1. 研究目的与意义（文献综述）

随着经济社会的不断发展，汽车保有量的不断增加，我国对石油资源的开采和利用越来越大，这不仅会加速这种战略资源的衰竭，而且也使得环境污染问题越来越严重。

为了减缓石油资源的枯竭，降低汽车尾气对环境的污染，许多研究人员把目光转向了天然气。我国的天然气储量十分丰富，且天然气相对于石油燃烧时的污染物少，是很好的汽车替代燃料。

目前，天然气发动机技术已经比较成熟。天然气的辛烷值高，在内燃机应用中可以采用大的压缩比，热效率高。但是天然气需求点火能量高，燃烧时火焰传播速度低，稀燃时容易出现燃烧不完全、失火率高、循环变动率大等现象^[1]。

另外一种更理想的汽车替代燃料是氢气，因为它的制备原料广泛、燃烧产物无污染、单位质量热值高、可再生。相较于天然气，氢气可燃界限宽，最小淬熄距离短，燃烧速度快，点火需求能量小。但是氢气的储备和运输困难，这大大的限制了氢气的使用。由于氢气和天然气燃烧性能优势互补，因此许多学者研究了天然气发动机的掺氢燃烧。

马凡华等^[2]用元素势能法分析了天然气发动机掺氢燃烧及排放性能，结果表明，天然气掺氢燃烧是一种较好的发动机燃烧方式，能有效降低CO₂排放；但天然气发动机掺氢后燃烧温度会升高，会导致NO_x排放升高；掺H₂摩尔分数在0%~20%时NO_x增加缓慢，控制了污染物的排放，同时也提高了热效率。

马凡华等^[3]还用试验研究了天然气发动机掺氢20%时的瞬态排放性能，结果表明，掺入20%氢后，在不带催化器的情况下，NO_x、CO、NMHC和CH₄排放相较于原天然气发动机有大幅下降。

刘艳等^[4]关于天然气发动机的掺氢燃烧的探究也表明，天然气掺氢燃烧发动机可降低HC、CO和CO₂排放量，NO_x排放有所增加；掺氢后发动机的稀燃极限得到扩展，同时发动机能够稳定工作，从而也可降低NO_x排放。

高宏达^[5]利用Chemkin软件模拟了掺氢天然气HCCI发动机的燃烧特性，探究了不同掺氢比对发动机燃烧性能的影响，结果表明少量掺氢可让混合燃料的着火时刻提前，同时缸内压力峰值和温度峰值都有所升高；尾气中NO含量有所增加。

董少毅^[6]在试验台架上详细探究了掺氢对天然气发动机缸内燃烧过程及性能的影响，研究表明，掺氢可加快混合气燃烧速率，提高最高爆发压力和压力升高率，降低循环变动；同时，掺氢会导致NO_x排放升高，而HC和CO₂的排放则会降低。

综上所述，天然气发动机掺氢燃烧能够改善发动机的燃烧和排放。研究表明，在天然气发动机在气门重叠区存在一定燃料泄露问题^[7]，即天然气发动机尾气中含有小部分CH₄，除此之外，尾气中的主要成分是CO₂和N₂，同时还有一部分H₂O。而天然气的主要成分CH₄可以与H₂O和CO₂通过催化重整得到H₂，天然气发动机尾气中有甲烷催化重整的全部原料，如果将其尾气导入催化反应器内进行重整，则既可以利用尾气中的原料，又能利用尾气中的余热，同时将重整得到的H₂与原燃料混合燃烧还能改善发动机的燃烧和排放性能。这样一来还实现了在线制取氢气，解决了氢气难以储存和运输的问题。

有学者已经做了利用废气余热重整制氢的研究。句丙杰^[8]做了燃料重整器的设计及重整气对内燃机性能影响的研究，自行设计了一套乙醇重整制氢系统与汽油机排气管相连接，利用尾气中的热量对催化重整反应加热，实现了在线制取重整气（主要成分为CO和H₂），同时将重整气与汽油混合燃烧，能改善汽油机的燃烧和排放性能。

Daniel Fennell等^[9]做了用废气燃料重整制氢提高汽油直喷发动机（GDI）的效率和排放的试验研究，结果表明，在所有情况下废气重整再循环（REGR）提高了汽油发动机的指示效率，并减少了NO_x的排放，但是HC排放略有增加；与废气再循环（EGR）相比，REGR更能降低PM的排放。

对于CH₄的催化重整，刘科^[10]做了微型反应器内甲烷催化自热重整反应特性的数值模拟研究，采用CFD软件数值模拟了微细直圆管反应器内和微型旋流多层筒式反应器内甲烷自热重整反应特性，重点考察了催化壁面温度、反应原料气流速、水碳比（W/C）、氧碳比（O/C）反应压力以及Ni基催化剂活性位密度等对甲烷转化率、产物收率、催化壁面积炭、n(H₂)/n(CO)以及压力损失等的影响。

Jaekyeong Yoo等^[11]做了在丁酸助催化的镍/氧化铝催化剂上天然气的水蒸气重整制氢试验，结果表明，丁酸助剂镍/氧化铝催化剂的特性受丁酸/镍摩尔比的影响很大，尽管所有丁酸助剂镍/氧化铝催化剂在天然气的蒸汽重整中表现出稳定的催化性能，但是当引入丁酸时会获得更高的催化性能，天然气转化率和氢气产量也随之增加。

Xuli Zhai 等^[12]用CFD模拟了在整体式微反应器中CH₄水蒸气重整制氢的详细化学反应，得出对于涂覆的Rh催化剂的高活性和微反应器中优异的传热性能，与传统固定床反应器中的相同工艺相比，甲烷水蒸气重整反应可以以毫秒为单位有效完成。

张力等^[13]模拟研究了Ni/Rh催化剂作用下，甲烷在微通道内的自热重整制氢特性，得出在采用Ni/Rh比例为10:1的催化剂时可有效缓解温度过高而引起的烧结问题，实现甲烷的高效转化；随O₂与CH₄的物质的量比例增加，甲烷转化率升高，制氢功率先增加后逐渐减少；随H₂O与CH₄的物质的量比例增加，CH₄的转化率降低。

以上学者研究了甲烷单一重整制氢方式条件下的反应特性，而对于天然气发动机废气重整再循环过程，由于废气组分较为复杂，其在重整反应器内的反应过程可能涉及到甲烷的水蒸气重整、二氧化碳重整、部分氧化重整等多个重整反应过程，其涉及到的主要反应如表1所示。

表1 废气重整过程中主要反应

其中，Pelin SuBulutoglu等^[14]做了微通道反应器中天然气废气重整模拟研究，得出由于微通道反应器本身改进的传热特性，温度分布均匀，没有沿通道的尖锐热点，发现增加进料温度、H₂O/C比和进料中的丙烷含量可提高H₂产生速率；提高O₂/C比有利于提高甲烷转化率和微通道中的温度。谢倩等人^[15]模拟了天然气发动机废气重整再循环系统，采用蜂窝式重整反应器探究了当量比、气体质量流量等对于产氢量的影响。本课题采用数值模拟的方法研究影响天然气发动机尾气通过微通道反应器重整制氢产量的因素，探究初始条件对于产氢量的影响，期望为后续重整反应器的设计和选型提供参考。

重整反应器主要有固定床催化反应器，泡沫金属催化反应器以及微通道重整反应器等。由于微通道反应器具有以下优点^[16]：传质速度快，反应物在流动过程中短时间内就可混合充分；微通道的比表面积大，具有很大的热交换效率；体积小；副反应少，能连续反应。因此微通道反应器具有更高的效率，能够实现天然气尾气中甲烷含量少的重整反应。本文拟采用微通道重整反应器作为废气重整反应过程中的重整单元。

综上所述，目前对于废气重整制氢的研究大多是关于汽油机的，对天然气发动机的废气重整研究还较少；对于天然气制氢的研究大多集中在对于微通道反应器、催化剂和催化反应方式上，且研究的重整反应方式大都是单一的，关于天然气多种重整方式合在一起的研究较少。因此本文拟通过数值模拟的手段，耦合详细催化反应动力学机理，研究微通道重整反应器内不同进气温度、进气流速以及进气组分条件下甲烷的重整率、反应器出口氢气质量分数等目标参数的变化规律，揭示废气——燃料重整制氢反应过程中流体流动、传热以及反应之间的耦合作用规律。

2. 研究的基本内容与方案

针对甲烷催化重整制氢，利用fluent建立并网格化计算流体力学（cfd）模型，分析模型的正确性，主要研究反应器中的流动、换热及反应规律，探究不同进气流速、进气温度及进气组分（废气中甲烷的占比、水蒸气占比、氧气占比以及二氧化碳占比）对甲烷转化率、产氢量的影响。利用该模型探究反应器内部的规律。

在模型建好之后，通过控制变量来得到初始条件与甲烷转化率和产氢量之间的关系，期望为以后反应器的设计提供参考。

图1 本文的技术方案

3. 研究计划与安排

第3-4周 完成开题报告；

第5-7周 利用gambit以及fluent等软件完成微通道重整反应数值模型的构建，通过与相关试验数据的对比完成模型验证；

第8-10周 改变进口流速、进气温度以及进气组分等参数，完成不同初始条件下甲烷重整反应制氢过程的相关模拟；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 郭子锐.天然气发动机的仿真优化与性能提高研究[d].上海交通大学,2012.

[2] 马凡华,孙宁.天然气掺氢燃烧及排放性能的元素势能法分析[j].车用发动机,2005(05):31-33 59.

[3] 马凡华,王业富,丁尚芬,江龙,汪俊君.天然气发动机掺氢20%时瞬态排放性能研究[j].内燃机工程,2010,31(06):8-12 16.