Chemkin 模拟甲烷水蒸气重整制氢研究

关键词：Chemkin；甲烷；水蒸气重整；敏感性分析;催化反应

氢能是一种清洁的二次能源,具有绿色环保、零污染、零碳排放等优点。氢气作为一种清洁、高效的能源载体，在燃料电池汽车、炼油、化工、冶金等诸多领域有着广泛的应用。传统的制氢方法如水电解制氢，虽然技术相对成熟，但能耗较高，成本也较高，且依赖于电力供应。相比之下，甲烷重整制氢（SRM）在成本和制氢规模上具有一定的优势。本文基于Chemkin 软件的PFR反应器对甲烷重整制氢进行研究。

1. 反应机理：

本文采用Ni基催化剂上的甲烷水蒸气重整42步详细反应机理进行分析研究。

表1 甲烷水蒸气重整42步详细反应机理

1. 模型设置

2.1本文选用Chemkin的PFR反应器，甲烷和水蒸气预混气体进入反应器，PFR反应器可近似为管式反应器，采用Ni基催化剂，且分布在反应器内壁表面，预混气体在反应器内壁表面的催化剂上发生反应，最后由出口排出反应器。

图1 PFR反应模型

2.2 选择求解气体能量方程，设置反应器长度，直径。设置反应温度，压力

图2 反应器设置

2.3 设置表面物质均为Ni基催化剂，表面分数设置为1。

图3 催化剂设置

2.4 设置气体入口速度

图4 反应气体设置

2.5 设置预混气体水碳比

图5 反应气体设置

1. 结果分析

CH4和H2O转化率在反应器前端迅速增加，然后逐渐趋于平缓，这说明在反应器前端，甲烷水蒸气重整反应最为剧烈，最后甲烷转化率稳定在65%左右。

由于甲烷水蒸气重整是吸热反应，随着反应温度的提升，有利于反应的正向进行，所以甲烷的转化率会提升；

随着水碳比的增加，甲烷的转化率增加，但是水碳比过大会导致生成氢气的效率降低，从而增加生产成本。

图6 CH4转化率随温度变化

图7 CH4转化率随水碳比变化

从图8反应路径可以看出，吸附态的含有H物质转化为吸附态的 H(s)，最终转化为氢气。

图8 氢气生成路径