用于核氢生产的刺刀管式硫酸分解器的设计、实验与仿真研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Design, experimental, and simulation studies of bayonet tube sulfuric acid decomposer for nuclear hydrogen production

　　

摘要

刺针式碳化硅反应器是碘硫循环及混合硫循环中硫酸分解装置的关键组成部分，这类循环与高温气冷反应堆结合使用。为提升中试规模应用的产能与热反应性能，研究人员设计了三种刺针式碳化硅反应器并进行了实验评估。最优设计的反应器内部热回收效率超过30%，最大氧气生成速率可达350 NL/h。在100小时的硫酸分解测试中，转化率始终保持在75%以上，展现出稳定的运行性能。研究人员在ANSYS Fluent? 2022R1中构建了多物理场耦合模型，将相变过程视为温度依赖的伪反应，从而实现相变与硫酸分解过程的同步模拟。该模型与实验结果高度吻合，最大误差小于10%，同时有助于了解温度分布、能量传递及物质传输情况。这些研究结果为中试规模硫酸分解系统的优化与放大提供了支撑。

引言

氢气既是工业生产的重要原料，也是可持续能源载体，在交通、发电和冶金等领域的脱碳进程中发挥着关键作用[1,2]。目前，大多数氢气仍通过化石燃料制取，这一过程会产生大量二氧化碳排放，无法满足全球可持续发展目标[3]。热化学水分解循环通过将两个或多个化学反应整合到闭环流程中来实现氢气生产，这类方法可轻松与太阳能或高温气冷反应堆结合，后者能为水分解提供所需的高温工艺热量。这类循环具有高转化效率且无温室气体排放的特点，是实现大规模氢气生产的清洁、高效且可扩展的方案[4]。在各类热化学水分解循环中，碘硫循环和混合硫循环被视为与高温气冷反应堆结合的最佳候选者，具备巨大的工业化应用潜力[5,6]。图1展示了与高温气冷反应堆结合的碘硫循环和混合硫循环的示意图。

硫酸分解是碘硫循环和混合硫循环中的关键步骤，它使得高温工艺热量能够被用于氢气生产。目前已有大量关于硫酸分解工艺及催化剂的研究，这些研究推动了高效催化剂以及优化工艺方案的诞生[[7], [8], [9]]。然而，硫酸分解设备需要在高温、高压以及强腐蚀性环境中运行，这给材料选择、结构设计、热量传递、密封处理以及设备制造带来了极大挑战，因此相关实验研究与工程放大研究仍然较为有限。

硫酸分解过程包含两个阶段：首先是对H₂SO₄进行蒸发和热分解，随后是对SO₃进行催化分解。目前已有多种分解器设计方案出现。日本原子能机构开发了氦气加热的整体式碳化硅H₂SO₄分解器以及SO₃分解器[10]；法国替代能源与原子能委员会提出了采用印刷电路换热器和板翅式换热器来实现硫酸分解[11]；浙江大学清洁能源利用国家重点实验室独立研发了三级反应器，将硫酸沸腾、热分解和催化分解三个步骤分开处理[12]。由于SO₃会与水蒸气迅速反应重新生成硫酸，因此在阶段间传输过程中如何防止热量流失并保持密封性仍是重大难题。美国桑迪亚国家实验室设计了刺针式碳化硅反应器，该反应器可在电加热条件下实现硫酸预热、浓缩、H₂SO₄分解以及SO₃催化分解功能[13]；西屋电气公司则设计了燃气加热的壳管式硫酸分解器[14]；清华大学核能与新能源技术研究院研制出了首台燃气加热型硫酸分解器原型，并研究了其在氦气加热条件下的热量传递与反应性能[15]。

除了实验研究之外，还有不少关于硫酸分解器的数值模拟研究。沈某等人建立了固定床硫酸分解器的三维模型，并采用效率系数法确定了其最佳运行条件[16]；张某等人对三级硫酸分解器蒸发段中的沸腾过程进行了模拟，证实所设计的结构能够实现足够的硫酸蒸发量[17]；科格纳莱等人对刺针式碳化硅反应器开展了数值模拟研究，运用有限体积法建立了详细的传质现象模型[18]；崔某等人模拟了反应器在常压及高压条件下的内部与外部环境，得到了温度分布及与相变相关的参数[19]；申某等人对半中试规模的硫酸分解器进行了数值模拟，研究了总传热系数对分解速率的影响，并提出了改进方向[20]；高某等人建立了考虑相变与化学反应的耦合模型，可用于模拟完整的硫酸分解过程，同时还分析了刺针式碳化硅反应器内的分解过程[21]。

目前，刺针式碳化硅反应器的处理能力仍然相对较低，难以满足工业化应用的需求。此外，现有的多数数值模拟研究都忽略了硫酸的相变行为。很少有数值模型能够同时考虑硫酸的相变与两步分解反应，而且大部分模拟缺乏实验验证，这也限制了结果的可靠性。为解决现有硫酸分解器的不足，本研究提出了刺针式碳化硅反应器的设计、放大方案及其性能评估方法。研究人员设计了三种反应器结构，并通过水流动试验和硫酸分解试验对其进行了实验研究。基于实验结果，建立了考虑相变与化学反应的耦合多物理场数值模型，并对其进行了验证。之后利用该验证后的模型分析了反应器内部的温度分布、物质传输行为以及能量分布情况。这项研究既为核辅助氢气生产的中试规模硫酸分解系统的发展提供了实验依据，也给出了理论支持。

章节节选

碳化硅反应器的设计与制造

根据不同的催化剂布置方式，研究人员提出了两种刺针式碳化硅反应器结构，分别命名为A型和B型（见图2）。在A型结构中，催化剂床层位于内外管之间的环形间隙内，这样能够最大限度地利用外部提供的热量。而B型结构则将催化剂床层置于内管内部，这种设计便于催化剂的装填与更换，同时也简化了反应器的组装流程。在硫酸分解过程中，液体

实验系统

实验系统的示意图如图4所示。硫酸通过进料泵送入反应器，产生的产物流首先经过冷凝，然后在气液分离器中进行分离。液相被收集为稀硫酸，而气相则经过干燥、计量处理后，再通过二氧化硫吸收塔处理后排出。反应器则通过分段式电炉进行加热，还在反应器上安装了控制用热电偶

反应器的热工水力性能

首先，研究人员进行了热工水力实验，旨在探究水流速率对反应器温度分布、压降以及传热性能的影响。

不同水流速率下三种反应器的外壁温度分布测量结果如图6所示。总体来看，随着水流速率的增加，加热段的外壁温度会出现下降，这是因为更多的热量被用于水的加热与汽化。在

硫酸分解试验

在完成初步的水流动试验之后，研究人员又进行了硫酸分解试验，以此评估碳化硅反应器的热工水力性能与反应性能。他们系统地研究了硫酸进料速率对温度分布、压降、氧气生成速率以及反应器热负荷的影响。实验结果有助于分析不同反应器结构的传热特性与硫酸分解性能。

数值模拟

为更深入地了解反应器运行过程中的内部传质现象，研究人员使用ANSYS Fluent 2022R1开展了数值模拟。该计算模型是基于反应器2的实验数据建立并经过验证的。通过这些模拟，研究人员分析了水流动过程以及硫酸分解过程中的流场与温度场分布，同时还研究了物质浓度的变化规律。

该几何模型中对催化剂采用了简化表示方式

结论

为克服现有碳化硅反应器在中试规模硫酸分解应用中存在的处理能力低、性能受限等问题，本研究设计并开发了一种高性能的刺针管式碳化硅分解器。研究人员共制造了三种反应器结构，并从热工水力性能与反应性能两个方面对它们进行了系统性评估。最终确定了最优的反应器设计方案，同时还进一步分析了该反应器内部的流体流动、温度分布以及物质分布情况

作者贡献说明

张鹏：资金获取、实验研究、论文初稿撰写、论文审阅与修改。孙琪：实验研究、方法设计、软件应用。肖鹏：数据整理、实验研究。吴娟：数据整理、软件应用。李琳：方法设计、资源协调。刘雷：方法设计、资源协调。张平：资金获取、实验研究、项目管理、资源协调、论文审阅与修改。

利益冲突声明

所有作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国核工业集团的青年人才计划以及中国核工业集团的创新项目（编号：CNNC-LCKY2024-005）的支持。

Peng Zhang|Qi Sun|Peng Xiao|Juan Wu|Lin Li|Lei Liu|Ping Zhang

Chinergy Co., Ltd, Beijing, 100193, China