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的催化劑，以提高其制取富氫氣體的轉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反應熱力學和能耗進行了可行性計算。最終通過實驗，驗證了方案的可行性。

氣體燃料；醇水液；富氫氣體；可行性計算

人類社會每一次生產力的進步，都離不開能源結構上質的變化[1-4]。隨著我國經濟的高速發展，汽車占有率逐年攀升，預計到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，促使人們發展新能源緩解。乙醇裂解制取富氫氣體是一種可持續、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開展了對氫氣的研究與開發[6-9]。日本豐田汽車公司設計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也付出了很多的努力，北京航空航天大學汽車工程系對天然氣/氫氣混合燃料發動機進行了研究，對回收排氣管廢氣進行了分析[11]。昆明新能源公司研發了氫發生器，利用發動機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反應熱力學和能耗的可行性進行了計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反應及其可行性計算

1.1 化學反應熱計算

本文以醇水液裂解反應在壓力為101.3 kPa，反應溫度為523~823 K的條件下進行，其主反應為：

其計算部分主要包含：反應自由能△GT，起始反應溫度T0時的平衡常數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計算獲得。其反應在不同溫度下的各參數計算數值以及平衡常數K值見表1.

反應焓變：

由于假設裂解反應前后溫度不變，簡化范特霍夫方程[i]，可獲得式2-8計算平衡常數：

其中氣體常數R=8.314J·mol-1·K-1.

表1 主反應相關常數計算值

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，醇水液裂解主反應可自發進行。平衡常數K值隨溫度的升高而增大，反應的醇氫選擇率和轉化率都有所提高，即升高溫度有利于裂解反應向正向進行。

1.2 醇水液裂解制氫反應能耗的可行性計算

（1）當氫氣占氣體燃料的30%時，醇水液消耗量為：

醇水液裂解的主反應為：

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

基于理想氣體狀態方程：

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，可計算含碳氣體摩爾數：

（2）蒸發過程中的吸熱量

在標準狀態下，取醇水體積比為2誜1的單位質量的醇水混合液，計算其乙醇的質量分數為ζ=61.27%，其熱平衡關系有：

在沸點狀態下，醇水液由液態轉換成氣態所吸收的熱量為Q蒸發：Q過熱表示氣態乙醇與水蒸氣由沸點升溫到進入反應階段過程吸收的熱量：

（3）m醇水液的醇水混合液發生了裂解反應時水的質量為：

（4）煙氣的能量損失

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

式中，M2為反應器內煙氣質量；CP煙氣為煙氣平均定壓比熱容；Tr為發動機排出氣體溫度；T排為反應器末端排出氣體溫度。

當△Q煙氣＞△Q蒸+△Q反應時，反應可以順利進行。

2 結束語

本文研究了在低溫情況下，對醇水液裂解制氫反應的化學反應熱力學和能耗進行了計算，驗證了方案的可行性。最后，與浙江某能源公司合作并進行富氫氣體燃料實驗，取得了良好的效果。

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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能力提升項目（編號：KY2016LX435）；欽州學院教改項目（編號2016QYJGB39）

孫騰（1988-），男，廣西欽州人，助教，研究方向為機械CAD/CAM/CAE.