taking place and hydrogen is permeating through the membrane surfaces. Air is injected into the oxidation zone to generate heat which is carried by catalyst particles to the reforming zone supporting the endothermic steam reforming reaction. The technology development process is introduced: cold model test,pilot plant and industrial demonstration unit. The process flow diagram and key components of each unit are described.The ICFBMR process has the potential to provide improved performance relative to conventional SMR fixed-bed tubular reactors.     

基于Cu-Zn/Al_2O_3-ZrO_2催化剂的甲醇水蒸汽重整制氢试验

模拟内燃机尾气余热在非贵金属催化剂Cu-Zn/Al2O3-ZrO2的作用下,进行甲醇水蒸汽重整制氢试验.采用自行设计的燃料重整制氢装置,通过调整燃料重整的试验条件来提高产氢率,并得到较优的重整制氢方案.结果表明:反应温度是甲醇水蒸汽重整反应中最关键的因素,重整气中氢气的体积分数随着温度的升高而逐渐加大.空速会直接影响反应原料滞留在催化剂表面的时间,因此空速为最小值376 h-1时,重整制氢效果更好.最佳的水醇物质的量比和原料流量分别为6∶1和0.4 mL/min.在最佳的试验条件组合下,当反应温度为600℃时,重整气中氢气的体积分数可以达到56.61%.因此,基于Cu-Zn/Al2O3-ZrO2催化剂的车载甲醇水蒸汽重整制氢技术具有实际应用的可行性.     

螯合树脂去除过氧化氢溶液中的微量金属离子的研究

传统的阴阳离子交换树脂净化过氧化氢溶液存在着金属离子去除不彻底及有安全隐患问题,研究了不同影响因素D401螯合树脂去除过氧化氢中金属离子的规律,研究结果表明:过氧化氢溶液中Ca、Fe、Zn等离子含量大小,对于净化过氧化氢的有一定的影响,特别是采用阴离子交换树脂净化时,过氧化氢分解产生气体趋势增大;溶液的pH值、净化的树脂用量、交换反应时间、交换反应温度等对去除微量金属离子均有一定影响,树脂用量与交换反应时间对净化过程影响较大,而溶液的pH、交换反应温度等因素的影响相对较小,pH值在2～4左右,树脂用量为200～300 mg,温度为283～290 K与交换反应时间1.5～2 h为合适的净化条件;D401可有效去除多种离子共存条件下的微量Ca、Fe、Zn、Al、K、Na等离子,但对于K、Na离子的去除效率不高.与阴阳离子交换树脂结合使用,达到降低过氧化氢的分解和提高净化过程的稳定性的同时,提高净化后产品的质量.