基于三元催化剂的固体氧化物燃料电池尾气催化燃烧数值模拟

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22168

基于三元催化剂的固体氧化物燃料电池尾气催化燃烧数值模拟

龚思琦¹, 云再鹏², 许明¹, 敖乐², 李初福¹, 黄凯², 孙晨²

1.北京低碳清洁能源研究院，北京市昌平区　102209

2.国家能源集团国华巴彦淖尔 (乌拉特中旗)风电有限公司，内蒙古自治区巴彦淖尔市　015000

Numerical Simulation of Solid Oxide Fuel Cell Tail Gas Catalytic Combustion Based on Three-Way Catalyst

GONG Siqi¹, YUN Zaipeng², XU Ming¹, AO Le², LI Chufu¹, HUANG Kai², SUN Chen²

1.National Institute of Clean-and-Low-Carbon Energy, Changping District, Beijing 102209, China

2.CHN Energy Guohua Bayannur (Ullatzhongqi) Wind Power Co. , Ltd. , Bayannur 015000, Inner Mongolia Autonomous Region, China

收稿日期: 2023-01-06

基金资助:

国家重点研发计划项目. 2017YFB0601900

Received: 2023-01-06

作者简介 About authors

龚思琦(1995)，女，硕士，工程师，研究方向为IGFC/SOFC系统，siqi.gong@chnenergy.com.cn；

许明(1979)，男，博士，高级工程师，研究方向为反应器开发和燃料电池，本文通信作者，ming.xu.n@chnenergy.com.cn。

摘要

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，SOFC)作为一种清洁高效的先进发电设备，具有空气、燃料气分离的结构优势，易于将燃料侧尾气中的CO₂富集。为提高SOFC阳极尾气中CO₂浓度，针对商业化的三元催化剂，综合考虑SOFC阳极尾气催化燃烧中传质、传热、化学反应过程，建立多物理场耦合稳态模型。基于该模型，模拟SOFC系统阳极尾气的催化燃烧特性，研究不同入口温度、反应空速和催化剂尺寸对燃烧温度、壁面温度、H₂转化率、CO转化率、出口CO₂浓度等参数的影响，得到各参数的变化趋势。借鉴已有实验，通过优化空速，可以将出口CO₂浓度从94.72%提高至95.33%；通过优化催化剂尺寸，可以将出口CO₂体积分数从94.72%提高至95.64%。通过分析尾气催化燃烧中不同工况下的出口CO₂浓度变化特性，为商业三元催化剂用于SOFC系统阳极尾气催化转化和尾气CO₂富集提供指导。

关键词： 碳排放 ; 碳捕集 ; 三元催化剂 ; 固体氧化物燃料电池(SOFC) ; 数值模拟

Abstract

As a clean and efficient advanced power generation equipment, the solid oxide fuel cell (SOFC) has the structural advantages of separation of air and fuel gas, which makes it easy to enrich the CO₂ in the tail gas of the fuel side. In order to improve the CO₂ concentration in SOFC anode tail gas, a steady-state multi-physical coupled model was established for the commercial three-way catalysts, considering the mass transfer, heat transfer, and chemical reaction processes in the catalytic combustion of SOFC anode tail gas. Based on this model, the catalytic combustion characteristics of SOFC anode tail gas were simulated. The effects of different inlet temperature, reaction space velocities and catalyst sizes on combustion temperature, wall temperature, H₂ conversion, CO conversion and outlet CO₂ concentration were studied, and the change trend of each parameter was obtained. Based on the existing experiments, the outlet CO₂ volume fraction could be increased from 94.72% to 95.33% by optimizing the space velocity, and the outlet CO₂ concentration could be increased from 94.72% to 95.64% by optimizing the catalyst size. By analyzing the variation characteristics of outlet CO₂ concentration under different working conditions in the catalytic combustion of tail gas, the guidance for the commercial three-way catalyst to be used in the catalytic conversion of anode tail gas and CO₂ enrichment in the tail gas of SOFC system was provided.

Keywords： carbon emission ; carbon capture ; three-way catalyst ; solid oxide fuel cell (SOFC) ; numerical simulation

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本文引用格式

龚思琦, 云再鹏, 许明, 敖乐, 李初福, 黄凯, 孙晨. 基于三元催化剂的固体氧化物燃料电池尾气催化燃烧数值模拟. 发电技术[J], 2024, 45(2): 331-340 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.22168

GONG Siqi, YUN Zaipeng, XU Ming, AO Le, LI Chufu, HUANG Kai, SUN Chen. Numerical Simulation of Solid Oxide Fuel Cell Tail Gas Catalytic Combustion Based on Three-Way Catalyst. Power Generation Technology[J], 2024, 45(2): 331-340 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.22168

0 引言

在碳达峰、碳中和目标背景下，能源行业开始更为积极地寻求转型^[1-2]。目前，传统发电行业碳排放占全国CO₂排放总量的40%左右，亟需通过提高发电效率、尾气碳捕集等途径来降低发电碳排放^[3-6]。固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，SOFC)是一种清洁高效的发电设备，相比传统的发电方式，SOFC可将燃料的化学能直接转化为电能，不受卡诺循环的限制，具有很高的发电效率(60%以上)^[7-8]。另外，SOFC的工作温度为600~1 000 ℃，具有广泛的燃料适应性。除氢气外，SOFC可利用各类碳基燃料(如合成气、甲烷、乙醇、煤油、柴油等)进行发电^[9]，在大型的固定式电站、中小型分布式电站、热电联供系统和移动式发电设备等方面均具有广阔的应用前景^[10-12]。

为了实现煤炭清洁利用，SOFC可以采用合成气作为燃料。SOFC主要由阳极、阴极和电解质组成，阳极和阴极外侧分别有阳极腔室和阴极腔室，用于气体的供给。以合成气和氧气反应为例，其反应原理如下：阴极腔室内通入氧气，在阴极获得电子，变成氧离子，通过电解质传导到阳极，与阳极腔室通入的合成气发生反应，放出电子，生成水和二氧化碳，电子通过外电路回路形成电流，对外输出电能。由于SOFC结构的特殊性，将燃料和空气在空间上分隔开，因此阳极反应的尾气可以独立处理和利用。

商业SOFC阳极尾气由于存在少量H₂和CO等可燃组分，需要进一步处理^[13]，以提高尾气CO₂浓度、充分利用燃料化学能，并降低尾气污染物浓度。由于阳极尾气中N₂的含量很低，阳极尾气处理后，绝大部分转化为H₂O和CO₂，尾气冷却分离后可实现CO₂富集与利用，助力实现“双碳”目标。

SOFC阳极尾气处理主要包括直接燃烧与催化燃烧2种方式。由于阳极尾气中可燃成分含量低，难以直接燃烧，因此催化燃烧是更优的选择。目前，一些学者针对合成气催化燃烧开展了相关研究，如：陈星^[14]基于Pt催化剂的蜂窝陶瓷催化剂，对SOFC阳极尾气催化燃烧特性进行模拟分析，探究了入口温度、流速、气体组分和压力对CO和H₂转化率的影响，证明了利用催化燃烧处理SOFC阳极尾气的可行性；文献[15-17]对H₂和CO在不同贵金属催化剂下的催化动力学进行了模拟研究；Rankovic等^[18]建立了动力学模型，研究了在H₂存在的条件下，Pt/Al₂O₃、Rh/Al₂O₃和Pt/Rh/Al₂O₃催化剂对CO的催化氧化机理，阐释了H₂在Pt和Rh催化剂下对CO氧化的促进作用；Kéromnès等^[19]采用实验和模拟的方法，探究了H₂和合成气在不同压力下的燃烧特性，通过动力学研究提出了新的反应机理；Chen等^[20]对微管内H₂的催化燃烧进行数值研究，详细分析了H₂在Pt催化剂下气相和表面催化化学反应机理，同时讨论了不同反应模型下的燃烧特性，以及壁面导热系数、入口速度和管径对表面催化燃烧反应的影响；Sung等^[21]开发出新型无定型Cu-Mn氧化物催化剂，并应用于催化SOFC电堆尾气催化燃烧，通过调节催化剂活性成分的不同配比，提升催化的活性和热稳定性；Lee等^[22]基于Pt-Pd催化剂探究了包含甲烷、氢气和一氧化碳的SOFC尾气的催化燃烧特性，并分析了不同碳氧比、空速和温度的影响。

三元催化剂是一种商业化的汽车尾气处理催化剂，用于转化汽车尾气中残留的碳氢化合物、碳氧化物和氮氧化物，主要活性成分为贵金属Pt、Rh和Pd^[23-24]。若将三元催化剂用于SOFC阳极尾气处理，其催化剂中的贵金属成分可以有效提高H₂和CO的转化率，且与其他贵金属催化剂相比，三元催化剂在经济性上更具竞争力。本文研究团队^[13]前期通过实验验证了商业三元催化剂用于SOFC阳极尾气催化氧化的可行性，然而目前三元催化剂的模拟研究主要集中在汽车三元催化器的起燃特性^[25-26]、流场分布^[27-28]和反应机理^[29-31]等方面，在SOFC系统耦合的研究较少。

为此，本文基于前期实验，综合考虑SOFC阳极尾气催化燃烧中传质、传热、化学反应过程，构建了二维轴对称多物理场耦合稳态模型，探究了不同入口温度、空速和催化剂形态对商业三元催化剂处理SOFC阳极尾气的反应特性，以及提高出口CO₂浓度的方法，为SOFC阳极尾气的处理提供指导。

1 模型与计算方法

1.1 模型建立

本文采用多物理场耦合模拟软件Comsol Multiphysics建立稳态求解模型。为降低计算量和模型复杂度，根据轴对称原则，将三维模型降维为二维轴对称模型，如图1所示。反应器长度为100 mm，内半径为10 mm，管壁厚度为1 mm；三元催化剂层位于反应器中部，催化剂层半径为10 mm，高度为10 mm。SOFC阳极尾气与当量的氧气混合后，以一定的流速和入口温度进入反应器，经过一段自由流动后进入三元催化剂层，在催化层发生放热的催化氧化反应，反应尾气经过反应器出口排出。反应器没有外加的热源和保温，壁面与外界通过对流和辐射传热。计算过程假定混合气体为不可压缩的理想气体，在反应器中进行层流流动，壁面无滑移，忽略体积力和耗散力。

图1

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图1 物理模型简图

Fig. 1 Physical model diagram

催化燃烧总反应方程为

H_{2} + \frac{1}{2} O_{2} = H_{2} O

(1)

C O + \frac{1}{2} O_{2} = C O_{2}

(2)

描述该物理模型的控制方程如下。

质量守恒方程为

ρ \nabla \cdot u = 0

(3)

式中： $ρ$ 为气体的密度； $u$ 为速度场。

动量守恒方程为

ρ (u \cdot \nabla) u = \nabla \cdot {- p Ι + μ [\nabla u + {(\nabla u)}^{T}]}

(4)

式中： $I$ 为单位向量； $p$ 为压力； $μ$ 为气体的动力黏度。

能量守恒方程为

ρ C_{p} u \cdot \nabla T + \nabla \cdot (- k \nabla T) = Q

(5)

式中： $C_{p}$ 为恒压热容； $T$ 为温度； $k$ 为导热系数；Q为反应热，表达式为

Q = \sum_{i} \frac{R_{i} \cdot H_{i}}{M_{i}}

(6)

式中： $R_{i}$ 为组分 $i$ 的反应速率； $H_{i}$ 为组分 $i$ 的燃烧焓； $M_{i}$ 为组分 $i$ 的摩尔质量。

组分守恒方程表示如下：

\nabla \cdot j_{i} + ρ (u \cdot \nabla) ω_{i} = R_{i}

(7)

j_{i} = - (ρ D_{i}^{m} \nabla ω_{i} + ρ ω_{i} D_{i}^{m} \frac{\nabla M_{n}}{M_{n}})

(8)

D_{i}^{m} = \frac{1 - ω_{i}}{\sum_{k \neq i} \frac{x_{k}}{D_{i k}}}

(9)

M_{n} = {(\sum_{i} \frac{ω_{i}}{M_{i}})}^{- 1}

(10)

R_{i} = ν_{i} M_{i} k_{r e a} {\prod_{r} (\frac{ρ ω_{r}}{M_{r}})}^{- ν_{r}}

(11)

k_{r e a} = A e^{(- \frac{E}{R T})}

(12)

式中： $j_{i}$ 、 $D_{i}^{m}$ 分别为组分 $i$ 的相对质量通量、浓度扩散系数； $x_{k}$ 为组分k的浓度； $D_{i k}^{}$ 为组分 $i$ 、k的二元扩散系数； $M_{n}$ 为平均摩尔质量； $ω_{i}$ 、 $ν_{i}$ 分别为组分 $i$ 的质量分数、化学当量系数， $ω_{r}$ 、 $M_{r}$ 、 $ν_{r}$ 分别为反应物r的质量分数、摩尔质量、化学当量系数； $k_{r e a}$ 为反应速率常数，采用Arrhenius公式进行计算； $A$ 为指前因子； $E$ 为活化能； $R$ 为摩尔气体常数。

式(4)、(5)在催化剂区域采用多孔介质模型：

\frac{ρ}{θ} [(u \cdot \nabla) \frac{u}{θ}] = \nabla \cdot {- p Ι + \frac{μ}{θ} [\nabla u + {(\nabla u)}^{T}] -

\frac{2 μ}{3 θ} (\nabla \cdot u) Ι} - (\frac{μ}{κ}) u

(13)

ρ C_{p} u \cdot \nabla T + \nabla \cdot {- [θ k_{g} + (1 - θ) k_{s}] \nabla T} = Q

(14)

式中： $κ$ 为渗透率； $θ$ 为孔隙率； $k_{s}$ 为多孔介质导热系数； $k_{g}$ 为气体导热系数。

流场入口采用速度边界条件，流场出口采用压力边界条件。温度场入口为温度边界，壁面通过对流和辐射散热，单位面积散热量表示为

q = h_{c} (T - T_{e x t}) + ε δ (T^{4} - T_{e x t}^{4})

(15)

式中：h_c为对流传热系数；δ为辐射散热常数； $T_{e x t}$ 为外界温度； $ε$ 为发射率。

浓度场入口为恒定组分，其参数如表1所示。

表1 入口组分参数

Tab. 1 Inlet component parameters

组分	CO	H₂	N₂	CO₂	O₂	H₂O
摩尔分数/%	4.8	8.0	1.0	29.9	6.4	49.9

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本模型采用的各物性参数^[16,29]如表2所示。

表2 物性参数

Tab. 2 Physical parameters

参数	数值
催化剂孔隙率 $θ$	0.61
催化剂渗透率 $κ$ /m²	10^-6
发射率 $ε$	0.75
外界温度 $T_{e x t}$ /K	293.15
H₂转化活化能 $E_{H_{2}}$ /(J/mol)	6.225×10⁴
H₂转化指前因子 $A_{H_{2}}$	8.193×10⁵
CO转化活化能 $E_{C O}$ /(J/mol)	8.784×10⁴
CO转化指前因子 $A_{C O}$	7.46×10⁶

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H₂和CO的转化率定义如下：

ϕ = \frac{m_{i n} - m_{o u t}}{m_{i n}} \times 100 %

(16)

式中 $m_{i n}$ 和 $m_{o u t}$ 分别为入口和出口的质量流率。

1.2 网格无关性分析

网格数量是影响计算速度和计算质量的重要因素。为平衡计算速度和计算质量，需对网格数量进行分析，以得到计算速度和计算质量的双重优化。图2为同一工况不同网格数下计算得到的z轴向中心线温度分布。可以看出，随着网格数的增加，计算结果越趋一致。当网格数为5 422和18 885时，计算结果重合度较高；当网格数为1 522时，计算结果与前两者偏差较大，计算精度不够。可见，网格数5 422的计算结果与网格数18 885的结果偏差很小，可满足计算精度的要求。

图2

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图2 不同网格数下的轴向中心线温度分布

Fig. 2 Temperature distribution of axial center line under different grid numbers

1.3 模型验证

为验证模型的准确性，将模型模拟值与文献[13]实验值进行了对比，本模型采用的条件与实验条件相同。不同入口温度下，壁面温度、CO转化率和H₂转化率的模拟值与实验值对比如图3所示。可以看出，在不同入口温度下，壁面温度、CO转化率、H₂转化率的模拟值与实验值的变化趋势一致，均随着温度的升高而上升。壁面温度、CO转化率、H₂转化率的模拟值与实验值的最大误差分别为0.67%、3.65%和0.32%，均在允许误差范围内，从而验证了模型的准确性和合理性。

图3

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图3 不同入口温度下的参数分布

Fig. 3 Parameter distribution at different inlet temperatures

2 结果与讨论

2.1 入口温度的影响

本文研究团队前期基于固定空速和催化剂形态，通过实验分析了入口温度变化对催化剂层燃烧温度、H₂转化率和CO转化率的影响规律^[13]。在此基础上，本文利用模拟的手段研究入口温度对催化剂中心轴线上温度、H₂摩尔分数、CO摩尔分数的影响。

当催化剂层高度为10 mm，空速为88 200 h^-1时，不同入口温度对中心轴线上参数的影响如图4所示。可以看出，随着入口温度从488 K增加至548 K，中心轴线上的温度逐渐升高。在同一入口温度下，中心轴线上的温度先升高后降低，在接近催化剂层出口时趋于稳定。入口温度越高，催化剂层温度越高，最高温度出现在催化剂的前半段。随着入口温度的增加，最高温度和z=0处温度的温差逐渐减小，并且最高温度出现的位置沿轴向下移。由于入口温度越高，反应速率越快，因此反应集中在催化剂下端，而下端反应越完全，其反应放热越大，导致上端反应放热越小。

图4

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图4 不同入口温度对中心轴线上参数的影响

Fig. 4 Influence of different inlet temperatures on parameters on the central axis

在相同的入口温度下，H₂和CO摩尔分数沿轴向逐渐减小。入口温度越高，反应速率越快，H₂和CO摩尔分数下降越快。对比图4(b)、(c)可以发现，在相同的入口温度下，H₂的反应速率比CO快，转化率更高。不同入口温度对CO的影响比H₂要大，说明CO反应对温度更加敏感，因此，在提高CO转化率并富集尾气CO₂时，需要保证一定的反应温度。

2.2 空速的影响

本文通过固定催化剂的截面积和入口流量，改变催化剂层高度(6~20 mm)来调整空速，将催化剂高度变化导致的催化剂层散热变化耦合进温度场中，从而对催化剂层高度进行优化。

在同一入口温度下选取2个空速分析温度场和浓度场的变化，图5、6分别是空速126 000 h^-1和55 125 h^-1条件下催化剂层的温度、H₂反应速率和CO反应速率分布情况。可以看出，在相同空速下，径向上催化剂层中心轴线上温度最高，靠近壁面处温度最低；轴向上催化剂层入口处温度最高，出口处温度最低。从浓度场来看，催化剂层入口处H₂和CO反应速率最快，沿轴向逐渐变慢；H₂的反应速率比CO快，反应区域沿轴向的高度减小。对比图5、6可知，空速减小，催化剂层温度降低，壁面区域温度升高，H₂和CO的反应速率下降，反应区域高度增加。

图5

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图5 空速126 000 h^-1下催化剂层的参数分布

Fig. 5 Parameter distribution of catalyst layer at space velocity of 126 000 h^-1

图6

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图6 空速55 125 h^-1下催化剂层的参数分布

Fig. 6 Parameter distribution of catalyst layer at space velocity of 55 125 h^-1

图7为入口温度和空速对燃烧温度、壁面温度的影响，图8为入口温度和空速对H₂转化率、CO转化率和出口CO₂浓度的影响。此处，燃烧温度指催化剂层最高温度；壁面温度指壁面的最高温度；出口CO₂浓度指CO₂占冷凝后出口气体组分的体积分数。在“双碳”背景下，出口CO₂浓度可以反映尾气CO₂捕集的潜力，为后续SOFC系统碳捕集提供参考。

图7

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图7 入口温度和空速对燃烧温度、壁面温度的影响

Fig. 7 Effects of inlet temperature and space velocity on combustion temperature and wall temperature

图8

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图8 入口温度和空速对转化率、出口CO₂浓度的影响

Fig. 8 Effects of inlet temperature and space velocity on conversion and outlet CO₂ concentration

从图7、8可以看出，随着入口温度增加，燃烧温度、壁面温度、H₂转化率、CO转化率和出口CO₂浓度均增加，但是增加的幅度均逐渐变小；随着空速的增加，即相同气体入口流量下催化剂的高度减小，壁面温度、H₂转化率、CO转化率和出口CO₂浓度均先上升后下降。

从图5、6可知，催化反应主要发生在催化剂的前半部分，空速越大，反应速率越快，但是反应的停留时间越短。随着空速由小变大，催化剂层高度减小，反应速率增大的影响占主导地位，燃烧温度升高，H₂和CO转化率提高，壁面温度也升高；当空速增大到一定程度，停留时间缩短的影响占主导地位，导致反应不完全，燃烧温度、H₂和CO转化率均会下降。通过比较图8(a)、(b)可知，H₂转化率总体高于CO转化率，并且H₂转化率的最高点对应的空速更大，说明H₂在三元催化剂上反应速率更快，能适应更加宽泛的反应温度，而CO转化对温度的敏感度更高，这一结论与图5、6是一致的。出口CO₂浓度与CO转化率的变化趋势基本一致，其最高点对应的空速比CO转化率最高点对应的空速略小。出口CO₂浓度除了受CO转化率的影响之外，还受H₂转化率的影响，H₂转化率越高，冷凝后出口CO₂浓度越高。为富集尾气CO₂，需要综合考虑入口温度和空速，寻求出口CO₂浓度的峰值。计算结果表明，优化后的空速为70 000 h^-1左右。通过对比文献[13]实验结果可知，对空速进行优化后，出口CO₂体积分数从94.72%提高至95.33%，增加了0.61%。

2.3 催化剂尺寸的影响

不同的催化剂尺寸对催化性能会产生影响，实验研究较为困难。本文在一定空速和催化剂体积下，对催化剂尺寸进行优化，为后续的催化剂制备和催化反应器的设计提供指导。

图9、10分别是催化剂高度为2、8 mm下，催化剂层温度、H₂和CO反应速率的分布图。可以看出，在催化剂高度较小的情况下，催化剂层温度分布非常不均匀，催化剂中心与侧边的温度差很大，超过了100 K。H₂和CO的催化反应在催化剂入口处很小的高度内发生，反应速率分布也非常不均匀。

图9

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图9 催化剂高度2 mm下催化剂层的参数分布

Fig. 9 Parameter distribution of catalyst layer at catalyst height of 2 mm

图10

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图10 催化剂高度8 mm下催化剂层的参数分布

Fig. 10 Parameter distribution of catalyst layer at catalyst height of 8 mm

图11为入口温度和催化剂尺寸对燃烧温度、壁面温度的影响，图12为入口温度和催化剂尺寸对H₂转化率、CO转化率和出口CO₂浓度的影响。可以看出，随着催化剂高度的增加，催化剂直径减小，燃烧温度逐渐降低，壁面温度逐渐升高，H₂转化率、CO转化率及出口CO₂浓度均先上升后下降。入口温度越高，H₂转化率最高点对应的催化剂高度越小；CO转化率和出口CO₂浓度最高点在催化剂高度为4 mm附近。

图11

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图11 入口温度和催化剂尺寸对燃烧温度、壁面温度的影响

Fig. 11 Effects of inlet temperature and catalyst size on combustion temperature and wall temperature

图12

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图12 入口温度和催化剂尺寸对转化率、出口CO₂浓度的影响

Fig. 12 Effects of inlet temperature and catalyst size on conversion and outlet CO₂ concentration

在停留时间一定的情况下，催化剂的反应程度基本相当。当催化剂高度增加时，散热面积增大，催化剂整体温度降低，壁面温度升高。催化剂高度越大，催化剂越细长，催化层反应温度越低，转化率越低；催化剂高度越小，催化剂越扁平，虽然燃烧温度越高，但是沿径向温度的分布越不均匀。由图9(a)可知，催化剂内部温度分布非常不均匀，虽然最高温度很高，但是平均温度低，影响了H₂和CO转化率。通过对比文献[13]实验结果可知，对催化剂尺寸进行优化后，出口CO₂体积分数从94.72%提高至95.64%，增加了0.92%。

3 结论

采用二维轴对称稳态模型对三元催化剂催化转化SOFC系统阳极尾气的反应特性进行研究，得到入口温度、反应空速和催化剂尺寸对燃烧温度、壁面温度等参数的影响规律，并对反应空速和催化剂尺寸进行优化，基于优化结果，在不增加催化剂用量和成本的基础上，提出了提高出口CO₂浓度的方法，为商业三元催化剂用于SOFC系统阳极尾气催化转化和尾气CO₂富集提供指导。主要结论如下：

1）燃烧温度、壁面温度、H₂转化率、CO转化率、出口CO₂浓度均随入口温度的升高而升高。中心轴线上反应速率越快，H₂和CO转化率越高，但是入口温度对CO转化的影响比H₂要大，说明CO反应对温度更加敏感，因此，提高CO转化率并富集尾气CO₂时需保证一定的反应温度。

2）燃烧温度、壁面温度、H₂转化率、CO转化率、出口CO₂浓度均随空速的增大先升高后降低。对比实验结果，当空速优化为70 000 h^-1左右时，出口CO₂体积分数提高了0.61%。

3）在空速和催化剂体积一定的前提下，改变催化剂尺寸，随着催化剂高度的增加，催化剂直径减小，燃烧温度逐渐降低，壁面温度逐渐升高，H₂转化率、CO转化率以及出口CO₂浓度均先上升后下降。当催化剂高度为4 mm左右时，出口CO₂浓度最高，对比实验结果，出口CO₂体积分数提高了0.92%。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

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