廈門大學(xué)周偉教授團(tuán)隊(duì)：集成余熱回收的在線式自熱型甲醇重整制氫系統(tǒng)性能研究 | CJME論文推薦

引用論文

Yuchen Zhong, Weilong Lin, Kun Dong, Xiaomeng Chen, Yuzhi Ke, Wei Zhou,Performance Prediction of a Compact On-Site Autothermal Methanol Reforming Hydrogen Production System with Integrated Waste Heat Recovery,

Chinese Journal of Mechanical Engineering,2026,100213,https://doi.org/10.1016/j.cjme.2026.100213.

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研究背景及目的

甲醇作為理想液態(tài)氫載體，其在線重整技術(shù)是構(gòu)建分布式氫能體系的關(guān)鍵。自熱式重整系統(tǒng)通過燃燒與反應(yīng)的內(nèi)部耦合實(shí)現(xiàn)能量自維持，但其高效運(yùn)行面臨廢熱精準(zhǔn)管理的核心挑戰(zhàn)。現(xiàn)有系統(tǒng)存在三方面突出問題：催化燃燒產(chǎn)生的高品位熱能未能有效回收，導(dǎo)致系統(tǒng)能效低下與制氫成本攀升；熱管理失衡制約重整反應(yīng)深度，降低甲醇轉(zhuǎn)化率與產(chǎn)氫量，并推高CO選擇性而影響氫氣品質(zhì)；粗放的熱利用模式造成顯著?損，既降低能源品位利用率，又因額外燃料消耗加劇碳排放。為此，本研究開展自熱式甲醇重整系統(tǒng)內(nèi)部廢熱回收研究，通過構(gòu)建穩(wěn)態(tài)仿真模型，評(píng)估不同熱集成方案對(duì)產(chǎn)氫性能、熱力學(xué)效率及經(jīng)濟(jì)性的影響規(guī)律，以確立最優(yōu)操作參數(shù)與熱回收架構(gòu)，為高效低碳的現(xiàn)場(chǎng)制氫系統(tǒng)開發(fā)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

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試驗(yàn)方法

本研究基于 Aspen Plus V11.0 構(gòu)建自熱式甲醇重整制氫系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)流程模型，并利用原型系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，規(guī)劃了六種熱集成策略（I-VI），通過重構(gòu)換熱網(wǎng)絡(luò)與物流分配，實(shí)現(xiàn)催化燃燒尾氣與高溫純氫顯熱的梯級(jí)回收利用，目標(biāo)覆蓋進(jìn)料預(yù)蒸發(fā)、重整反應(yīng)供熱及二者協(xié)同。研究系統(tǒng)考察了水/甲醇摩爾比（1.1-1.5）和空氣/甲醇–水混合物摩爾比（1.2-1.4）等關(guān)鍵參數(shù)，通過求解系統(tǒng)質(zhì)量與能量平衡，建立了涵蓋甲醇轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)氫速率、CO選擇性、能量/?效率及單位產(chǎn)氫CO?排放量的多維評(píng)估體系，為系統(tǒng)優(yōu)化與工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

圖1 具有余熱回收功能的自熱型甲醇重整制氫系統(tǒng)

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結(jié)果

本研究提出了一種集成余熱回收的緊湊型自熱式甲醇重整制氫系統(tǒng)，系統(tǒng)探究了運(yùn)行參數(shù)與熱回收策略對(duì)制氫性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：以W/M=1.4、A/M=1.4為最優(yōu)工況，采用策略VI（催化燃燒尾氣用于原料預(yù)蒸發(fā)，純氫余熱用于重整反應(yīng)供熱）時(shí)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)97.3%的甲醇轉(zhuǎn)化率和11.3 L/min的產(chǎn)氫速率，系統(tǒng)能量效率與?效率分別達(dá)到73.5%和67.3%，單位產(chǎn)氫的二氧化碳排放量降至8.18 kg。該策略通過系統(tǒng)內(nèi)部熱量的合理分配與梯級(jí)利用，實(shí)現(xiàn)了熱量品位與用熱需求的更優(yōu)匹配。經(jīng)濟(jì)性分析表明，盡管該策略初始投資較高，但制氫成本可降至2.472 USD/kg H?，預(yù)計(jì)投資回收期為8年，展現(xiàn)出良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。該系統(tǒng)為開發(fā)高效、低碳的分布式氫能裝備提供了可靠的技術(shù)方案。

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結(jié)論

本研究構(gòu)建的集成余熱回收自熱式甲醇重整制氫系統(tǒng)，是一種高效的在線式氫能制備新方法。通過采用策略VI（催化燃燒尾氣用于原料預(yù)蒸發(fā)、純氫余熱用于重整反應(yīng)供熱），實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部能量的梯級(jí)利用與熱力學(xué)品位匹配，有效提升了制氫效率并降低了碳排放強(qiáng)度。研究闡明了操作參數(shù)與熱回收策略的協(xié)同作用機(jī)制，揭示了甲醇水摩爾比與空氣燃料摩爾比對(duì)系統(tǒng)性能的調(diào)控規(guī)律，確立了最優(yōu)熱管理方案，為發(fā)展高效緊湊型甲醇制氫系統(tǒng)提供了重要的理論支撐和技術(shù)途徑。

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前景與應(yīng)用

本研究工作為在線自熱式甲醇重整制氫系統(tǒng)的能效提升與集成優(yōu)化提供了重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)方案，為實(shí)現(xiàn)在線式制氫裝備制氫產(chǎn)率提升、碳排放強(qiáng)度降低及系統(tǒng)能效優(yōu)化提供了關(guān)鍵的技術(shù)路徑。

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相關(guān)文章/圖書推薦

[1] Salem O. H., Hassan H. A comprehensive review on mainly hydrogen production based on waste heat recovery for single and multigeneration energy systems. Applied Energy, 2026, 402(Part B): 126991.[2] Rostami S. M. R., Al-Shibaany Z., Kay P., Karimi H. R. Deep reinforcement learning and fuzzy logic controller codesign for energy management of hydrogen fuel cell powered electric vehicles. Scientific Reports, 2024, 14: 30917

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作者介紹

周偉教授，廈門大學(xué)薩本棟微米納米科學(xué)技術(shù)研究院副院長、國家杰青、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃首席科學(xué)家，團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人，長期從事于功能微結(jié)構(gòu)精密制造技術(shù)、氫燃料電池、智能傳感等領(lǐng)域的研究工作，主持國家杰青、優(yōu)青等項(xiàng)目50余項(xiàng)，獲教育部技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)（排名第一），福建省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

所帶領(lǐng)的廈門大學(xué)功能微結(jié)構(gòu)精密加工研究團(tuán)隊(duì)長期致力于精密制造技術(shù)、功能微結(jié)構(gòu)制造、新能源與節(jié)能技術(shù)、智能傳感器領(lǐng)域的研究工作。團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)新能源、智能傳感領(lǐng)域?qū)ξ⒔Y(jié)構(gòu)制造的亟迫需求，圍繞三維多孔微結(jié)構(gòu)、有序化微結(jié)構(gòu)等，重點(diǎn)開展了微結(jié)構(gòu)加工機(jī)理、形性調(diào)控與精密制造研究及在新能源裝備、智能傳感器等高端裝備與器件的推廣應(yīng)用工作。近年來，團(tuán)隊(duì)主持/牽頭了國家杰出青年科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、福建省科技重大專項(xiàng)等50余項(xiàng)項(xiàng)目；在以Nat. Commun.、INT J MACH TOOL等為代表的國內(nèi)外權(quán)威期刊上累積發(fā)表論文200余篇；獲得2020年度教育部技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)，2020年度福建省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，2020年度廈門市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

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近年團(tuán)隊(duì)代表性文章

[1] Xu, Wenjun, et al. "Adaptative two-phase thermal circulation system for complex-shaped electronic device cooling." Nature Communications 16 (2025): 1713.

[2] Chen, Rui, et al. "Model-driven 3D laser focus shifting for precision fabrication of microstructures in transparent flexible polymers." International Journal of Machine Tools and Manufacture (2025): 104310.

[3] Li, Xinying, et al. "Fabrication of super hydrophilic surface on FeCrAl-WM with ridged microstructure for Joule-heating catalyst support by UV-laser microprocessing." Journal of Manufacturing Processes 109 (2024): 447–459.

[4] Gao, Chao, et al. "Enhanced Regenerative Cooling Performance with Conformal TPMS Channels" Energy (2025). 322: 135530.

[5] Chen, Rui, et al. "Nonlinearity synergy: An elegant strategy for realizing high-sensitivity and wide-linear-range pressure sensing." Nature Communications 14 (2023): 6641.

作 者：周 偉

責(zé)任編輯：惲海艷

責(zé)任校對(duì)： 向映姣

審 核：張 彤

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