車載醇水液制取富氫氣體燃料可行性研究

孫 騰，繆文俊

（1.欽州學(xué)院，廣西欽州535011：2.重慶長安汽車股份有限公司，重慶400023）

車載醇水液制取富氫氣體燃料可行性研究

孫 騰1，繆文俊2

（1.欽州學(xué)院，廣西欽州535011：2.重慶長安汽車股份有限公司，重慶400023）

在較低溫度下，采取以CeO2為載體，搭載N i-Cu活性組分為醇水液裂解反應(yīng)的催化劑，以提高其制取富氫氣體的轉(zhuǎn)換率和生成氣體中氫氣的選擇率。同時，對醇水液裂解的化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)和能耗進(jìn)行了可行性計(jì)算。最終通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了方案的可行性。

氣體燃料；醇水液；富氫氣體；可行性計(jì)算

人類社會每一次生產(chǎn)力的進(jìn)步，都離不開能源結(jié)構(gòu)上質(zhì)的變化[1-4]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，汽車占有率逐年攀升，預(yù)計(jì)到2020年，我國石油需求總量會大幅增加到5億噸[5]。而石化能源的高排放與高污染所帶來的危機(jī)，促使人們發(fā)展新能源緩解。乙醇裂解制取富氫氣體是一種可持續(xù)、燃燒值高的綠色能源。因此，氫氣作為最具前景的新型清潔能源，世界各大汽車制造商已經(jīng)開展了對氫氣的研究與開發(fā)[6-9]。日本豐田汽車公司設(shè)計(jì)出一款新型以氫氣為燃料的新能源汽車[10]。我國在氫燃料電池汽車上的研發(fā)也付出了很多的努力，北京航空航天大學(xué)汽車工程系對天然氣/氫氣混合燃料發(fā)動機(jī)進(jìn)行了研究，對回收排氣管廢氣進(jìn)行了分析[11]。昆明新能源公司研發(fā)了氫發(fā)生器，利用發(fā)動機(jī)的尾氣余熱催化分解醇水液體以制取富氫氣體[12]。

本文在較低溫度，選取CeO2為載體，搭載Ni-Cu為活性組分為催化劑的情況下，對浙江某能源公司的車載醇水液制取富氫氣體的化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)和能耗的可行性進(jìn)行了計(jì)算以佐證該車載醇水液制取富氫氣體的可行性。

1 車載醇水液裂解的化學(xué)反應(yīng)及其可行性計(jì)算

1.1 化學(xué)反應(yīng)熱計(jì)算

本文以醇水液裂解反應(yīng)在壓力為101.3 kPa，反應(yīng)溫度為523~823 K的條件下進(jìn)行，其主反應(yīng)為：

其計(jì)算部分主要包含：反應(yīng)自由能△GT，起始反應(yīng)溫度T0時的平衡常數(shù)K、焓變△H（J·mol-1）、熵S以及吉布斯自由能變△GT（J·mol-1），其中△GT=△H-T△S計(jì)算獲得。其反應(yīng)在不同溫度下的各參數(shù)計(jì)算數(shù)值以及平衡常數(shù)K值見表1.

反應(yīng)焓變：

由于假設(shè)裂解反應(yīng)前后溫度不變，簡化范特霍夫方程[i]，可獲得式2-8計(jì)算平衡常數(shù)：

其中氣體常數(shù)R=8.314J·mol-1·K-1.

表1 主反應(yīng)相關(guān)常數(shù)計(jì)算值

由表1可知，醇水液裂解制氫過程中焓變△H＞0，熱能Q＜0，吉布斯自由能△G＜0，說明溫度在523~823 K范圍內(nèi)，醇水液裂解主反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行。平衡常數(shù)K值隨溫度的升高而增大，反應(yīng)的醇?xì)溥x擇率和轉(zhuǎn)化率都有所提高，即升高溫度有利于裂解反應(yīng)向正向進(jìn)行。

1.2 醇水液裂解制氫反應(yīng)能耗的可行性計(jì)算

（1）當(dāng)氫氣占?xì)怏w燃料的30%時，醇水液消耗量為：

醇水液裂解的主反應(yīng)為：

C2H5OH+H2O→2H2+CO2+CH4，其中乙醇消耗摩爾數(shù)n乙醇＝1/2nC、n水＝其中

基于理想氣體狀態(tài)方程：

可得噴入的氫氣量：

由醇水液氫化得到的富氫氣體主要為H2、CO2、CH4，可計(jì)算含碳?xì)怏w摩爾數(shù)：

（2）蒸發(fā)過程中的吸熱量

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，取醇水體積比為2誜1的單位質(zhì)量的醇水混合液，計(jì)算其乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為ζ=61.27%，其熱平衡關(guān)系有：

在沸點(diǎn)狀態(tài)下，醇水液由液態(tài)轉(zhuǎn)換成氣態(tài)所吸收的熱量為Q蒸發(fā)：Q過熱表示氣態(tài)乙醇與水蒸氣由沸點(diǎn)升溫到進(jìn)入反應(yīng)階段過程吸收的熱量：

（3）m醇水液的醇水混合液發(fā)生了裂解反應(yīng)時水的質(zhì)量為：

（4）煙氣的能量損失

通過反應(yīng)器后，尾氣所攜帶的能量分為三個部分：醇水液裂解反應(yīng)釋放出能量、通過排氣管道輸送到大氣中、在通過反應(yīng)器外壁時耗散到空氣中。煙氣通過反應(yīng)器過程中，其能量損失表達(dá)式為：

式中，M2為反應(yīng)器內(nèi)煙氣質(zhì)量；CP煙氣為煙氣平均定壓比熱容；Tr為發(fā)動機(jī)排出氣體溫度；T排為反應(yīng)器末端排出氣體溫度。

當(dāng)△Q煙氣＞△Q蒸+△Q反應(yīng)時，反應(yīng)可以順利進(jìn)行。

2 結(jié)束語

本文研究了在低溫情況下，對醇水液裂解制氫反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)和能耗進(jìn)行了計(jì)算，驗(yàn)證了方案的可行性。最后，與浙江某能源公司合作并進(jìn)行富氫氣體燃料實(shí)驗(yàn)，取得了良好的效果。

[1]鄒才能，趙群，張國生.能源革命：從化石能源到新能源[J].天然氣工業(yè)，2011（1）：1-7.

[2]何志生，左曙光，潘良明.新能源汽車技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢[J].汽車研究與開發(fā)，2005（6）：27-29.

[3]余亞東，毛宗強(qiáng).可再生能源氫能的發(fā)展與化石能源的替代[J].科學(xué)對社會的影響，2009（2）：61-64.

[4]李虹，董亮，段紅霞.中國可再生能源發(fā)展綜合評價與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].資源科學(xué)，2011（3）：431-439.

[5]曾耀明，史忠良.中外新能源汽車產(chǎn)業(yè)政策對比分析[J].企業(yè)經(jīng)濟(jì)，2011，02：107-109.

[6]鄧學(xué)，王賀武，黃海燕.中國車用氫能潛力分析[J].科技導(dǎo)報(bào)，2010（9）：96-101

[7]張阿玲，柴沁，申威.氫動力汽車和電動汽車在中國的應(yīng)用前景分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（9）：107-117.

[8]王琦，羅馬吉，羅仲.燃料電池汽車車載氫氣安全研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（2）：232-235.

[9]劉福水，郝利君.節(jié)點(diǎn)文獻(xiàn)氫燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展展望[J].汽車工程，2006（7）：621-625.

[10]張同林.日本新型氫燃料電池汽車及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景[J].上海節(jié)能，2016（2）：86-91.

[11]姜磊，李興虎，王宇.天然氣/氫氣混合燃料發(fā)動機(jī)的稀燃極限和排放特性試驗(yàn)研究[J].汽車工程，2008（3）：197-201.

[12]徐正好，常健，楊宗棟.余熱制氫發(fā)動機(jī)的開發(fā)研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2003，32（3）：11-13.

Feasibility Study on The Hydrogen Rich Gas Converted From AlcoholWater Liquid

SUN Teng1，MIUWen-jun2
（1.Qinzhou University，Qinzhou Guangxi535011，China；2.Changan Chongqing Automobile Limited by Share Ltd.，Chongqing 400023，China）

In order to improve the alcohol water cracking conversion rate and selection of hydrogen in gas production rate under the low temperture，CeO2and Ni-Cu are adopted for catalyst.At the same time，the feasibility of thermodynamics and energy consumption are calculated for the alcohol water liquid chemical reaction.It shows the method is feasible which is tested in experiment.

gaseous fuel；alcoholwater liquid；hydrogen-rich gas；feasibility study

TM 911.42

A

1672-545X（2017）04-0171-03

廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（編號：KY2016LX435）；欽州學(xué)院教改項(xiàng)目（編號2016QYJGB39）

孫騰（1988-），男，廣西欽州人，助教，研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD/CAM/CAE.