甲醇-水蒸汽重整制氢反应器新进展.pdf

第28卷第6期
能源技术
Vol 28 No 6
2007年12月
ENERGY TECHNOLOGY
Dec.2007
清洁能源与新能源
甲醇一水蒸汽重整制氢反应器新进展
王锋,李隆键,辛明道,陈清华
(重庆大学动力工程学院,重庆400044)
摘要:甲醇一水蒸汽重整制氩反应器与所采用的催化剂体系和研究重点密切相关,反应器的
最新发晨多停留在实验室阶段。介绍了颗粒催化剂表征和涂层催化剂表征用甲醇一水蒸汽重整制
氢反应器在实验室阶段的最新发展现状。微通道涂层催化剂反应器传热传质效率高,是甲醇一水
蒸汽重整制氢反应器的发展方向。
关键词:甲醇一水蒸汽重整;涂层催化剂;颗粒催化剂
中图分类号:TQO5
文献标识码:A文章编号:1005-7439(2007)06-0325-05
The Latest Progress of Methanol-steam Reforming Reactors for Hydrogen Production
WANG Feng, LI Long-jian, XIN Ming-dao, CHIEN Qing-hua
College of Power Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)
Abstract: The process of methanol-steam reforming for hydrogen production is closely related to the catalyst
system and the research attention, the development of this type of reactors are still holding in experimental state.
The development of methanol-steam reforming reactors for granule catalysts and coating catalysts characteristics
testing is reviewed in this thesis. Microchannel coating catalyst reactor has the advantage of high heat efficiency and
mass transfer property, and it is the developing direction in this field.
Keywords methanol-steam reforming; coating catalyst; granule catalyst
碳氢燃料的重整制氢是目前国内外工业用氢气制氢效率,人们开展了大量的新型催化剂的研究、强
的主要制取方法;特别是甲醇、乙醇等醇类物质可从化热质传输的研究,并根据研究重点设计了不同的
可在生资源制得,把它们作为原料重整制氢,受到了反应器,尽管这些反应器的设计和研究大多还停留
人们更多地重视?。蒸汽重整是目前使用最广泛的在实验室阶段,但是对国内外实验室MSR制氢反
制氢方式,目前全世界一半以上的氢气是由蒸汽重应器研究进展的综合分析,可为工业化提供参考。
整而制得的习;甲醇一水蒸汽重整(MSR)制氢因反针对此类制氢反应器的评述目前还未见报道;由于
应温度低、产物氢气含量高等优势成为解决质子交实验室MSR反应器形式和所采用的催化剂紧密相
换膜燃料电池( PEMFC)氢源的有效途径。
关,因此本文准备从颗粒催化剂表征用MSR制氢
影响MSR制氢效果的主要因素有化学、物理反应器和涂层催化剂表征用MSR制氢反应器两方
两方面。化学因素即催化条件,物理因素则涉及操面进行评述。
作条件、热质传输状况等,两者综合表现在反应器
采用颗粒催化剂的MSR制氢反应器
中。MSR是强吸热过程,常规反应器因受所采用的
颗粒催化剂传热传质过程的限制动态响应慢,催化
采用颗粒催化剂的MSR制氢反应器从结构上
剂床层存在“冷点”,难以实现等温操作。为了提高又可分为管式、板式(包括板翅式)和微通道几种形
式,它们都是填料床反应器,都通过在管内、板间微
基金项目:基金项目:国家自然科学基金资助项目(50276073)
通道中填裝颗粒催化剂来进行反应,但是催化剂颗
重庆市自然科学基金资助项目(CSTC.2006B6221)
粒的粒度、反应器的结构不同
王锋等:甲醇一水蒸汽重整制氢反应器新进展
1.1管式反应器
产量,与管式反应器相比可以实现扩大规模生产。
管式反应器在实验室MSR制氢反应器中最为但板式反应器还是采用颗粒催化剂,其反应通道中
常见,其特点是长(高)径比很大,内部没有任何构同样存在较大的温差,催化剂的效率不能完全发挥。
件,反应物料混合的作用较小,一般用于连绫操作过1.3微通道反应器
程。由于工业催化剂多为颗粒形状,通过在管式反
微通道反应器是一种借助特殊微加工技术,以
应器中填充一定量的催化剂进行实验最为方便和可固体基质制造的可用于进行化学反应的三维结构单
靠。根据所采用模型的不同管式反应器又可分为积元,所含的流体通道当量直径小于500m,反应器
分式和微分式,微分式反应器内各物质浓度和反应填装的催化剂颗粒较少,粒径也较小,因此传热传质
速率不随时间和空间变化,积分式反应器内各物质速率很高。 Chunshe Cao等在微通道反应器中考察
浓度和反应速率随时间或空间变化;两者结构上并Pd/ZnO催化剂的反应动力学时发现,在较大工作
无原则的差别,只体现了方法论意义上的区别,实验温度范围(160~310C)内反应器温差小于1K?,为
般都采用积分式连续操作管式反应器,反应器出MSR的进行提供了一个等温环境。 Ashish V.
口甲醇的转化率较高。采用管式反应器,MSR强吸 Pattekar等设计的微反应器通道深200~400pm,
热反应造成的催化剂床层“冷点”,将在反应物进口宽1000m;在通道出口有采用DRIF方法制作的
处出现一个降温区域;研究表明缩小反应器管径可催化剂过滤裝置,过滤装置的平行翅片厚80m,其
以增加反应器的传热效果,而且催化剂活性也较高。间隙为20pm,可容流体通过(图1);反应器采用商
例如在直径为4.1mm的反应器中温度差达到业Cu/ZnO置换催化剂,粒径50~70gm。实验表
40K;而当直径为1mm时,由于传热性能有所改明这种反应器的甲醇转化率为80%~90%,所制取
善,温差可减小到22K,不过效果不够理想,而且直氢气的流量可以供8~10W燃料电池用。在其以
径太小催化剂填装将会很困难?,但其结果暗示了后研制的径向流动固定床微反应器也可以视为一种
微通道反应器的优势。为加速催化剂的筛选,可以微通道反应器;这种反应器通过径向流动设计可以
在一组管式反应器中对不同种类和不同量的催化剂使得驱动压力下降一个数量级,同时维持微反应器
进行平行测试。管式反应器的优点是结构简单,加的紧凑设计,并且转化率大于98%,足够20W燃料
工方便,催化剂的填装和更换容易;缺点是换热能力电池用。这一微反应器成功研制,使移动供能装置
较差,对强吸热的MSR制氢过程不适用。R.Pe-的能量存储能力比现在的电池技术高10倍的。典
ters等采用直径相同但催化剂装载量不同的4个管型的微通道反应装置见图1。
式反应器进行实验,发现催化剂床层前端有50K的
温差,45%的