温度对微通道CH4/O2/H2O自热重整暂态特性的影响

利用计算流体力学软件CFD和化学反应动力学软件CHEMKIN研究了微通道内催化壁面温度、反应混合气体初始温度对镍基催化剂上CH₄/O₂/H₂O自热重整反应暂态特性的影响。结果表明,微通道内的甲烷自热重整反应暂态特性与温度关系密切。温度越高,反应趋于平衡所需的时间越短;当反应器壁面温度较高时,提高反应混合气入口温度对反应影响不大;在相同的温升下,提高反应器壁面温度比提高反应混合气体初始温度对反应过程中氢气的产生和甲烷的转化更有利。     

利用双段床反应器从生物油重整合成气合成甲醇

一种组合了合成气在线调整和甲醇合成的双段床反应器,成功应用于由生物油重整得到的富CO₂合成气的高效合成甲醇．在前段催化床反应器内,富含CO2的原始生物质合成气在CuZnAlZr催化剂的催化作用下可以有效地转化为含CO的合成气．经过450 oC的合成气在线调整之后,CO₂/CO的比率由6.3大幅降至1.2．经过调整后的生物质基合成气在后段催化床反应器内由工业CuZnAl催化剂催化合成甲醇,当反应条件为260 oC 和5.5 MPa时得到每小时每kg催化剂的最大甲醇     

中低温太阳能-甲醇重整互补供能系统动力学提升与系统优化

本文考察了中低温-甲醇重整互补制氢及其与高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)结合的中低温太阳能-甲醇重整互补发电系统,并分析、优化了两供能系统的性能。从动力学性能优化角度,研发了一种适用于甲醇重整制氢反应的新型复合金属氧化物纳米催化剂,并测试了不同反应物体积流量与反应温度下的催化剂性能。基于动力学实验结果,模拟了太阳能-甲醇重整互补供能系统的性能。模拟结果显示,在太阳直射辐照强度为1000 W·m^-2、反应物体积流量为1.70 mL·min^-1时,采用新型纳米催化剂的互补制氢系统太阳能制氢效率与能量利用总效率分别为52.5%与87.5%,比采用铜锌铝商业催化剂的系统提高了12.4个百分点和3.3个百分点。如将重整产物气用于高温质子交换膜燃料电池发电,则太阳直射辐照强度为10000 W·m^-2、反应物体积流量为1.75 mL·min^-1时,中低温太阳能-甲醇重整互补发电系统太阳能净发电效率(40.9%)比应用商业催化剂的系统提高10.4个百分点。     

原位核磁共振技术研究共催化剂类型以及光照波长对甲醇光催化重整产物的影响

本文采用原位核磁共振的方法研究了在真实固-液环境中共催化剂类型以及光照波长对甲醇光催化重整产物及光解水产氢产率的影响.结果发现,不同贵金属担载的锐钛矿型二氧化钛催化剂对甲醇光催化重整产物的产量和产率有着不同程度的影响,但是对其动力学特征影响不大.光照波长对甲醇光催化重整产物的产量也影响较大.通过对比甲醇氧化产率与产氢产率,发现共催化剂的种类对光催化反应速率及氧化还原能力起重要作用,且共催化剂的种类会影响体系氧化和还原能力之间的协同性.     

生物油制氢中催化剂与吸收剂研究

本文利用固定床反应器考察了自制催化剂在生物油水溶性组分重整制氢反应中的表现以及耦合水蒸气预处理的CO2吸收剂对反应的影响。通过比较自制催化剂与商业催化剂Z417在重整反应中的催化性能,以及预处理吸收剂对重整反应的改进作用,结果表明：在反应温度为800℃,水油比为4．9的条件下,自制催化剂Ni／CeO2-ZrO2的氢产率...     

原位核磁共振技术研究光催化甲醇重整过程中甲醇与水的相互作用

本文利用原位液体核磁共振技术对真实固液体系光催化甲醇重整过程中水与甲醇之间的相互作用进行了系统性研究,证实了甲醇+水体系中氢键及质子交换相互作用的存在,并且发现催化剂的种类（包括不同晶型,以及同一晶型、不同形貌的TiO₂）、体系温度、光照反应条件都会影响甲醇与水之间的相互作用,进而影响到甲醇重整的效率．这表明催化剂及温度的合适选择对于提升甲醇重整效率起到非常重要的作用．     

甲醇合成二甲醚催化剂的制备与催化性能

采用沉淀法制备CuO-ZnO-Al2O3/ZSM-5和CuO-ZnO-Al2O3-Cr2O3/ZSM-5两种催化剂,用于甲醇脱水制备二甲醚（DME）。用微反-色谱装置对催化剂进行活性评价,用XRD对催化剂进行结构表征。在本实验条件下,以铜锌氧化物的质量分数之比为1∶1,以及铬的质量百分含量为1%,350℃煅烧的催化剂的活性最高。     

微细腔内变组分CH_4/O_2/H_2O自热重整积碳特性

针对微动力装置中重整腔内催化剂表面容易积碳,重整反应需要大量能量等问题,在重整腔入口引入氧气,使甲烷发生部分氧化反应为催化重整提供热量。本文采用数值方法研究了微细腔中CH_4/O_2/H_2O镍基催化剂上的自热重整反应,重点分析CH_4/O_2/H_2O混合物组分对甲烷自热重整反应及积碳的影响。结果表明:在混合物组分CH_4/O_2/H_2O摩尔比为1:0.2:2时,甲烷自热反应放热量刚好能满足甲烷重整反应的需求,氢气质量分数较高为3.32%,积碳浓度较低为1.19×10~(-6) kmol/m~2。     

太阳能甲醇重整制氢过程催化剂颗粒床特性及综合性能数值分析

针对太阳能甲醇重整制氢系统的数值研究,以往受限于网格划分和计算资源,多采用假设均匀的多孔介质模型,但难以准确描述微观结构下的多组分热-质传输和化学反应过程。本文结合催化剂颗粒床模型和多孔介质模型各自优势,建立了基于实际催化剂颗粒床孔隙率分布的太阳能甲醇重整制氢系统三维综合数值模型,并将计算结果与传统模型进行对比,发现孔隙率分布对系统性能有着较大的影响,而本文所建的基于实际孔隙率分布的模型更接近于系统真实情况。基于此,本文进一步考察了催化剂颗粒尺寸和运行参数对整个系统流动传热和化学反应综合性能的影响规律。     

电流对苯甲醚电催化重整过程的影响

用电催化重整方法和NiCuZn-Al₂O₃催化剂进行生物油模型化合物苯甲醚的水蒸气重整制氢研究,结果表明,在700 oC和4 A条件下,获得的最高碳转化率和氢产率分别为98.3%和88.7%,电催化重整过程中发现的电流促进效应主要归结于重整反应床中温度分布的改变和电阻丝发射的热电子影响. 利用X射线衍射方法分析了反应前后的NiCuZn-Al₂O₃催化剂结构变化. 实验导出的苯甲醚重整反应表观活化能为99.54 kJ/mol,明显高于乙醇、乙酸和生物油轻质组分的重整反应表观活化能.     

中低温太阳热能的甲醇重整制氢能量转换机理研究

通过甲醇-水蒸汽化学反应,本文提出中低温太阳热能与甲醇重整反应结合的制氢新方法,探讨了中低温太阳热能与甲醇重整制氢过程的能量转换机理,分析了不同压力条件下的水碳比、反应温度对中低温太阳热能-甲醇重整制氢的影响规律.研究结果表明:集热180～240 ℃的低品位太阳热能(品位为0.34～0.42)将能更好地与甲醇重整反应所需的品位相匹配.在反应压力为1×1.01325×105 Pa,反应产物中H2浓度可有望达到72%～75%,中低温太阳热能转化为化学能占燃料化学能的份额可达12%.该研究为低能耗制取清洁燃料氢提供了一条新途径.     

正丁烷/空气混合气催化点火的实验研究

本文在通道高度分别为2 mm和4 mm的平板微反应器内进行了正丁烷/空气混合气的催化燃烧实验。结果表明,在入口流速以及燃烧室高度相同的情况下,催化起燃温度随当量比的增加而下降,且稳定燃烧时最大放热量出现在混合气当量比略大于1时。实验中并未发现明显的气相着火现象。在入口流速以及当量比相同的条件下,混合气在通道高度4 mm的反应器内的起燃温度低于2 mm反应器,表明气相扩散对催化起燃可能产生了一定的影响。     

Effect of Potassium Addition on Coprecipitated Iron Catalysts for Fischer-Tropsch Synthesis Using Bio-oil-syngas

以生物油基合成气的模拟气H2/CO/CO2/N2(62/8/25/5,体积比)为原料,采用固定床反应器,在1.5 MPa、300 o C、W=F=12.5 gcath/mol的条件下,研究了钾助剂及钾的添加量对沉淀铁催化剂费托合成催化活性及产物选择性的影响．生物油基合成气是通过生物油催化蒸汽重整得到．研究发现,钾的添加促进了沉淀铁催化剂费-托反应及逆水气变换反应的活性．此外,钾的加入增加了碳氢产物的平均分子量(链长)．结果表明,随着钾助剂含量的增加,甲烷的选择性降低,液相碳氢产物(C5+)的选择性增加．通过多种方法,例如X射线衍射、X射线光电子能谱及比表面等对不同钾含量的费托合成催化剂进行了表征．通过费托合成实验和催化剂的表征,选出100Fe/6Cu/16Al/6K(质量比)作为生物油基合成气费-托合成最适宜的催化剂．     

稀释气对天然气掺甲醇裂解气预混层流燃烧特性的影响

运用了定容燃烧弹-纹影系统球形发展火焰的研究方法,用体积比H2:CO=2:1的混合气来模拟甲醇裂解气,用N_2和CO_2作为稀释气,在初始温度为343 K、初始压力为0.3 MPa的条件下进行了稀释气-天然气-甲醇裂解气-空气预混燃烧试验,研究了不同当量比(0.8～1.4)下不同稀释气种类(N2和C02)及不同稀释气添加比例(0.05、0.1、0.15)对天然气-甲醇裂解气-空气(其中甲醇裂解气体积占比0.4、天然气体积占比0.6)层流燃烧速度、马克斯坦长度及胞状结构等燃烧特性的影响.并且在不添加稀释气的条件下,进行了同样初始温度和压力下的天然气(1/0.6/0.2)-甲醇裂解气(0/0.4/0.8)-空气预混层流燃烧的对比试验.结果表明:掺甲酵裂解气会增加混合气层流燃烧速率,促进胞状结构的产生;添加稀释气会降低层流燃烧速率;CO_2对流体动力学不稳定性的抑制作用以及对热扩散不稳定性的促进作用强于N2.在此条件下,热扩散不稳定性是影响火焰不稳定性的主要因素.     

ZrO2,Nb2O5助剂改性Au/α-Fe2O3催化剂的光谱研究

通过并流共沉淀方法,制备了一系列添加助剂ZrO2和Nb2O5的Auα-Fe2O3催化剂,并用紫外-可见漫反射光谱,X射线光电子能谱,透射电镜和X射线荧光元素分析对其进行了表征.结果表明ZrO2和Nb2Os之间存在着较强的协同作用;两种助剂的同时添加促进了Au,ZrO2和Nb2O5在Au/α-Fe2O3催化剂表面的富集,有效地阻止了纳米微粒的团聚.经甲醇重整气氛下的催化性能评价,在200℃时,AuFZ的活性达到平衡转化率99.9%;经50 h的稳定性测试,其稳定性远远高于未加助剂的Au/α-Fe2O3样品.这表明ZrO2和Nb2O5双助剂的添加有效地改善了Au/α-Fe2O3催化剂的性能.     

基于Er3+：YAlO3/TiO2的可见光催化降解室内甲醛

为使TiO2能够在可见光下发挥其于紫外激发的高光催化活性降解室内甲醛,采用水热处理法将TiO2与掺杂稀土离子Er3+的上转换发光剂Er3+∶YAlO3结合,制备具有可见光响应的Er3+∶YAlO3/TiO2光催化剂,并对其进行了表征分析。结果表明,TiO2以锐钛矿为主,且Er3+∶YAlO3可有效地将可见光上转换至可激发TiO2的紫外光。在箱式反应器中进行光催化降解气态甲醛,研究了甲醛初始浓度与催化剂用量对甲醛降解效率的影响。结果表明,该光催化反应的假一级反应速率常数( kapp )与甲醛初始浓度成正相关,而随催化剂用量的增加先升高后降低。当甲醛初始浓度为0.058 mg/m3、催化剂用量为0.1224 g/L时,kapp最大为3.65×10-3 min-1。该反应符合Langmuir-Hinshelwood模型,反应速率常数为5×10-8 mg/( L·min)。     

太阳能膜反应器燃料制取及联合循环效率分析

膜反应器是一种可在等温条件下连续运行的高效热化学反应器。基于膜反应器的甲烷重整吸热反应可利用太阳能作为热源制备更高热值的合成气,并可作为燃料提供给下游的联合循环进行发电,实现太阳能与化石能源的互补利用。本文对基于透氧膜的太阳能制取合成气系统建立理论研究模型,首先研究制取合成气的效率在不同热回收效率下随H_2O/CO_2比率变化的规律,然后讨论上游膜反应器的合成气产物热回收效率对于系统总发电效率的影响,并得到系统总效率的变化规律。膜反应器与常规甲烷重整反应系统相比,甲烷转化率和产气纯度更高,且燃料产物便于储存和运输。系统总发电效率为39.3%(太阳能聚光温度1200℃),具有实际应用潜力。     

煤与天然气适度转化的甲醇-动力联产系统

本文开拓性地提出了一个新型煤和天然气综合利用、甲醇和电力联产的能源动力系统。新系统采用了燃料化学能适度转化的方法,煤先和纯氧与蒸汽发生部分气化反应,适度转化成合成气和半焦,碳转化率约为50%;半焦在天然气/水蒸气重整反应器中燃烧,为重整反应提供反应热;将甲醇生产系统与联合循环发电系统有机整合,来自煤和天然气的合成气先用于甲醇生产,未反应合成气用作发电燃料。研究表明在相同产出条件下,多功能系统比分产系统少消耗10%左右的化石燃料。本文工作为煤和天然气综合高效利用提供了新途径。     

大功率半导体激光器叠层无氧铜微通道热沉

建立了叠层无氧铜微通道热沉的散热模型,通过理论计算和近似分析,优化了微通道热沉的结构参数;在t=200μm, ωc=60μm, ωf=100μm,p=2. 02×106 Pa时,可获得最小热沉热阻Rthm =4. 205×10-3 K·cm2 /W。根据优化结果,考虑微通道取向对液压降的影响,设计了一种新型大功率半导体激光器叠阵用五层结构叠层无氧铜微通道热沉,并结合实际工艺制备了无氧铜微通道热沉。在实际工作中,优化结果往往要跟实际工艺相结合,如优化所得的水压降为 2 02×106 Pa,这在实际工艺中较难实现。但在热沉实际工作的水压降条件下,热阻为 4. 982×10-3 K·cm2 /W,它能满足高功率激光器叠阵的需要。     

光催化甲醇重整机理的原位核磁共振研究

本文利用原位核磁共振技术在真实固液反应环境中对光催化甲醇重整过程进行了研究.研究发现，体系中甲醇重整的液态中间产物主要有四种：HOCH₂OH、CH₃OCH₂OH、HCOOH和HCOOCH₃.不同晶型的二氧化钛催化剂会影响这四种产物的生成趋势.随光照时间的增加，上述四种产物的含量均会增加.Pd负载对一级中间产物CH₃OCH₂OH和HOCH₂OH的产率影响较大，其产率为无Pd负载的2~3个数量级；对二级中间产物HCOOCH₃和HCOOH的产率影响较小.