DIR-MCFC性能影响因素研究

将甲烷水蒸气重整制氢反应与熔融碳酸盐燃料电池技术相结合,构成了以甲烷为燃料气的直接内重整熔融碳酸盐燃料电池(D IR-M C FC)。考察了影响电池性能的条件,发现反应气压力增加会提高电池性能,反应气压力由0.1M Pa升至0.6 M Pa,在150 m A/cm 2下,电池电压约提高200 m V;增加甲烷流量利于提高电池性能,但需要合理选择甲烷的利用率;常压下,进气水碳比为1时同等电流下电池初始电压较进气水碳比为2时高30～50 m V,而在0.6 M Pa下这两种进气水碳比对电池初性能影响不大;0.6 M Pa、水碳比为1时,催化剂容易积碳,从而降低电池运行的稳定性,因此,电池在较高压力下运行时应适当提高进气水碳比。     

微型预混腔内流体传质影响因素的数值模拟

微型发动机由预混腔和燃烧腔组成，而微型预混腔内流体的流动和传质是影响微型发动机预混催化重整燃烧的重要因素。甲烷和空气分别沿轴向和径向进入微型预混腔，2种气体形成垂直交叉射流，经过微槽道进入环形腔。采用连续介质层流模型二阶离散对三维微型预混腔内流体流动和传质进行了数值模拟，采用相对未混合度表示气体混合的均匀性。结果表明，入口效应和壁面碰撞效应有利于腔体内传质和混合。甲烷和空气的射流动量比、接触面积及停留时间越大，相对未混合度越小。气体在旋流槽中的停留时间较大，而在直流槽中有环形腔壁面碰撞效应增强扰动和混合， 基金项目：教育部博士点基金项目(20040611013)；中国博士后科学基金项目。 因而2种微型预混腔结构都能得到较好的传质效果。混合气体流动为层流，流动阻力较小。     

二甲醚水蒸气重整反应器的工艺参数分析

用流体计算软件COMSOL建立含有瓦片式加热通道的二甲醚重整制氢反应器三维模型,并对模型进行稳态计算.修改重整条件来模拟反应特性,研究二甲醚水蒸气重整制氢反应器的性能.用数学模型研究反应温度和水醚物质的量比(水醚比)对重整反应的影响.当水醚比一定时,随着温度的升高(523～673 K),二甲醚的转化率和氢产率都得到提高,当水醚比为4、温度为673 K时,二甲醚转化率为53.86％,氢产率为53.22％;当温度一定时,适当增大水醚比,有利于改善重整器的制氢效率,提高二甲醚的转化率和氢产率.当水醚比为4、温度为623 K时,二甲醚转化率为52.30％,氢产率为51.40％.     

基于甲烷水蒸气重整的SOFC耦合系统性能研究

甲烷水蒸气重整固体氧化物燃料电池(SOFC)系统主要包含了甲烷水蒸气重整制氢/供气单元、SOFC电堆单元、电化学测试单元等,系统通过换热器将SOFC电堆单元的余热回收再利用,可实现能源的梯级高效利用,具有良好的发展前景.针对系统中影响因素较多的甲烷水蒸气重整供氢单元进行了研究,通过调整重整反应的不同重整温度、水碳比等影响因素,对比分析了不同工况下CH4转化率的变化规律;在最优工况下,实现了甲烷水蒸气重整制氢/供气单元和SOFC电堆单元的直接耦合,对SOFC电堆进行了性能测试,并对比分析了耦合后的系统性能,提出进一步的优化方案.     

平板式固体氧化物燃料电池Ni/YSZ阳极上甲烷重整过程实验研究

为了开发甲烷直接内部重整的高效固体氧化物(solid oxide fuel cell,SOFC)燃料电池系统,必须对阳极上甲烷水蒸气重整过程进行详细研究。文中搭建了实验台,对开发的平板式SOFC燃料电池多孔介质阳极上甲烷重整过程进行了实验研究。给出在不同燃料流量和不同水蒸气/甲烷比(S/C)工况下出口气体各组分的摩尔分数和甲烷转化率的分布。实验结果表明工作参数对甲烷的转化率有很大的影响,在相同工作温度下甲烷的转化率随着进口燃料流量增加而降低,因此出口气体中氢气的摩尔浓度也相应降低。另外通过分析实验结果,可见阳极的入口处最有可能有碳形成。     

微细直管燃烧器的散热损失研究

为了解微细直管燃烧器散热损失的大小，采用内径为0.6mm的微细陶瓷管进行氧气和甲烷气体的燃烧实验，测量了微细直管外壁面的温度，研究了氧气和甲烷的总流量和质量比对壁面散热的影响，以及不同总流量下直管壁面温度的动态变化过程。研究结果表明，混合比小于当量混合比时，随着混合比的增加，燃烧放热功率增加，壁面温度升高，管壁的散热功率增加；管壁的散热量占了很大一部分燃烧放热量，文中测量的管壁散热量最大为燃烧放热量的42%；在管壁散热量中，辐射散热量占很大一部分，最大达到总散热量的65%；随着总流量的增加，燃烧反应区的长度增加，轴向的壁面温差减小，壁面升温速率增大。     

压力和温度对用于燃料电池的微型反应器内甲烷自热重整特性的影响

采用CHEMKIN化学反应动力学软件及计算流体力学软件CFD等数值方法详细探讨了在微尺度内甲烷自热重整反应中温度和压力对出口组分摩尔分数的影响和催化壁面总积碳量的影响.结果表明,当温度超过873 K,会促进水煤气转化反应的发生,导致氢气减少、水和一氧化碳增加,用于燃料电池的微型反应器内甲烷自热重整的温度不宜超过1000K,此时重整合成气中氢气的摩尔分数可达54.05%,一氧化碳的摩尔分数为9.98%;从能效、积炭和燃料电池的原料气的要求分析,用于燃料电池的微型反应器内甲烷自热重整的反应压力应低于1.8105Pa;同时在1000K左右,积炭过程和消炭过程可到达一个平衡阶段,有利于催化剂寿命的延长。     

一种微细型腔内氢气与空气预混燃烧的实验研究

针对微型涡轮发动机燃烧室的特点，搭建了氢气与空气预混燃烧实验装置，采用耐热合金材料以电火花特种工艺加工成型微细燃烧部件，开展了微细型腔燃烧特性实验研究，测试获得了着火浓度极限和燃烧温度变化规律，分析了运行参数对燃烧状况的影响。结果表明：由于微细型腔外表面散热损失的增大，火焰传播速度减小，可燃浓度范围明显缩小。在实验运行参数范围内，随着预混燃气流速的增加，着火极限浓度减小。对于外径为毫米级的微细燃烧腔，采用增压燃烧可以有效地扩大微型腔内的着火浓度极限，提高燃烧稳定性。     

微型缩放喷管中氢气/空气预混燃烧实验研究

在最大内径2mm,喉部内径1mm的微型缩放喷管中进行氢气/空气的预混燃烧实验,获取稳燃范围、壁面温度、火焰起始位置等燃烧特性。缩放的喷管结构相比于等直径的圆直管和T形管拓展了稳燃范围,合适的当量比下,入口流速在3.4~41.4m/s的范围内火焰根部能稳定在缩放段燃烧。壁面温度和火焰位置受到流速和当量比的双重影响。壁面温度最大值出现在燃料稍有富余,当量比为1.4时。火焰起始位置随流量的增大向下游移动,随当量比的增大先向上游移动后向下游移动。通过选择合适的当量比和流速,能控制微喷管内的燃烧温度和位置,为微推进、微喷射等系统的设计和改进提供依据。     

径向分级低污染燃烧室燃烧性能试验

以某型径向三级燃烧室为研究对象,采用天然气为燃料,通过试验研究了各级不同燃料比例及燃烧模式下燃烧室的贫油点火、贫油熄火、出口温度场、污染物排放等燃烧性能。结果表明:在环形区扩散燃烧、主燃区预混燃烧模式下,贫油点火油气比为0.027 0～0.040 1,贫油熄火油气比为0.006 9～0.005 5,环形区改为预混燃烧模式后,点火油气比和熄火油气比均有所增大;随主燃区预混燃料当量比(当量比)的增加,出口温度系数逐步改善,至当量比0.54时则有所恶化,环形区改为预混燃烧模式后,主燃区当量比为0.51时,出口温度系数改善明显;随主燃区当量比的增加,CO、未燃碳氢(UHC)、NO_x及碳烟排放均呈下降趋势,但当量比为0.54时,NO_x排放有所增加,环形区改为预混燃烧模式后,各污染物排放指数降低,但未达到预期。建议径向分级燃烧室在低负荷工况下采用环形区扩散燃烧、主燃区预混燃烧模式,在高负荷工况下均采用预混燃烧方式。     

多孔介质表面火焰最小稳燃空间实验研究

为考察以多孔介质壁面为进气壁面的微燃烧器的最小稳燃空间,该文以多孔介质表面平面火焰为对象,以甲烷/空气预混气为燃料进行点火及熄火实验研究。实验中采用与多孔介质表面平行的可控温铜板来模拟燃烧室壁面,详细考察了不同燃料当量比和预混气流速时,铜板壁面温度对点火距离和熄火距离的影响。实验结果表明：当量比处于0.9～1.0之间最容易点火;在相同的当量比下,随着预混气流速的增大,点火距离先逐步减小后增大。随着平板壁面温度的提高,点火距离和熄火距离同时减小,分析认为,热熄火是其熄火的主要因素。     

预混气体在泡沫陶瓷多孔介质燃烧温度分布与火焰面移动特性

为了解多孔介质内预混燃烧的温度特性和火焰面传播特性,采用红外热像仪对不同当量比和进口气体速度的甲烷/空气预混气体在泡沫陶瓷多孔介质内的燃烧进行试验研究。泡沫陶瓷材料采用碳化硅、氧化铝和氧化锆,泡沫陶瓷孔径采用394、787和1 181PPM。结果表明,火焰面移动速度和当量比呈反比,受进口气体速度的影响不明显;火焰可以向上游或向下游传播,火焰面移动速度范围为0.35~0.38 mm/s;确定了不同材料和孔径的泡沫陶瓷内的驻定燃烧当量比和自稳定当量比范围。     

空气槽对微型双通道螺旋型过量焓燃烧器工作特性的影响

为了解空气槽对平板微型双通道螺旋型过量焓燃烧器(Swiss-roll燃烧器)工作特性的影响,采用甲烷/空气预混气,在带有空气槽和没有空气槽的平板Swiss-roll燃烧器中进行燃烧实验。实验结果表明:空气槽有助于扩展微燃烧器的可燃极限,使燃烧器在更大的空气过量系数和更小的甲烷流量下工作,同时增加了燃烧器外壁的温度梯度。另外,对带有空气槽的微燃烧器进行了数值模拟。数值结果表明,高温燃气对未燃混合物有很强的加热作用,一方面使预混火焰面发生倾斜,另一方面使预混火焰在微燃烧器内部的位置随着流速、空气过量系数、外界散热的变化而变化。     

化学链重整制氢系统的过程模拟

为了评价化学链重整制氢系统的性能,针对以CH4为燃料、以化学链技术(基于NiO/NiAl2O4氧载体)为核心的2种不同工艺重整制氢系统——自热化学链重整制氢系统(autothermal chemical looping reforming,CLR(a))和蒸汽重整化学链燃烧系统(chemical looping steam reforming,CLR(s)),采用Aspen Plus软件进行了过程模拟和热力学分析。以2种系统的产气率、冷煤气效率、CH4转化率等为评判指标,得到了各系统优化的反应条件,并分析了各操作参数(包括燃料/重整反应器温度和压力、CLR(a)中氧载体甲烷摩尔比和空气甲烷摩尔比、CLR(s)中水甲烷摩尔比和燃料甲烷份额)对系统性能的影响,最后对2种制氢系统进行了定量比较和分析。结果表明:2种化学链重整制氢系统具有相近的燃料发热量和CH4转化率(98%),但自热化学链重整制氢系统工艺更为简单,所需氧载体循环流量仅为蒸汽重整化学链燃烧制氢系统的1/3,从而可节约传输能量;而后者重整气中氢含量更高(74.14%对65.81%),且具有更高的冷煤气效率(85.28%对71.19%)和产气率(4.05对2.97)。     

燃烧福建无烟煤循环流化床锅炉炉内脱硫二步法反应模型

建立燃烧福建无烟煤循环流化床锅炉炉内脱硫的二步法反应模型,并与一步法反应模型进行比较。计算发现,模型的预测结果与工业实际运行测量数据基本吻合,能够反应脱硫效率随钙硫比的变化趋势：钙硫比较小时变化缓慢,只有当钙硫比较大时(>2.2)才有明显提高。与一步法反应模型相比,在钙硫比较小的情况下,该模型的计算结果与工业实测结果吻合更好;另外,由于考虑了石灰石煅烧的影响,该模型更能反应出负荷变化对脱硫效率的影响。模型计算表明,在保持钙硫比不变的条件下,脱硫效率随流化速度的增加而降低,随物料循环流率的增加而提高,随燃烧温度的升高而增加,但随负荷波动的变化较小。     

Steam reforming of aliphatic hydrocarbons with nonthermal plasma

Steam reforming of aliphatic hydrocarbons such as methane, ethane, propane, and neopentane was investigated with two types of barrier discharge plasma reactors. With a ferroelectric packed-bed reactor ( FPR) in N/sub 2/, almost the same conversions were obtained for ethane, propane, and neopentane, but methane was less reactive than these hydrocarbons. Hydrogen gas yield decreased in the order: methane/spl ap/ethane>propane>neopentane. The molar ratio of H/sub 2/ to CO {[H/sub 2/]/[CO]} exceeded 3.5 for all the hydrocarbons. [H/sub 2/]/[CO] did not change in the range of H/sub 2/O content from 0.5% to 2.5%. At the volumetric ratio of H/sub 2/O to Hydrocarbon=2.0, carbon balances were poor for ethane, propane, and neopentane, but almost all of the carbon atoms in the reacted methane were recovered as CO and CO/sub 2/. The mole fractions of CO and CO/sub 2/ depended on the chemical structures of the substrate hydrocarbons. It is considered that the water-gas-shift reaction proceeds backward for the reaction systems of the hydrocarbons with higher hydrogen atom densities per molecule. FPR maintained the same performance for 10 h in the steam reforming of methane. The efficiency of a silent discharge plasma reactor was much lower than that of FPR.     

Air-based coal gasification in a two-chamber gas reactor with circulating fluidized bed

During the bed gasification of solid fuels, the process temperature in the reaction zone is not high enough for reaching the maximum rate of the chemical efficiency factor of the gasification process. In order to increase the chemical efficiency factor, it is necessary to supply extra heat to the reaction zone to increase the reaction temperature. In this article, coal gasification in a chamber with forced fluidized bed is considered and it is proposed to supply extra heat with a circulating flow of an inert particulate heat transfer agent. Circulating inert particulate material is successively heated by coal combustion in a cone chamber with bubbling fluidized bed and in a combustion chamber with a spherical nozzle that inhibits the forced fluidized bed. After that, the heat transfer agent heated to 930–950°C enters first in a gasification chamber with bubbling bed and then in a chamber with forced fluidized bed, where it transfers the physical heat to the air fuel mixture. The experiments conducted with crushed Borodinsky coal and inert particulate heat transfer agent (electrocorundum) showed the temperature rise in a gasification chamber with from 760 to 870°C and the increase in the combustible component (CO) concentration in the gasification products by 5.5%. Based on the kinetic equations of the fuel combustion reactions and the CO₂ reduction to CO and on the thermal balance equations of combustion and gasification chambers, the simulation model for the gas composition and the temperature rate calculated by the height of reaction chambers was developed. The experimental temperature rates and product gas compositions are in good agreement with the simulation results based on the proposed kinetic gasification model.