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丙烷含量对天然气废气重整影响的研究

文档作者：赵钧天1 张汇理2 范景彦3 （1.东北石油大学黑龙江 163318 2.胜利油田石油开发中心有限公司山东 257000 3.中石油大连液化天然气有限公司辽		点击数：	更新时间： 2024年08月08日
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2017·05 绿色化工 Chenmical Intermediate 65
当代化工研究
丙烷含量对天然气废气重整影响的研究
＊赵钧天1 张汇理2 范景彦3
（1.东北石油大学 黑龙江 163318
2.胜利油田石油开发中心有限公司 山东 257000
3.中石油大连液化天然气有限公司 辽宁 116000）
摘要：本文利用Fluent软件对微通道反应器中天然气废气重整进行数值模拟，主要研究了天然气中丙烷含量对温度和产物分布的影响。通
过模拟结果可得出：开始温度沿着通道良好地分布，并且没有形成明显的热点；通道中上游温度梯度随丙烷含量增加而增大，并且在达到
峰值后开始降低。H2和CO的生产速率随丙烷含量增加而加快，而甲烷转化率则随丙烷含量增加而降低。
关键词：甲烷; 废气重整; 微通道反应器; 天然气
中图分类号：TQ 000 文献标识码：A
Simulation of exhaust gas reforming of natural gas in a microchannel reactor
Zhao Juntian1，Zhang Huili2，Fan Jingyan3
（1.Northeast Petroleum University, Heilongjiang, 163318
2.Petroleum Development Center Co.,Ltd. of Shengli Oil Field, Shandong, 257000
3.Petro China LNG Dalian Company Limited, Liaoning, 116000）
Abstract：The present work is aimed to conduct modeling and simulation of exhaust gas reforming of natural gas in a catalytic microchannel
reactor. Effects of the presence of propane in natural gas is investigated in the context of a parametric study. It is observed that temperature is well
distributed along the channel and no notable hot spot formation is observed. The upstream temperature gradient increases with the propane content
and begins to decrease after reaching the peak. The production rate of H2 and CO increases with the increase of propane content, while the methane
conversion decreases with the increase of propane content.
Key words：propane；exhaust gas reforming；microchannel reactor；natural gas
1.废气重整技术
废气重整(EGR)技术是一种燃料转化技术，其优点在于
提高效率并减少常规内燃发动机的排放。在EGR中，排气再
循环回路中的催化反应器利用热能、蒸汽、CO2、O2和CO
以及一些未燃烧存在于废气中的烃与外部注入的燃料和蒸汽
共同产生富含H2的反应物。然后将所得的重整产物送回发动
机中以提高发动机的效率并减少有害排放。废气流的温度和
组成由燃料的类型以及在常规内燃发动机中燃料和空气的相
对量所决定。用H2代替小部分烃燃料的另一个好处是它可
通过支持燃料的自燃而用作促燃剂。EGR基于氧化蒸汽重整
（OSR）技术，它是在相同的反应器中结合燃料的全氧化
（TOX）技术和蒸汽重整（SR）技术。该技术减少了外部
能量需求，因此降低了H2生产的耗能。系统中涉及的反应可
以写成如下：
MethaneTOX:
2.数值模拟与结果分析
(1)物理模型建立
待模拟的微通道反应器由多个平行的方形通道组成，每
个通道高度为7.5微米，长度为10-4m。
(2)模拟初始条件
如图1所示，Rh/Al2O3催化剂层涂覆在通道两侧，厚度
图1 方形通道示意图
Fig.1 Schematic representation of the
single microchannel
均为1~10-4m。多通道单元被认为是由堇青石制成的，它
具有非常低的热导率（3Wm-1K-1）。利用GAMBIT构造图
1的模型，网格划分采用四边形网格，共7.5×104个。利用
Fluent软件对偏微分方程、边界条件、流体和多孔催化剂
层的物理性质、反应速率表达式进行设置并求解。利用速
度-压力耦合模型，算法为基于压力的求解器的Simple算
法，精度为二阶迎风格式，入口边界采用速度边界/温度边
界，出口边界采用压力边界，催化剂—气体界面被定义为
涉及速度和物质质量和热通量的连续性的内部边界条件，
壁面采用无滑移壁面边界条件。改变进料中丙烷含量，使
其分别为0,10,20和30％，研究丙烷含量对温度分布，H2和
CO生成速率和甲烷转化率的影响。为使烃燃料总摩尔流速
保持恒定，需相应地改变甲烷流速。由于进料中碳原子数
万方数据
Chenmical Intermediate
66 当代化工研究 绿色化工 2017·05
的变化为在进料中碳原子数的变化的情况下使O2/C和H2O/
C比分别保持在1.0和1.50，需相应改变O2和H2O的流量。
通过调节平衡气体（N2）的流速，将总流量保持恒定在
90Nml min-1。
(3)结果与讨论
图2 进料温度对通道内温度分布的影响
（O2/C=1.0, H2O/C=1.50）
Fig.2 Effect of feed temperature on temperature
profiles along the channel
图3 进料温度与产物摩尔流量关系图（O2/C=1.0, H2O/C=1.50）
Fig.3 Effect of feed temperature on H2 and CO
production rates
图4 进料温度与甲烷转化率关系图（O2/C=1.0, H2O/C=1.50）
Fig.4 Effect of feed temperature on methane conversion
进料中丙烷含量对中轴线处温度分布的影响如图2。
可以看出，通道中上游的温度梯度随着进料中丙烷的量
增加而增大，这是因为丙烷的TOX反应比甲烷的TOX反应
快。同时，峰值后的温度降低值随着丙烷含量增加而增
大。丙烷的氧化比甲烷更快，所以进料中的大部分O2被
反应3消耗，并且较大部分的甲烷被用于SR反应，当这与
反应4的高吸热性相结合时，由于进料中丙烷的存在，整
个过程吸热更多。而这导致温度降低的更快和更低的温度
值。然而，由于模拟中涉及的反应物少，因此温度之间的
实际差异并不明显。图3中可观察到H2和CO的生产速率随
甲烷含量增加而增加。这是因为O2主要在与丙烷的反应中
消耗，所以为SR反应保留了更多的甲烷，当与剩余的丙烷
的蒸汽重整相结合时，就产生较大量的SR反应产物H2和
CO。图4显示了甲烷转化率与进料中丙烷含量的关系。可
看出甲烷转化率随进料中丙烷含量增加而降低。这是因为
丙烷与甲烷相比属于不稳定分子，因此其氧化和蒸汽重整
比甲烷更快发生，因而丙烷的TOX反应消耗了更多的O2，
仅留下较少O2来供给甲烷的TOX反应。因此，当进料中的
丙烷增加时，甲烷TOX可用的O2量减少，导致总体甲烷转
化率降低。
3.结论
本文主要研究了进料中丙烷含量对温度和产物分布的影
响。得出结论为在所有情况下，由于微通道反应器的固有改
进的传热特性，温度分布是均匀的，即没有沿着通道的尖锐
热点；通道中上游温度梯度随丙烷含量增加而增大，并且在
达到峰值后开始降低。H2和CO的生产速率随丙烷含量增加
而加快，而甲烷转化率则随丙烷含量增加而降低。
【参考文献】
[1]Mancusi E,Acampora L, Marra F, Altimari P.Hysteresis in
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[5]Ma L,Trimm DL, Jiang C. The design and testing of an
autothermal reactor for the conversion of light hydrocarbons to hydrogen
I. The kinetics of the catalytic oxidation of light hydrocarbons[J].Appl
Catal A ,1996,138:275-283.
【作者简介】
赵钧天（1992~），男，东北石油大学；研究方向：石油与天
然气工程。
((责任编辑李田田)

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