氢能作为一种清洁能源载体，在可持续能源系统中发挥着关键作用。甲醇蒸汽重整（MSR）因其较低的操作温度和较高的氢气产量而成为一种有前景的制氢技术。然而，传统的MSR过程受到反应平衡的限制，难以进一步提高氢气产量和纯度。为了克服这一限制，研究者提出了吸附增强甲醇蒸汽重整（SE-MSR）技术，通过在反应系统中引入CO₂吸附剂，连续移除生成的CO₂，从而推动反应平衡向氢气生成方向移动，显著提高氢气产量和纯度。长春大学王蕾课题组在流化床反应器中实现了SE-MSR过程，并引入了一种中等温度吸附剂——水滑石（HTlc），以提高氢气产量和纯度。研究成果发表于国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》。
研究开发了一个基于欧拉-欧拉双流体框架的二维计算流体动力学（CFD）模型，并结合了一个改进的曳力模型，该模型根据颗粒体积分数将流化床分为密集、过渡和稀薄三个区域。模型综合了甲醇蒸汽重整、甲醇分解和水煤气变换反应的动力学，并通过实验数据验证了模型的预测精度，相对误差约为3%。数值模拟评估了关键操作参数（包括反应温度、表观气速和吸附剂粒径）对甲醇转化率、氢气产量和CO₂捕获效率的影响。研究结果表明，引入HTlc显著降低了出口CO₂浓度，同时提高了氢气纯度，特别是在高温和低气速条件下。此外，较小的吸附剂颗粒由于比表面积大，提高了CO₂捕获性能。
研究结果显示1SE-MSR过程在流化床反应器中实现了原位CO₂捕获，有效推动了反应平衡向氢气生成方向移动。出口氢气的干基摩尔分数从75.38%提高到94.22%，而CO₂的干基摩尔分数从19.93%显著降低到2.62%，从而提高了氢气产量和纯度，降低了出口CO₂浓度，提升了系统整体性能。随着反应温度的升高，甲醇转化率和氢气产量显著提高，表明高温有利于甲醇重整和氢气生成。同时，CO₂捕获效率也随着温度的升高而提高，降低了反应器出口的CO₂浓度。出口CO₂浓度保持在4%以下，而CO₂捕获效率从7.69%提高到74.73%。较低的表观气速有利于CO₂捕获，因为这延长了气-固接触时间。随着气速从0.15 m/s增加到0.90 m/s，甲醇转化率从95.05%下降到62.02%，下降了33%；氢气产量从2.57下降到1.93。同时，出口CO₂浓度从3.60%增加到6.30%，CO₂捕获效率从83.61%下降到44.69%，下降了38.92%。较小的吸附剂颗粒由于比表面积大，实现了更高的CO₂捕获率，从而改善了气-吸附剂相互作用。随着吸附剂颗粒直径从0.20 mm增加到1.40 mm，出口CO₂浓度从2.33%上升到8.68%，CO₂捕获效率从83.47%下降到51.62%。甲醇转化率从91.03%下降到76.43%，氢气产量从2.48下降到2.22。
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素材来源：化工研学社
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