李鵬蕾，陳林根，夏少軍，張磊，王超，馮輝君

基于熔融鹽加熱的甲烷蒸汽重整制氫反應(yīng)器的熵產(chǎn)生率和氫氣產(chǎn)率分析

李鵬蕾1，陳林根2,3*，夏少軍2,3，張磊1，王超1，馮輝君2,3

（1．海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北省 武漢市 430033；2．武漢工程大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程研究所，湖北省 武漢市 430205；3．武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北省 武漢市 430205）

太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能能夠有效解決太陽能時(shí)間和空間分布不均的問題。在工業(yè)甲烷蒸汽重整反應(yīng)器模型的基礎(chǔ)上，利用有限時(shí)間熱力學(xué)理論建立了基于熔融鹽加熱的甲烷蒸汽重整反應(yīng)器(steam methane reforming reactor heated by molten salt，MS-SMRR)模型，得到了MS-SMRR的設(shè)計(jì)參數(shù)，并分析了MS-SMRR的幾何參數(shù)和操作參數(shù)對(duì)氫氣產(chǎn)率和總熵產(chǎn)生率的影響規(guī)律。結(jié)果表明：在氫氣產(chǎn)率一定時(shí)，逆流參考反應(yīng)器比順流參考反應(yīng)器的總熵產(chǎn)生率低，且消耗的熔融鹽少；增大熔融鹽進(jìn)口溫度和減小反應(yīng)混合物進(jìn)口壓力能夠顯著提高M(jìn)S-SMRR的氫氣產(chǎn)率。研究結(jié)果對(duì)實(shí)際MS-SMRR的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的理論指導(dǎo)意義。

熱化學(xué)儲(chǔ)能；甲烷蒸汽重整反應(yīng)器；熔融鹽；熵產(chǎn)生率；氫氣產(chǎn)率；有限時(shí)間熱力學(xué)

0 引言

綠色、清潔、可再生的太陽能能夠有效應(yīng)對(duì)化石能源短缺和環(huán)境污染加劇等問題，但它也存在著穩(wěn)定性差、時(shí)間和空間分布不均的缺點(diǎn)[1-6]。熱化學(xué)儲(chǔ)能能夠有效解決太陽能時(shí)間分布不均的問題[7-11]。其中，利用甲烷蒸汽重整(steam methane reforming，SMR)反應(yīng)和CO2加氫合成甲醇反應(yīng)能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)化為甲醇的化學(xué)能[1,12]。在該過程中，利用SMR反應(yīng)高效地合成氫氣具有重要的意義。

SMR反應(yīng)是高溫強(qiáng)吸熱反應(yīng)，在傳統(tǒng)的SMR制氫過程中，天然氣一般既作為反應(yīng)物參與反應(yīng)，又作為燃料為反應(yīng)提供熱量。其中燃燒過程所消耗的能量占總能量的52%~68%[13]。為了降低天然氣的消耗量和溫室氣體CO2的排放量，本文考慮以太陽能加熱的熔融鹽[14-15]作為載熱體為反應(yīng)器提供熱量[16-18]。太陽能SMR制氫流程主要由太陽能聚合儲(chǔ)能設(shè)備和SMR制氫模塊2部分組成。太陽能聚合儲(chǔ)能設(shè)備將加熱的高溫態(tài)熔融鹽存儲(chǔ)在熱存儲(chǔ)罐中，熱存儲(chǔ)罐中的熔融鹽由泵抽入SMR制氫模塊，為反應(yīng)器提供熱量，再經(jīng)過一系列其他過程后，低溫態(tài)的熔融鹽回到冷存儲(chǔ)罐中，冷存儲(chǔ)罐中的熔融鹽經(jīng)過太陽能接收器吸收熱量后又回到熱存儲(chǔ)罐中[16]。

相對(duì)于“開源”，利用熱力學(xué)的分析方法提高SMR反應(yīng)器的效率也可以降低成本。對(duì)SMR反應(yīng)器的熱力學(xué)研究可分為“能”分析[13,19-21]、“熵”分析[22]和“?”分析[23-26]。以上分析都是基于平衡狀態(tài)或可逆過程，然而，SMR反應(yīng)器中的化學(xué)反應(yīng)過程、反應(yīng)混合物在轉(zhuǎn)化管內(nèi)的流動(dòng)過程以及熔融鹽與反應(yīng)混合氣之間的傳熱過程均為不可逆過程。因此，采用以上分析方法得到的結(jié)果與真實(shí)結(jié)果相比必然有較大的差距。有限時(shí)間熱力學(xué)[27-39]作為現(xiàn)代熱力學(xué)理論的一個(gè)新分支(工程界也稱為“熵產(chǎn)最小化”理論[40-44])，通過將熱力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等傳輸科學(xué)的基礎(chǔ)理論相結(jié)合，利用最優(yōu)控制理論等方法研究各種不可逆過程，能有效彌補(bǔ)經(jīng)典熱力學(xué)在解決不可逆過程性能優(yōu)化問題上的不足。

工業(yè)反應(yīng)器的基本性能指標(biāo)是反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)物的產(chǎn)率。不少學(xué)者以反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率最大或產(chǎn)物的產(chǎn)率最大為目標(biāo)，優(yōu)化了合成氨反應(yīng)器[45]、SMR反應(yīng)器[46-49]和硫酸(H2SO4)分解反應(yīng)器[50]等。熵產(chǎn)分析和熵產(chǎn)生最小化是改善或優(yōu)化工程系統(tǒng)熱力學(xué)性能的有效工具。根據(jù)Gouy-Stodola理論可知，不可逆過程損失功等于環(huán)境溫度與過程熵產(chǎn)的乘積。因此，以熵產(chǎn)生最小化為目標(biāo)能夠有效提高能量的利用效率。在研究穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)時(shí)，一般以熵產(chǎn)生率(entropy generation rate，EGR)最小為優(yōu)化目標(biāo)。Kjelstrup的團(tuán)隊(duì)[51-55]以EGR最小為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化了CO2加氫合成CH3OH反應(yīng)器[51]、合成氨反應(yīng)器[52]、SO2氧化反應(yīng)器[53]和SMR反應(yīng)器[54-55]的性能。陳林根的團(tuán)隊(duì)[56-61]以EGR最小為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化了SMR反應(yīng)器[56-57]、逆水氣變換反應(yīng)器[58]、CO2加氫合成CH3OH反應(yīng)器[59]和CO2加氫合成低碳烯烴反應(yīng)器[60]的性能，并分析了CO2加氫合成低碳烯烴反應(yīng)器的比熵產(chǎn)率(總EGR/氫氣產(chǎn)率)性能[61]。

Giaconia等[16]提出了3種基于熔融鹽加熱的甲烷蒸汽重整反應(yīng)器(SMR reactor heated by molten salt，MS-SMRR)制氫的流程，利用AspenPlus仿真軟件對(duì)各流程進(jìn)行了分析。Piemonte等[17]利用LCA軟件(Simapro7)對(duì)MS-SMRR制備Hythane?的設(shè)備進(jìn)行了生命周期評(píng)估。Falco等[18]建立了二維MS-SMRR模型，分析了空速、反應(yīng)器長(zhǎng)度和反應(yīng)混合物進(jìn)口溫度對(duì)甲烷轉(zhuǎn)化率的影響。以上MS-SMRR的研究主要關(guān)注MS-SMRR制氫或氫烷(Hythane?)的流程和甲烷的轉(zhuǎn)化率，未考慮反應(yīng)器中的幾何參數(shù)和操作參數(shù)對(duì)反應(yīng)器總EGR的影響規(guī)律。為此，在工業(yè)SMR反應(yīng)器模型[49,55,62]的基礎(chǔ)上，考慮催化劑顆粒模型和傳熱模型，建立一維MS-SMRR模型，研究熔融鹽的流動(dòng)布置方式、反應(yīng)器的幾何參數(shù)和操作參數(shù)對(duì)氫氣產(chǎn)率、甲烷轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)器總EGR的影響規(guī)律，最后得到MS-SMRR的簡(jiǎn)化模型，為MS-SMRR進(jìn)一步優(yōu)化做準(zhǔn)備。

1 MS-SMRR模型

1.1 模型描述及假設(shè)

SMR反應(yīng)器在600~900 K、1.5~4.0 MPa的條件下進(jìn)行反應(yīng)。Xu等[63-64]研究了SMR反應(yīng)機(jī)理，給出了發(fā)生在催化劑表面的3個(gè)主要反應(yīng)：

太陽能SMR制氫流程如圖1所示，數(shù)根充滿了催化劑的轉(zhuǎn)化管垂直布置在轉(zhuǎn)化爐內(nèi)。由太陽能加熱的熔融鹽源源不斷地流入轉(zhuǎn)化爐，對(duì)轉(zhuǎn)化管內(nèi)的反應(yīng)混合物進(jìn)行加熱。為簡(jiǎn)化問題，本文取其中一根轉(zhuǎn)化管為研究對(duì)象，建立一維擬均相換熱式活塞流反應(yīng)器模型，如圖2所示。該反應(yīng)器由2個(gè)同心套管組成，其中外套管為環(huán)狀加熱管，內(nèi)套管為轉(zhuǎn)化管。環(huán)狀加熱管內(nèi)的高溫熔融鹽通過轉(zhuǎn)化管的管壁為轉(zhuǎn)化管內(nèi)的反應(yīng)混合物提供熱量，在適宜的溫度條件下，SMR反應(yīng)在轉(zhuǎn)化管內(nèi)的催化劑表面上進(jìn)行。當(dāng)熔融鹽的流動(dòng)方向與反應(yīng)混合物流動(dòng)方向一致時(shí)，稱為順流反應(yīng)器；當(dāng)熔融鹽的流動(dòng)方向與反應(yīng)混合物流動(dòng)方向相反時(shí)，稱為逆流反應(yīng)器。

圖1 太陽能SMR制氫流程圖

圖2 一維擬均相活塞流反應(yīng)器模型

在化學(xué)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)中，合理的模型假設(shè)和參數(shù)取值能夠在不影響結(jié)果的前提下提高計(jì)算效率。本文對(duì)轉(zhuǎn)化管模型作以下假設(shè)：1）反應(yīng)在穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行[62]；2）反應(yīng)混合物在軸向上無返混，在徑向上混合均勻[62]；3）忽略催化劑顆粒和反應(yīng)混合氣之間的溫度梯度和濃度梯度[62]；4）忽略轉(zhuǎn)化管內(nèi)的積碳問題[46,63-64]；5）將混合氣體視為理想氣體[62]。

對(duì)環(huán)狀加熱管作以下假設(shè)：1）忽略徑向的溫度和濃度梯度[55]；2）忽略軸向的壓降損失[55]。

對(duì)催化劑顆粒作以下假設(shè)：1）忽略催化劑顆粒內(nèi)的溫度梯度[55]；2）催化劑為球形顆粒[64]。

表1為工業(yè)SMR反應(yīng)器的幾何參數(shù)、操作參數(shù)和催化劑的物理參數(shù)[62,64]。本文的順流參考反應(yīng)器和逆流參考反應(yīng)器數(shù)據(jù)均按照表1取值。

表1 工業(yè)SMR反應(yīng)器參數(shù)

1.2 轉(zhuǎn)化管模型

反應(yīng)混合物的軸向溫度變化由能量守恒方程描述[62]：

反應(yīng)混合物在轉(zhuǎn)化管內(nèi)的壓降由Hicks方程給出[66]：

摩爾數(shù)守恒方程為：

1.3 環(huán)狀加熱管模型

1.4 傳熱模型

轉(zhuǎn)化管外壁上的能量守恒方程[68]為

反應(yīng)混合物和轉(zhuǎn)化管內(nèi)壁間的總傳熱系數(shù)[62]表示為

轉(zhuǎn)化管內(nèi)壁上的能量守恒方程[68]為

通過轉(zhuǎn)化管內(nèi)壁的熱流密度[68]為

1.5 催化劑顆粒模型

內(nèi)擴(kuò)散有效因子定義[48,59,70]為

由組分平衡得到催化劑顆粒內(nèi)部各組分的分壓[48,59]：

組分平衡方程的邊界條件為：

1.6 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型

反應(yīng)(1)—(3)的化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)[63-64]為

反應(yīng)(1)—(3)的化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)[63-64]為：

各組分的吸附常數(shù)[63-64]為

1.7 反應(yīng)器的熵產(chǎn)生率

EGR表征了系統(tǒng)的不可逆性，由非平衡熱力學(xué)理論可知，系統(tǒng)內(nèi)的總EGR等于系統(tǒng)內(nèi)所有不可逆過程的“流”和“力”的乘積之和[71-72]。反應(yīng)器的局部總EGR為

表2給出了以上不可逆過程的局部EGR的表達(dá)式。系統(tǒng)的總EGR表示為

表2 系統(tǒng)內(nèi)主要不可逆過程的局部EGR

2 參考反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)值解法

本文的數(shù)學(xué)模型包含了8個(gè)一階常微分方程、1個(gè)二階常微分方程和多個(gè)代數(shù)方程。由于方程數(shù)量多且相互之間都有關(guān)聯(lián)，無法得到解析解，因此，需要對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值求解。順流和逆流參考反應(yīng)器模型的求解分別屬于常微分方程組的初值和邊值問題；催化劑顆粒模型的求解屬于二階微分方程組的邊值問題；傳熱模型中能量守恒方程的求解屬于非線性方程組求解問題。

常微分方程組初值問題采用四階龍格庫塔法求解；常微分方程組的邊值問題首先采用打靶法將其轉(zhuǎn)化為常微分方程組的初值問題，再用四階龍格庫塔法求解。微分方程組的兩點(diǎn)邊值問題直接采用MATLAB 的 bvp4c求解器進(jìn)行求解；非線型方程組采用fsolve進(jìn)行求解。

2.2 參考反應(yīng)器的數(shù)值計(jì)算

參考反應(yīng)器的設(shè)計(jì)包含了4個(gè)主要步驟：1）確定反應(yīng)器的幾何參數(shù)；2）確定反應(yīng)器內(nèi)除熔融鹽進(jìn)口的摩爾流率之外的其他操作參數(shù)；3）選定催化劑和對(duì)應(yīng)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程；4）在氫氣產(chǎn)率給定的情況下，根據(jù)熔融鹽進(jìn)口的摩爾流率、反應(yīng)器的總EGR、熔融鹽出口溫度和反應(yīng)混合物出口溫度等指標(biāo)，確定熔融鹽最佳的布置方式和熔融鹽進(jìn)口的摩爾流率。圖3—6分別給出了在氫氣產(chǎn)率為1 mol/s時(shí)，順流和逆流參考反應(yīng)器的熱力學(xué)性能。

圖3 順流反應(yīng)器的溫度和傳熱系數(shù)分布

圖4 逆流反應(yīng)器的溫度和傳熱系數(shù)分布

圖5、6分別給出了順流和逆流參考反應(yīng)器中局部EGR和氫氣摩爾流率的沿程變化規(guī)律?？梢姡樍骱湍媪鲄⒖挤磻?yīng)器的局部EGR無顯著差異，在反應(yīng)器進(jìn)口附近，化學(xué)反應(yīng)引起的局部EGR占主導(dǎo)地位，隨著反應(yīng)速率降低，化學(xué)反應(yīng)引起的局部EGR逐漸減小，最終接近于0。在反應(yīng)器進(jìn)口附近，傳熱引起的局部EGR僅次于化學(xué)反應(yīng)引起的局部EGR，隨著熔融鹽和反應(yīng)混合物之間溫差的變化，傳熱引起的局部EGR呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。反應(yīng)混合物在催化劑床層中的黏性流動(dòng)引起的局部EGR沿反應(yīng)器軸向線性增大，這是由于隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)混合物的摩爾流率增大，導(dǎo)致反應(yīng)混合物流速增大，黏性流動(dòng)引起的局部EGR也增大。在氫氣產(chǎn)率固定的約束條件下，順流和逆流參考反應(yīng)器在出口處的氫氣產(chǎn)率是一致的，然而2個(gè)參考反應(yīng)器的氫氣摩爾流率曲線并不完全一致，逆流參考反應(yīng)器的氫氣摩爾流率分布更均勻。

圖5 順流反應(yīng)器的局部EGR和氫氣摩爾流率

圖6 逆流反應(yīng)器的局部EGR和氫氣摩爾流率

表3 順流和逆流參考反應(yīng)器的性能對(duì)比

綜上所述，熔融鹽采取逆流的布置方式，其進(jìn)口的摩爾流率為32 mol/s。

3 參考反應(yīng)器的性能分析

參考反應(yīng)器中不同的幾何參數(shù)和操作參數(shù)對(duì)反應(yīng)器的性能指標(biāo)影響不同。本文將研究熔融鹽進(jìn)口溫度、反應(yīng)混合物進(jìn)口溫度和反應(yīng)混合物進(jìn)口壓力對(duì)反應(yīng)器的氫氣產(chǎn)率和總EGR等的影響規(guī)律。

圖7給出了參考反應(yīng)器的EGR、甲烷轉(zhuǎn)化率、氫氣和一氧化碳產(chǎn)率隨熔融鹽進(jìn)口溫度的變化規(guī)律。由圖7(a)可見，隨著熔融鹽進(jìn)口溫度的增加，黏性流動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)和傳熱引起的EGR均呈線性增加，其中，傳熱引起的EGR的曲線斜率最大，這是因?yàn)殡S著熔融鹽進(jìn)口溫度的增加，熔融鹽為反應(yīng)混合物提供的熱流率增大。由圖7(b)可見，熔融鹽進(jìn)口溫度的增加使反應(yīng)混合物溫度增加，導(dǎo)致吸熱反應(yīng)(1)和(3)的化學(xué)平衡向正向移動(dòng)，從而使甲烷轉(zhuǎn)化率和氫氣產(chǎn)率增大。由于氫氣產(chǎn)率增大，水氣變換反應(yīng)的正向反應(yīng)受到抑制，因此，一氧化碳的產(chǎn)率也隨熔融鹽進(jìn)口溫度的增大而增大。反應(yīng)混合物溫度的升高會(huì)引起化學(xué)反應(yīng)速率增大，使化學(xué)反應(yīng)引起的EGR增大，導(dǎo)致吸熱反應(yīng)(1)和(3)的化學(xué)平衡向正向移動(dòng)，從而造成反應(yīng)混合物的表面流速增大，致使黏性流動(dòng)引起的EGR增大。

圖8給出了參考反應(yīng)器的EGR、甲烷轉(zhuǎn)化率、氫氣和一氧化碳產(chǎn)率隨反應(yīng)混合物進(jìn)口溫度的變化規(guī)律。由圖8 (a)可見，隨著反應(yīng)混合物進(jìn)口溫度的增加，黏性流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)引起的EGR增大，而傳熱引起的EGR則減小，總EGR先減小后增大。由圖8(b)可見，隨著反應(yīng)混合物進(jìn)口溫度的增加，氫氣產(chǎn)率和甲烷轉(zhuǎn)化率均有提高。由圖4、6可知，反應(yīng)混合物進(jìn)口溫度對(duì)反應(yīng)器進(jìn)口部分各不可逆過程的EGR影響較大，同時(shí)，提高反應(yīng)混合物進(jìn)口溫度有利于提高反應(yīng)器進(jìn)口的反應(yīng)速率，進(jìn)而提高氫氣產(chǎn)率。因此，可以通過優(yōu)化反應(yīng)混合物的進(jìn)口溫度降低反應(yīng)器的總EGR，同時(shí)提高氫氣產(chǎn)率。

圖7 參考反應(yīng)器的EGR、甲烷轉(zhuǎn)化率、氫氣和一氧化碳產(chǎn)率隨熔融鹽進(jìn)口溫度的變化規(guī)律

圖9給出了參考反應(yīng)器的EGR、甲烷轉(zhuǎn)化率、氫氣和一氧化碳產(chǎn)率隨反應(yīng)混合物進(jìn)口壓力的變化規(guī)律。由圖9(a)可以看出，隨著反應(yīng)混合物進(jìn)口壓力的增大，黏性流動(dòng)引起的EGR和總EGR減小，傳熱和化學(xué)反應(yīng)引起的EGR變化不大。由圖9(b)可以看出，隨著反應(yīng)混合物進(jìn)口壓力的增大，甲烷轉(zhuǎn)化率、氫氣和一氧化碳產(chǎn)率均減小。根據(jù)勒夏特列原理，壓力增大時(shí)，化學(xué)平衡向壓力減小方向移動(dòng)。對(duì)于反應(yīng)(1)和反應(yīng)(3)，減小壓力有利于其平衡向正向移動(dòng)；對(duì)于反應(yīng)(2)，壓力變化對(duì)其化學(xué)反應(yīng)的平衡無影響。因此，甲烷轉(zhuǎn)化率、氫氣產(chǎn)率、一氧化碳產(chǎn)率和總EGR均隨壓力減小而增大。

圖8 參考反應(yīng)器的EGR、甲烷轉(zhuǎn)化率、氫氣和一氧化碳產(chǎn)率隨反應(yīng)混合物進(jìn)口溫度的變化規(guī)律

由圖7—9可知，增大熔融鹽進(jìn)口溫度和減小反應(yīng)混合物進(jìn)口壓力能夠顯著提高甲烷轉(zhuǎn)化率和氫氣產(chǎn)率；反應(yīng)器的總EGR隨反應(yīng)混合物進(jìn)口溫度的變化有極小值。

4 參考反應(yīng)器的模型簡(jiǎn)化

參考反應(yīng)器的幾何參數(shù)和操作參數(shù)對(duì)其性能有較大的影響，對(duì)參考反應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化具有重要意義。但參考反應(yīng)器的模型內(nèi)包含了復(fù)雜的催化劑顆粒模型，催化劑顆粒模型求解耗時(shí)較長(zhǎng)。在研究反應(yīng)器最優(yōu)性能的過程中，不可避免地會(huì)涉及到循環(huán)迭代，模型的求解耗時(shí)更長(zhǎng)。因此，本文將對(duì)催化劑顆粒模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。

圖10 各反應(yīng)的本征反應(yīng)速率隨反應(yīng)器無量綱軸向坐標(biāo)的變化規(guī)律

圖11 各反應(yīng)的內(nèi)擴(kuò)散有效因子隨反應(yīng)器無量綱軸向坐標(biāo)的變化規(guī)律

表4 內(nèi)擴(kuò)散有效因子對(duì)參考反應(yīng)器關(guān)鍵參數(shù)的影響

5 結(jié)論

利用有限時(shí)間熱力學(xué)理論重點(diǎn)研究了MS-SMRR性能，在傳統(tǒng)SMR反應(yīng)器模型的基礎(chǔ)上考慮了環(huán)狀加熱管、傳熱和催化劑顆粒模型，在氫氣產(chǎn)率最大，以及包含傳熱、壓降和化學(xué)反應(yīng)引起的總EGR最小的目標(biāo)下，得到了參考反應(yīng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)，并分析了MS-SMRR的幾何參數(shù)和操作參數(shù)對(duì)反應(yīng)器的氫氣產(chǎn)率和總EGR的影響規(guī)律。最后，結(jié)合SMR反應(yīng)器的研究，對(duì)MS-SMRR模型中的傳熱模型和催化劑顆粒模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化。結(jié)果表明：

1）在氫氣產(chǎn)率一定時(shí)，逆流參考反應(yīng)器比順流參考反應(yīng)器的總EGR低，且消耗的熔融鹽少；

2）增大熔融鹽進(jìn)口溫度和減小反應(yīng)混合物進(jìn)口壓力能夠顯著提高氫氣產(chǎn)率；

3）反應(yīng)混合物和熔融鹽之間的總換熱系數(shù)沿反應(yīng)器軸向近似為常數(shù)；

研究結(jié)果對(duì)實(shí)際MS-SMRR的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的理論指導(dǎo)意義。

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Entropy Generation Rate and Hydrogen Production Rate Analyses for Steam Methane Reforming Reactor Heated by Molten Salt

LI Penglei1, CHEN Lingen2,3*, XIA Shaojun2,3, ZHANG Lei1, WANG Chao1, FENG Huijun2,3

(1. College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, Hubei Province, China; 2. Institute of Thermal Science and Power Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430205, Hubei Province, China;3. School of Mechanical & Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430205, Hubei Province, China)

Solar thermochemical energy storage can effectively solve the uneven distribution of solar energy in time and space.Based on the model of industrial methane steam reforming reactor, the model of steam methane reforming reactor heated by molten salt (MS-SMRR) was established by using finite time thermodynamics, and the design parameters of MS-SMRRwere obtained. The effects of geometric parameters and operation parameters of MS-SMRR on hydrogen production and total entropy production were analyzed. The results indicate that the total entropy generation rate and the consumption of the molten salt in a counter-flow reference reactor are smaller than those in a parallel-flow reference reactor when the hydrogen production rate is constant. The hydrogen production rate can be enhanced observably by increasing the inlet temperature of the molten salt and decreasing the inlet pressure of the mixture gas. The research results have certain theoretical guiding significance for the optimization design of actual MS-SMRR.

thermochemical energy storage;steam methane reforming reactor; molten salt; entropy generation rate; hydrogen production rate; finite-time thermodynamics

10.12096/j.2096-4528.pgt.19106

TK121

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51606218, 51976235)；湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(2018CFB708)；海軍工程大學(xué)自主立項(xiàng)科研項(xiàng)目(20161504)。

Projected Supported by National Natural Science Foundation of China (51606218, 51976235); Natural Science Foundation of Hubei Province (2018CFB708); Self-topic Project of Naval University of Engineering (20161504).

2019-07-16。

(責(zé)任編輯 尚彩娟)