基于循环吸附的氢载体储存系统的非局部热平衡建模

《International Journal of Hydrogen Energy》：Non-local thermal equilibrium modelling of recirculating type adsorption-based storage systems for hydrogen carrier

本研究提出了一种循环式吸附储甲烷系统，通过控制进气温度和外置冷却装置，使甲烷吸附量提升23%，同时将冷却需求从71kW降至24kW。分析表明，颗粒尺寸减小至35μm可显著提高吸附量（提升2.8倍），但需平衡压力降；最佳几何比（AR=4.3）在降低熵生成的同时实现高效储氢，验证了循环系统在热管理和能量效率上的优势。

　　甲烷作为一种重要的氢载体，其储存技术在氢能利用领域具有重要地位。传统上，甲烷的储存依赖于压缩天然气（CNG）和液化天然气（LNG）等技术，但这些方法在应用中存在一定的局限性。例如，CNG储存容器体积较大，重量较重，成本较高，限制了其在运输工具中的使用；而LNG则需要在极低温条件下维持，这对系统的设计和操作提出了更高的要求。为了克服这些限制，吸附式天然气（ANG）技术被提出，它利用微孔材料如活性炭来实现低压力（3.5–4 MPa）的甲烷储存。ANG不仅减少了压缩成本，还允许使用更轻的材料如铝来设计储存容器，并且提供了更灵活的储存几何结构。然而，要优化ANG技术的性能，还需解决非线性吸附等温线和快速充装过程中热量生成等问题。

为了提升ANG系统的性能，研究者们提出并分析了一种循环型吸附反应器。这种反应器通过控制入口温度和将未吸附气体通过外部冷却装置循环，从而提高了甲烷的吸附量。与传统的封闭式反应器相比，该循环系统实现了23%的甲烷吸附量提升，同时将冷却需求从71kW降至24kW。此外，研究还发现，添加10%的石墨虽然提升了吸附量，但会显著增加冷却功率需求至210kW，而循环系统则在仅需1/4的冷却需求下达到了相近的吸附效果。这表明，通过优化反应器设计，可以有效提升系统的能量效率。

在循环型反应器中，吸附剂颗粒尺寸的减小对甲烷吸附量产生了显著影响。研究发现，将颗粒尺寸从280μm减少到35μm，吸附量提升了2.8倍，但同时伴随着约1bar的压力降。这种压力变化虽然影响了系统的流动特性，但其对吸附效率的提升效果更为明显。同时，研究还分析了反应器的长宽比（AR），发现当AR为4.3时，系统实现了最佳的吸附效果和最小的不可逆性。这表明，在设计吸附式储存系统时，需要综合考虑反应器的几何参数，以达到最佳的热管理和吸附效率。

为了进一步优化反应器性能，研究还探讨了反应器的热管理方式。通过在反应器外部添加冷却系统，可以显著减少热量积累，从而降低冷却负荷。研究还比较了不同热管理方式对系统性能的影响，发现使用自然对流和强制对流相结合的冷却方式能够有效提高甲烷的吸附效率。例如，在强制对流条件下，冷却负荷需求减少，同时甲烷的吸附量提高，表明该方式在热管理方面具有优势。然而，强制对流需要更多的能量投入，这可能会影响系统的整体效率。

研究还采用了非局部热平衡（NLTE）模型来分析吸附反应器中的热传递特性。与局部热平衡（LTE）模型相比，NLTE模型能够更准确地反映气体和固体之间的温度差异，从而更好地预测系统的性能。在LTE模型中，假设气体和固体之间的热交换是瞬时完成的，这可能忽略了一些重要的热传递机制，如内部热传导和界面热传递。因此，在高温和高热流条件下，NLTE模型的使用显得尤为重要。此外，研究还发现，热传导率的提升可以显著改善吸附过程中的热传递，但必须权衡其对系统能量需求的影响。

在对反应器的模拟过程中，研究采用了COMSOL Multiphysics软件，该软件基于有限元方法（FEM）并具有自适应网格划分功能。通过比较不同网格密度和时间步长下的模拟结果，研究验证了网格和时间步长的独立性。结果显示，当网格密度适中时，甲烷的吸附量变化较小，说明此时的网格划分已经足够精确。同时，时间步长的独立性测试表明，当时间步长为1秒时，甲烷的吸附量变化不大，说明此时的模拟已经足够稳定。

为了进一步验证模型的准确性，研究还将其与实验数据进行了对比。结果显示，模型的预测结果与实验数据之间的偏差小于3%，表明该模型在描述甲烷吸附过程中的热和质量传递特性方面具有较高的可靠性。此外，研究还通过统计误差指标如均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）和平均绝对相对偏差（AARD）对模型进行了量化评估，结果表明模型在不同数据集中的预测误差均较小，验证了其在实际应用中的可行性。

研究还分析了不同反应器配置对冷却负荷和甲烷吸附量的影响。结果表明，循环型反应器在无需添加石墨的情况下，能够实现比强制对流反应器更高的吸附量，并且冷却负荷显著降低。相比之下，强制对流反应器虽然在某些情况下表现出更好的吸附性能，但其冷却负荷远高于循环型反应器，这可能影响系统的整体效率。此外，研究还发现，添加石墨虽然提高了吸附量，但同时也增加了冷却负荷，这表明在优化反应器性能时，必须权衡吸附效率和能量消耗之间的关系。

为了更全面地评估系统的性能，研究还引入了熵生成数（EGN）这一非维度参数。EGN可以用来衡量吸附过程中的热损失和不可逆性。研究发现，当反应器的长宽比为4.3时，EGN达到最小值，表明此时的系统设计最有利于热管理和吸附效率的提升。这表明，在设计吸附式储存系统时，需要考虑EGN的优化，以减少热损失并提高系统的整体效率。

研究还探讨了反应器的几何参数对冷却负荷和吸附量的影响。结果表明，当长宽比增加时，虽然冷却负荷减少，但吸附量的变化相对较小。这说明，在设计反应器时，需要在吸附效率和冷却需求之间找到平衡点。此外，研究还发现，甲烷的吸附量与反应器的几何形状密切相关，优化反应器的长宽比可以显著提升吸附效率。

综上所述，本研究提出了一种循环型吸附反应器，通过控制入口温度和循环未吸附气体，有效提升了甲烷的吸附量，并显著降低了冷却负荷。同时，研究还探讨了吸附剂颗粒尺寸、反应器长宽比以及热管理方式对系统性能的影响，提出了优化吸附式储存系统的设计指南。这些研究结果为未来开发更高效、更节能的甲烷储存技术提供了理论依据和实践指导。