内置多孔介质卷式反应器内甲烷富燃制氢的数值模拟

为了解甲烷在内置多孔介质卷式反应器内超绝热富燃制氢特性,采用计算流体力学与详细的化学反应机理相结合的方法,对甲烷在该反应器的富燃制氢过程进行了数值模拟,研究当量比和预混气体流速对燃烧区峰值温度、合成气组分和甲烷转化效率的影响,并和实验值进行对比。结果表明,多孔介质内甲烷的燃烧温度远超过其绝热火焰温度,实现了超绝热条件下富燃制氢;在研究范围内,甲烷-氢气的转化效率随当量比和气体流速的增大而增大,数值模拟结果与实验值基本吻合。     

微细腔内甲烷-湿空气重整特性试验与数值模拟

针对甲烷-湿空气在微细腔内的自热重整,建立了直径为2mm的微细直管试验系统,采用试验研究和三维数值计算两种方法分析了微反应器内甲烷-湿空气自热重整转化特性,并重点分析了反应温度、原料气组分比例变化对重整反应中甲烷转化率和氢气产率的影响.结果表明：在相同的甲烷流量工况下,随着温度的升高以及空/碳比和水/碳比的增大,甲烷转化率和氢气产率均增大,其中空-碳比对甲烷转化率的影响比对氢气产率的影响大;进气质量流量较小的体系比较大的体系在重整产氢方面的效果好.试验和数值模拟得到的结果比较一致.     

微细通道内氢气辅助甲烷催化氧化的数值模拟

对微圆管内低浓度氢气、甲烷混合气在铂表面的催化氧化进行了数值模拟,重点研究了添加氢气对甲烷反应的影响机理.结果表明,氧气占据空位活性中心抑制了甲烷的吸附,导致较高的催化着火温度;氢气的掺入可以降低甲烷氧化反应的起始温度和着火温度;在铂催化剂表面,甲烷的催化氧化发生在氢气的燃烧过程中,氢气在燃烧过程中消耗氧气,为甲烷的反应提供必需的空位活性中心(Pt(s));甲烷的着火主要受其自身的激发,甲烷着火以前,壁面活性中心几乎全被氧占据,而甲烷着火以后,O(s)和Pt(s)同为主要壁面组分.     

旋流燃烧室内甲烷湍流燃烧的数值模拟

为合理考虑湍流-复杂化学反应的相互作用,建立了甲烷湍流四步反应的温度脉动简化概率密度函数(PDF)模型.应用该模型对TECFLAM燃烧室内的甲烷湍流旋流燃烧进行了数值模拟,得到了与实验相符合的气体轴向、径向与切向速度、温度、温度脉动均方根值及甲烷、氧气、二氧化碳与水蒸气质量分数分布.得到的一氧化碳和氢气质量分数分布与实验基本符合.     

硫碘制氢中碘化氢分解的化学模拟及实验研究

对热化学硫碘制氢中的碘化氢分解反应进行了化学热力学、动力学模拟以及实验研究,同时利用热力学的方法研究了氢气选择性膜对碘化氢分解率的影响.化学热力学模拟中,500℃下,HI的分解率只达到22.8%.但利用膜分离只移走氢气和同时移走氢气和碘蒸气的情况下,分解率分别增长了30.3%和54.8%.化学动力学模拟中,随温度的升高,Ⅷ浓度降低曲线呈现一定的线形规律,该分解反应对温度的敏感性较高.通过实验结果和动力学模拟结果的对比,该动力学模型能较好地描述HI分解的化学反应历程.     

氢气对超低体积分数甲烷催化燃烧的影响

搭建了催化燃烧实验台,在保证催化燃烧室入口气体温度、流速相同的情况下,通过改变气体中甲烷和氢气的体积分数,得到不同体积分数甲烷气体在加入不同体积分数氢气情况下的催化燃烧特性.结果表明:在保证催化燃烧时入口气体温度为520℃条件下,加入低体积分数的氢气可有效加快甲烷催化燃烧的反应速度,降低甲烷的起燃温度,提高甲烷转化率;加入的氢气体积分数越高,对甲烷的催化燃烧助燃效果越好;而甲烷体积分数越高,氢气对甲烷的催化燃烧效果也越显著.     

甲烷/空气预混气体在微通道中催化转化的数值模拟

用详细化学反应机理研究了微型直通道中甲烷／空气预混气体在镀Pt热壁上的催化燃烧问题．联合使用计算流体力学软件FLUENT和可以计算表面催化反应的化学反应动力学软件DETCHEM，对微型直通道中当量比在0．01～10．0范围之间的甲烷/空气预混气体的催化燃烧进行了数值模拟．计算结果表明，在微尺度催化燃烧中当量比和温度对甲烷催化转化率、转化速度有重要的影响．     

催化重整反应加氢对预混气火焰传播速度的影响

根据“驻定火焰法”基本原理，利用对冲火焰实验装置系统测量了甲烷与少量氢气预混气的火焰传播速度。结果表明，与纯甲烷时相经，含氢条件下的火焰传播速度有了明显的提高。实验氢气是甲烷与水蒸汽在催化重整反应中产生的。这说明，催化剂的存在使得掺水燃料或乳化油在燃烧的同时产生氢气。氢气的加入提高了混和气的火焰传播速度，改善了燃烧过程。这项技术在实践中有着重要意义。还对实验条件进行了数值模拟和计算，计算结果与实验结果符合较好。     

添加氢气的甲烷/空气预混火焰结构的数值预测

针对添加氢气的甲烷/空气预混火焰的重要特性进行了计算研究.不同含氢比、稀释比以及不同当量比下的绝热燃烧速率模拟结果与目前国际上相关的研究结果相吻合.从稀燃到等当量比范围,采用的模型较好地重构了NO浓度变化,但在浓混合气时,预测结果与Coppens等的研究结果不同.计算结果表明,添加氢气对炭黑生成无明显的作用;同时,以反向对称双火焰为模拟背景,计算获得了不同含氢比下的熄火拉伸率和对应的燃烧温度,证明了添加氢气可以增强稀薄燃烧的稳定性以及扩大稀燃极限.     

甲烷火焰中氢气对着火与燃尽的影响

利用化学反应动力学机理研究了甲烷－空气预混火焰添加H2的着火和燃尽特性。通过分析计算,讨论了氢气对甲烷燃烧过程及着火温度、燃烧速率、燃尽时间的影响。结果表明,甲烷火焰中少量氢气的存在不仅可以降低甲烷的着火温度,而且可以显著增大燃烧速率,缩短燃尽时间,这些结果与已有的实验结果吻合。