1 kW SOFC-CHP系統(tǒng)用催化燃燒耦合蒸汽重整反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)研究

張莉，邢耀華，鐘杰，徐宏，曹軍(華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237)

1 kW SOFC-CHP系統(tǒng)用催化燃燒耦合蒸汽重整反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)研究

張莉，邢耀華，鐘杰，徐宏，曹軍
(華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237)

摘要：針對(duì)1 kW固體氧化物燃料電池?zé)犭娐?lián)供(SOFC-CHP)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了集成催化燃燒、換熱及蒸汽重整的反應(yīng)器，搭建了性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)，系統(tǒng)研究了燃燒側(cè)氣體組分及工藝參數(shù)對(duì)該反應(yīng)器性能的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在反應(yīng)器燃燒側(cè)氣體入口溫度為300℃、空燃比為10:1、電堆燃料利用率為65%、水碳比為3的條件下，重整側(cè)轉(zhuǎn)化率達(dá)到73.6%，重整尾氣中H2含量為67.5%。電堆燃料利用率對(duì)重整反應(yīng)轉(zhuǎn)化效率影響較大，其值大于80%時(shí)，采用尾氣燃燒的余熱回收方式無(wú)法有效為蒸汽重整提供所需熱量。在150～350℃范圍內(nèi)，降低燃燒側(cè)氣體入口溫度對(duì)重整反應(yīng)效率影響較小，建議采用尾氣先換熱再進(jìn)行催化燃燒的流程設(shè)計(jì)，保證重整效率的前提下可有效提升系統(tǒng)熱效率?？杖急鹊慕档涂尚》忍嵘卣?，在保證電堆反應(yīng)溫度穩(wěn)定的前提下，適當(dāng)降低空燃比可減少空氣壓縮機(jī)的功耗，從而提升整個(gè)系統(tǒng)的效率。研究成果對(duì)SOFC-CHP系統(tǒng)的優(yōu)化和整體效率提升具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：催化燃燒；蒸汽重整；反應(yīng)器；熱電聯(lián)供；傳熱；燃料電池

2015-06-15收到初稿，2015-11-09收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者：張莉 (1978—), 女，博士，教授。

Received date: 2015-06-15.

引　言

燃料電池是一種直接將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。因其燃料來(lái)源廣、發(fā)電效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為是21世紀(jì)一種高效的發(fā)電技術(shù)[1-3]。固體氧化物燃料電池(SOFC)電堆排放尾氣溫度高、無(wú)污染，可作為熱源供給熱電聯(lián)供(CHP)系統(tǒng)的其他部分使用，從而有效提升整個(gè)系統(tǒng)的能量利用率[4]。

回收SOFC電堆尾氣進(jìn)行催化燃燒，為強(qiáng)吸熱的蒸汽重整提供熱量，可有效提高固體氧化物燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)(SOFC-CHP)的效率。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)將兩反應(yīng)耦合的反應(yīng)器進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究[5-20]。Ramaswamy等[5]針對(duì)固定床耦合反應(yīng)器建立了一維模型，進(jìn)行了吸放熱反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬，并得到吸放熱反應(yīng)熱量匹配時(shí)的初始條件和邊界條件。Wang等[6]對(duì)單通道換熱耦合微反應(yīng)器進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，指出燃燒側(cè)氣體流速對(duì)甲烷轉(zhuǎn)化率影響較大。Lee等[7]制造出一種催化燃燒耦合蒸汽重整的微通道反應(yīng)器，實(shí)驗(yàn)得到了重整效率最高時(shí)的工藝參數(shù)。Ryi等[8]設(shè)計(jì)并制造了一種利用氫氣催化燃燒耦合蒸汽重整的微反應(yīng)器，研究發(fā)現(xiàn)重整溫度是影響重整轉(zhuǎn)化效率的重要因素。漆波等[9]建立了二維穩(wěn)態(tài)組分傳輸反應(yīng)的耦合模型，指出催化燃燒速度極快，在通道進(jìn)口處基本反應(yīng)完全。梅紅[10]設(shè)計(jì)了一種甲烷催化燃燒耦合蒸汽重整的金屬基套管式催化反應(yīng)器，研究了燃燒與重整側(cè)氣體流速比、兩側(cè)氣體進(jìn)口溫度對(duì)重整反應(yīng)的影響，匹配優(yōu)化獲得了最佳的操作條件。以上研究中，許多學(xué)者僅進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，少量的實(shí)驗(yàn)研究采用甲烷或氫氣作為燃料提供熱量，而不是采用電堆尾氣燃燒作為熱源。同時(shí)也缺乏整個(gè)SOFC-CHP系統(tǒng)參數(shù)的變化對(duì)耦合反應(yīng)器的影響研究。

本文研發(fā)出匹配1 kW SOFC電堆的催化燃燒與重整耦合板式反應(yīng)器，設(shè)計(jì)搭建了性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)，以SOFC陽(yáng)極尾氣為燃料，研究電堆燃料利用率、催化燃燒側(cè)氣體入口溫度、空燃比等SOFC-CHP系統(tǒng)參數(shù)對(duì)反應(yīng)器性能的影響規(guī)律，為耦合反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和SOFC-CHP系統(tǒng)能量利用率的提升提供了依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的催化燃燒與蒸汽重整耦合反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。反應(yīng)器由上下兩個(gè)通道、兩個(gè)蓋板組成，上下兩個(gè)通道內(nèi)分別填充燃燒和重整催化劑。匹配1 kW電堆約700 W的換熱量需求，設(shè)計(jì)換熱面積為0.05 m2（中間隔板壁厚2 mm），取槽寬100 mm，槽長(zhǎng)500 mm。催化燃燒催化劑的空速通常取10000 h?1，設(shè)計(jì)催化劑的堆疊體積為0.75 L，燃燒側(cè)槽深設(shè)計(jì)為15 mm。蒸汽重整催化劑的空速通常為500～2000 h?1，設(shè)計(jì)催化劑的堆疊體積為1.5 L，重整側(cè)槽深設(shè)計(jì)為30 mm。在反應(yīng)器的兩側(cè)每隔80 mm設(shè)置一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，布置12個(gè)K型鎧裝熱電偶，用于測(cè)量反應(yīng)器中兩個(gè)通道沿氣流方向的溫度分布。

圖1　催化燃燒耦合蒸汽重整反應(yīng)器結(jié)構(gòu)Fig.1　Schematic diagram of structure of coupled reactor with catalytic combustor and steam reformer

實(shí)驗(yàn)中使用成熟的商用催化劑。燃燒側(cè)選用蘭州中科凱迪化工新技術(shù)有限公司的催化劑，可高效催化燃燒甲烷、一氧化碳和氫氣等氣體，形狀為球形顆粒，有效活性組分為Pd。重整側(cè)選用山東齊魯科力化工研究院有限公司生產(chǎn)的Z413Q烴類(lèi)蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑，形狀為多孔柱狀，有效活性組分為Ni。

設(shè)計(jì)的反應(yīng)器性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。主要包括氣體供應(yīng)子系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生子系統(tǒng)、氣體預(yù)熱子系統(tǒng)、反應(yīng)器、冷凝子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分析子系統(tǒng)。

圖2　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2　Schematic diagram of experimental system1—data logger; 2—reactor; 3—computer; 4—condenser; 5—gas-liquid separator; 6—tank; 7—precision pump; 8—evaporator; 9—temperature controller for evaporator; 10—temperature controller for electric heater; 11—electric heater

1.2實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)是以1 kW的SOFC-CHP系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，為更有效地評(píng)價(jià)耦合反應(yīng)器的性能，排除SOFC-CHP系統(tǒng)波動(dòng)的影響，燃燒側(cè)的相關(guān)參數(shù)根據(jù)1 kW電堆實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的溫度，實(shí)測(cè)得到的陽(yáng)極尾氣組分及流量設(shè)定，空氣流量依據(jù)陰極尾氣流量確定，其值隨電堆燃料利用率Uf等參數(shù)的變化而改變。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)變化見(jiàn)表1。電堆反應(yīng)溫度為750℃，壓力為0.105 MPa。實(shí)驗(yàn)的初始條件：燃燒氣體入口溫度為300℃；空燃比為10:1；電堆燃料利用率為65%；水碳比為3。同時(shí)維持蒸汽發(fā)生器的出口溫度為230℃，蒸汽甲烷混合氣預(yù)熱溫度為300℃，氣體入口壓力為0.105 MPa。系統(tǒng)中控制氣體（甲烷、氫氣、氮?dú)?、空氣）流量所采用的質(zhì)量流量計(jì)的控制精度為±1%FS；熱電偶測(cè)量精度為±1.5℃；高壓輸液泵控制精度為±0.5%。目前研究中所改變的3個(gè)主要參數(shù)為電堆燃料利用率（Uf）、催化燃燒氣體入口溫度（Tin）、系統(tǒng)的空燃比（λ）。

表1　實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tabel 1　Experimental parameters

1.3實(shí)驗(yàn)步驟

首先通入一定量的N2，排出整個(gè)系統(tǒng)中的空氣。開(kāi)啟空氣壓縮機(jī)，調(diào)節(jié)空氣流量，開(kāi)啟燃燒側(cè)預(yù)熱器，使整個(gè)反應(yīng)器緩慢升溫。同時(shí)開(kāi)啟冷卻水，保證尾氣排放的安全性。在反應(yīng)器燃燒側(cè)溫度達(dá)到200℃左右時(shí)，開(kāi)啟H2鋼瓶，調(diào)節(jié)H2流量，隨著溫度升高，逐漸增加H2的流量。待重整側(cè)溫度升至500℃以上，開(kāi)啟重整氣體入口閥門(mén)，通入一定量的H2還原催化劑。還原2～3 h之后，開(kāi)啟燃燒側(cè)其他氣體閥門(mén)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)節(jié)流量，配比合適的燃燒尾氣，進(jìn)行催化燃燒。重整側(cè)催化劑還原完成之后，關(guān)閉H2，開(kāi)啟CH4，設(shè)定需要的流量，開(kāi)啟高壓水泵，設(shè)定水的流量，同時(shí)開(kāi)啟汽化器，將水完全汽化，并與CH4混合進(jìn)入重整側(cè)預(yù)熱器預(yù)熱。采用氣相色譜儀對(duì)重整產(chǎn)物進(jìn)行在線分析。

2　結(jié)果與討論

2.1反應(yīng)器性能評(píng)價(jià)

為測(cè)試耦合反應(yīng)器的性能，在初始條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到甲烷轉(zhuǎn)化率及尾氣中氫氣含量分別為73.6%和67.5%。彭昂[11]設(shè)計(jì)出千瓦級(jí)燃料電池系統(tǒng)中的集成式重整制氫反應(yīng)器，該圓柱體固定床反應(yīng)器采用液化石油氣作為燃料在環(huán)隙內(nèi)燃燒為內(nèi)管中重整反應(yīng)供熱。與本文所設(shè)計(jì)的耦合反應(yīng)器均為316不銹鋼材質(zhì)，并且內(nèi)部填充與本實(shí)驗(yàn)相同的蒸汽重整催化劑，得到甲烷最高轉(zhuǎn)化率為60%，尾氣中氫氣最高濃度為70%。與本文在初始條件下得到的重整效果相差不大，證明板式耦合反應(yīng)器性能較好。另外，本實(shí)驗(yàn)采用1 kW電堆尾氣燃燒作為熱源，在保證重整效率的前提下，可進(jìn)一步提高SOFC-CHP系統(tǒng)的能量利用率。

2.2燃燒側(cè)氣體組分及反應(yīng)參數(shù)對(duì)反應(yīng)器性能的影響規(guī)律

2.2.1電堆Uf的影響為研究電堆Uf對(duì)反應(yīng)器以及重整轉(zhuǎn)化率的影響，選取電堆Uf為50%～90%之間的電堆尾氣，每隔5%選取一組實(shí)驗(yàn)值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3　電堆Uf對(duì)反應(yīng)器溫度的影響Fig.3　Effect of Ufon reactor temperature

圖4　電堆Uf對(duì)重整產(chǎn)物濃度的影響Fig.4　Effect of Ufon concentration of reforming products

隨著電堆Uf的增加，反應(yīng)器的整體溫度呈下降趨勢(shì)。當(dāng)Uf從50%升至90%時(shí)，燃燒側(cè)的最高溫度從1014.1℃降至448.7℃，這是由于電堆尾氣中可燃?xì)怏w濃度下降導(dǎo)致燃燒釋放的熱量減少。而重整側(cè)的溫度也相應(yīng)下降，最高溫度從778.5℃降至328.4℃，燃燒側(cè)所能提供熱量的下降直接導(dǎo)致了重整側(cè)溫度的降低。隨著電堆Uf的增加，重整尾氣中CH4的含量從2.6%升至89.8%，而H2的含量則從73.5%降至7.6%。特別當(dāng)電堆Uf高于80%之后，這種變化趨勢(shì)更為明顯。

結(jié)果表明當(dāng)電堆Uf大于80%時(shí)，采用尾氣燃燒的余熱回收方式無(wú)法有效地給蒸汽重整提供所需的熱量。此時(shí)由于電堆發(fā)電過(guò)程放熱明顯，尾氣溫度較高，因此建議電堆Uf大于80%時(shí)通過(guò)將高溫尾氣與燃料氣或空氣直接換熱的方式進(jìn)行余熱回收。

2.2.2燃燒側(cè)氣體入口溫度的影響尾氣燃燒SOFC-CHP系統(tǒng)流程模擬結(jié)果表明，當(dāng)電堆溫度為750℃時(shí)，陽(yáng)極尾氣與空氣換熱后得到的溫度約為297.6℃。因此取300℃為初始燃燒氣體入口溫度，并以50℃的差值在150～350℃范圍內(nèi)取實(shí)驗(yàn)輸入條件。溫度變化的趨勢(shì)。圖6為重整尾氣中各組分濃度隨燃燒氣體入口溫度變化的趨勢(shì)。燃燒側(cè)氣體在通道入口處溫度瞬間提升到800℃以上，且沿氣流方向逐漸下降，說(shuō)明催化燃燒反應(yīng)速率很快，在燃燒側(cè)入口處基本燃燒完全。隨著燃燒氣體入口溫度的上升，重整尾氣中的H2含量從66.2%升至68.7%，而CH4含量從13.4%降至6.2%。說(shuō)明有更多CH4參加了反應(yīng)。

圖5為反應(yīng)器溫度沿氣流方向隨燃燒氣體入口

圖5　反應(yīng)器溫度隨燃燒氣體入口溫度變化的趨勢(shì)Fig.5　Tinvaried with reactor temperature

圖6　重整產(chǎn)物濃度隨燃燒氣體入口溫度變化的趨勢(shì)Fig.6　Tinvaried with concentration of reforming products

在150～350℃范圍內(nèi)，降低燃燒側(cè)氣體入口溫度，CH4的轉(zhuǎn)化效率有所降低，但幅度較小。因此建議將電堆尾氣分別和空氣、CH4換熱后再進(jìn)行催化燃燒，在保證重整效率的前提下，可有效提升整個(gè)系統(tǒng)的熱效率。

2.2.3空燃比的影響為研究空燃比對(duì)重整過(guò)程的影響，在空燃比10:1的基礎(chǔ)上，分別選取8:1、9:1、10:1、11:1和12:1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所示。

由圖7可知，隨著空燃比的增加，燃燒側(cè)的最高溫度下降，但沿氣流方向的溫度下降趨勢(shì)減小，導(dǎo)致燃燒側(cè)最低溫度反而上升。此外，還可以發(fā)現(xiàn)，空燃比的增加導(dǎo)致燃燒側(cè)測(cè)溫點(diǎn)2處的溫度急劇升高，這與測(cè)溫點(diǎn)1處的變化正好相反。說(shuō)明了由于空速的增加，導(dǎo)致完全催化燃燒的位置向后偏移。而重整側(cè)的溫度變化情況與燃燒側(cè)相似?？杖急仍礁撸ㄟ^(guò)排放尾氣帶走的熱量也越多，這在一定程度上影響了重整側(cè)的熱量吸收。由圖8可知，隨著空燃比的增加，重整尾氣中的H2含量從67.6%降至66.3%，而CH4含量從7.4%升至10.4%，重整效率受到了一定程度的影響?？杖急鹊慕档涂尚》忍岣咧卣?，在保證電堆反應(yīng)溫度穩(wěn)定的前提下，適當(dāng)降低空燃比可減少空氣壓縮機(jī)的功耗，從而提升整個(gè)系統(tǒng)的效率。

圖7　空燃比對(duì)反應(yīng)器溫度的影響Fig.7　Effect of λ on reactor temperature

圖8　空燃比對(duì)重整產(chǎn)物濃度的影響Fig.8　Effect of λ on concentration of reforming products

3　結(jié)　論

針對(duì)1 kW固體氧化物燃料電池?zé)犭娐?lián)供(SOFC-CHP)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了集成催化燃燒、換熱及蒸汽重整的反應(yīng)器，搭建了性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)。以1 kW SOFC電堆陽(yáng)極尾氣作為燃料，系統(tǒng)研究了燃燒側(cè)氣體組分及工藝參數(shù)對(duì)該反應(yīng)器性能的影響規(guī)律，得到如下主要結(jié)論。

（1）設(shè)計(jì)的板式耦合反應(yīng)器能夠有效匹配1 kW 的SOFC-CHP系統(tǒng)中的催化燃燒和蒸汽重整反應(yīng)。在反應(yīng)器燃燒側(cè)氣體入口溫度為300℃、空燃比為10:1、電堆燃料利用率為65%、水碳比為3:1的條件下，重整側(cè)轉(zhuǎn)化率達(dá)到73.6%，重整尾氣中H2含量為67.5%。

（2）與空燃比及燃燒側(cè)氣體入口溫度相比，電堆Uf的變化對(duì)重整反應(yīng)效率影響最大，降低電堆Uf有利于重整反應(yīng)的進(jìn)行。當(dāng)電堆Uf大于80%后，尾氣催化燃燒無(wú)法有效為蒸汽重整提供所需熱量，建議利用高溫尾氣與燃料氣或空氣直接換熱的方式進(jìn)行余熱回收。

（3）在150～350℃范圍內(nèi)，燃燒側(cè)氣體入口溫度對(duì)重整過(guò)程甲烷轉(zhuǎn)化效率影響較小。通過(guò)換熱適當(dāng)降低燃料氣體入口溫度可提升整個(gè)系統(tǒng)的能量利用率。

（4）空燃比的降低有助于提升重整轉(zhuǎn)化效率。在保證電堆反應(yīng)溫度穩(wěn)定、散熱量好的前提下，適當(dāng)降低空燃比可減少空氣壓縮機(jī)的功耗，從而可提升整個(gè)系統(tǒng)的效率。

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DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20150926

中圖分類(lèi)號(hào)：TK 11+4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0438—1157（2016）02—0557—06

基金項(xiàng)目：中國(guó)石化科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目支持。

Corresponding author:Prof. ZHANG Li, lzhang@ecust.edu.cn supported by the China Petrochemical Science and Technology Exploitation Project.

Experimental study on reactor integrating catalytic combustion and steam reforming for 1 kW SOFC-CHP

ZHANG Li, XING Yaohua, ZHONG Jie, XU Hong, CAO Jun
(State Key Laboratory of Chemical Engineering, School of Mechanical and Power Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

Abstract:A reactor integrating catalytic combustion, heat exchange and steam reforming was developed for a 1 kW solid oxide fuel cell-combined heating and power system (SOFC-CHP). Experiments were carried out to investigate the effect of combustion gas components and process parameters on properties of the reactor. The results showed that methane conversion rate was 73.6% and hydrogen concentration in the exhaust gas was 67.5% under operating conditions at the inlet temperature of combustion gas of 300℃, air-fuel ratio of 10:1, fuel utilization of stacks of 65% and water-carbon ratio of 3:1. Fuel utilization of the SOFC stacks had significant effect on methane conversion. Waste heat recovery from the exhaust gas combustion cannot provide enough heat for methane steam reforming when the fuel utilization was greater than 80%. Reduction of the inlet temperature of combustion gas had slight effect on methane conversion in the range of 150—350℃. Thus, it was recommended that the heat exchange can be firstly conducted before catalytic combustion to improve heat efficiency without obvious change to reforming reaction efficiency. Reduction of air-fuel ratio under the premise of ensuring theefficiency of reforming can decrease power consumption of the compressor and increase the system efficiency. This achievements can provide guidance to the increase of the whole system efficiency and optimum design of SOFC-CHP.

Key words:catalytic combustion; steam reforming; reactor; combined heating and power; heat transfer; fuel cells