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多孔介质内甲烷超绝热燃烧制氢联合概率密度模拟3
加工利用与安全环保 天 然 气 工 业 2007 年 8 月
多孔介质内甲烷超绝热燃烧制氢
联合概率密度模拟
李国能 周 昊 钱欣平 陈 静 岑可法( 中国工程院院士)
( “能源清洁利用”国家重点实验室 ·浙江大学)
李国能等. 多孔介质内甲烷超绝热燃烧制氢联合概率密度模拟. 天然气工业 ,2007 ,27 (8) :112114 .
摘 要 为探索甲烷在多孔介质内超绝热燃烧裂解制氢的机理 ,采用计算流体力学与详细化学反应机理相结
ε
合的方法 ,使用标准 k 湍流模型 、联合概率密度函数和一个 20 组分 ,84 步基元反应的详细化学反应机理 ,模拟了
甲烷在直径为 3 mm 的Al O 圆球堆积成的多孔介质内的燃烧 ,模拟结果与试验数据基本吻合 。模拟结果显示 :多
2 3
孔介质内甲烷的燃烧温度比绝热燃烧温度超出数百摄氏度 ,富燃条件下氢气和一氧化碳大量生成 。另外 ,采用的
详细化学反应机理适用于多孔介质内甲烷燃烧时各向异性火焰的数值模拟 。
主题词 多孔介质 甲烷 燃烧 流体力学 自热重整 制氢
采用天然气制氢是 目前化石燃料制氢工艺中最
一 、模拟方法简述
为成熟的 , 以甲烷为原料制备氢气的工艺通常分为 3
大类[ 1] : 甲烷水蒸气重整制氢 、甲烷催化部分氧化制 1. 动力学模型
氢和甲烷自热重整制氢 。 多孔介质内预混气体的流动 ,必须满足连续方
多孔介质内甲烷超绝热制氢属于甲烷 自热重整 程 、动量方程 、能量方程和理想气体方程 。对于堆积
制氢 ,但与传统的甲烷 自热重整制氢方法有很大的 床体 ,在动量方程中需要增加多孔介质引入的阻力 。
不同 ,是一种新的制氢方法 。预混气体在多孔介质 穿透性和内部阻力系数可按以下公式计算 :
2 3
Dp ε
内部产生漩涡 、分流和汇合 ,扰动强烈 ,并迅速地把 ′
α= 2 ( 1)
150 ( ε)
热量以辐射 、对流和导热的形式向周围传递 ,既预热 1 - ′
( ε)
3. 5 1 - ′
了未燃气体 ,又加大了反应区域 ,从而保证了燃烧的 C = (2)
2 3
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