甲醇燃料化MIDREX重整器建模优化：实现高效节能的氢能生产路径

《Energy Conversion and Management-X》：Modeling and optimization of methanol-fueled MIDREX reformers for energy-efficient hydrogen production

为解决传统MIDREX?重整器以甲烷为原料制氢能耗高、碳排放大的问题，研究人员开展了甲醇替代甲烷的重整器级三维CFD模拟研究。结果表明，甲醇重整可在500?K低温下实现与甲烷1300?K相当的合成气产率，能耗降低60%，反应器长度可缩短40%，且Ni-Ga/Al2O3催化剂表现最优。该研究为钢铁行业低碳转型提供了关键技术路径。

　　

全球钢铁行业作为碳密集型产业，其CO₂排放量占全球总排放的7%-9%，面临严峻的 decarbonization（脱碳）压力。在众多炼铁工艺中，直接还原铁（DRI）技术，尤其是MIDREX?工艺，因其较低的碳足迹而备受关注。该工艺的核心装置——重整器，负责生产富含氢气和一氧化碳的还原性气体，用于将铁矿石转化为金属铁。然而，传统的重整过程以天然气（主要成分为甲烷）为原料，通过蒸汽重整和干重整反应制取合成气，这些反应不仅高度吸热、能耗巨大，还会释放大量CO₂。随着“绿色钢铁”概念的兴起，利用低碳或可再生资源生产钢铁，特别是通过氢基直接还原工艺，已成为重要发展方向。但纯氢路线对可再生能源依赖度高，且存在储运挑战。在此背景下，寻找一种能替代甲烷、可在较低温度下高效生产MIDREX兼容合成气（H₂/CO比例约为1.55-1.6）的燃料显得尤为重要。甲醇（CH₃OH）因其含氢量高、储运方便、且可在相对温和的条件下进行重整反应，成为一种极具潜力的替代候选者。

为了评估甲醇在MIDREX重整器中替代甲烷的可行性，并探索其节能降碳潜力，研究人员开展了一项深入的数值模拟研究，相关成果发表在《Energy Conversion and Management: X》上。该研究首次构建了甲醇燃料化MIDREX重整器的三维计算流体动力学（CFD）模型，系统评估了其热化学性能、能量效率及设备可靠性。

研究人员主要运用了计算流体动力学（CFD）建模与仿真技术，具体在COMSOL Multiphysics 6.1软件平台上进行。模型耦合了多物理场：包括达西多孔介质流动、麦克斯韦-斯蒂芬多元组分扩散、能量守恒方程以及管壁热机械应力分析。反应动力学方面，采用了甲醇蒸汽重整（MSR）、甲醇干重整（MDR）和水煤气变换反应（WGS）的全局动力学模型。几何模型基于工业规模的MIDREX重整器单管建立，并进行了详细的网格划分（约百万网格单元）。研究设定了四个主要情景（Scenario A-D），分别考察进料摩尔组成、重整器温度、进气温度以及催化剂类型和分布对系统性能的影响。模型验证使用了Goharzamin公司DRI工厂的实际运行数据。

研究结果

1. 场景A（进料摩尔组成）

通过模拟13种不同进料组成，研究发现通过调节CH₃OH/H₂O/CO₂的比例，可以有效控制出口H₂/CO比并防止积碳。其中，场景6（CH₃OH 18%, CO 12%, CO₂8%, H₂28%, H₂O 34%）能较好地实现目标H₂/CO比（约1.61）。高甲醇进料（如场景11-13）虽能提高合成气总产率，但需配合CO₂进料以调控H₂/CO比并抑制积碳。甲醇在反应器前段约5米内即接近完全转化，表明甲醇重整器长度可缩短约40%，有助于降低投资成本。

2. 场景B（重整器温度）

研究比较了重整器壁温在400 K至600 K范围内的性能。结果表明，甲醇重整在500 K时即可实现高效转化，合成气（H₂+CO）产率与更高温度下相当。相较于甲烷重整所需的约1300 K高温，操作温度降低约800 K，预计可节省约60%的燃料消耗（天然气当量从约300 m3/吨钢降至约120 m3/吨钢），相应减少重整器层面的CO₂排放。热应力分析显示，500 K下管壁的第一主应力最低且分布最均匀，有利于设备长期运行。

3. 场景C（进气温度）

考察了进气温度（300 K, 400 K, 500 K）的影响。发现提高进气温度对最终合成气产率的提升有限，表明预热进气并非提高甲醇重整效率的关键因素。

4. 场景D（催化剂类型）

对比了三种催化剂：C1（Cu/ZnO/Al₂O₃）、C2（Pd/ZnO/Al₂O₃）和C3（Ni-Ga/Al₂O₃）。C3催化剂（Ni-Ga/Al₂O₃）表现出最优性能，其较高的热导率和抗积碳能力使其在获得最高氢产率（摩尔浓度峰值达36 mol/m3）的同时，引发的管壁热应力最低（峰值约4.5 MPa）。研究表明，采用分级催化剂床层（如入口段使用高导热、适度活性的C3，下游使用其他催化剂）可以进一步优化性能，平衡转化率与热管理。

本研究通过严谨的三维CFD模拟，证实了甲醇作为MIDREX重整器燃料的可行性及其显著优势。主要结论包括：甲醇可在显著降低的温度（约500 K对约1300 K）下实现与甲烷相当的合成气产率，从而在重整器层面节约约60%的能耗；甲醇快速的反应动力学使得反应器长度可缩短约40%，降低了资本投入；优化的操作条件（如合适的进料组成、使用Ni-Ga/Al₂O₃催化剂）能有效控制H₂/CO比在MIDREX工艺所需的1.55-1.6范围内，并抑制积碳；较低的操作温度带来了更温和的热应力环境，有利于设备长寿命运维。

该研究的意义在于为钢铁工业的脱碳提供了一条切实可行的技术路径。将MIDREX重整器的原料从甲烷切换为甲醇，不仅可以大幅降低能耗和直接碳排放，还利用了甲醇作为液体燃料在储存和运输上的便利性。更重要的是，如果甲醇本身来源于可再生能源（如绿氢制取的电子甲醇），那么整个钢铁生产链的碳足迹将有望实现深度减排。因此，这项研究不仅展示了甲醇重整在技术上的优越性，也为其作为通向“绿色钢铁”的桥梁提供了强有力的科学依据，对推动重工业低碳转型具有重要的指导意义。