本發(fā)明涉及能源，具體涉及一種基于cfd數(shù)值模擬和時空建模的固定床粗煤氣高效制氫方法。

背景技術：

1、煤炭是我國最主要的能源資源，且主要用于發(fā)電，近年隨著雙碳目標的制定及全球?qū)Νh(huán)境保護理念的日趨普及，對煤炭資源的高效潔凈利用成為了最主要的研究課題。提高煤炭利用率本身就是在做碳減排，推進煤炭的分質(zhì)分級梯級利用，相比于直接燃燒發(fā)電，可以顯著提高煤炭利用效率，降低單位產(chǎn)能的碳排放。煤氣化技術研究已經(jīng)較為成熟，煤氣化生成的粗煤氣中含有較多co、ch4等高熱值可燃燒氣體成分，可通過水煤氣反應將粗煤氣制成更加綠色清潔的高熱值氣體——氫氣。鑒于我國以煤炭為主要化石能源的能源供應結(jié)構(gòu)，煤氣化制氫的最大優(yōu)勢在于原料成本低廉，加之相關技術路線的成熟、裝置規(guī)模較大，因此，在現(xiàn)階段乃至未來十年都將是我國大規(guī)模制氫的主流技術。

2、然而，煤氣化制氫過程涉及粗煤氣的化學反應過程，其中溫度、壓力、催化劑種類、固定床反應器結(jié)構(gòu)等多耦合條件均會對制氫效率和結(jié)果產(chǎn)生影響，實際實驗過程中，由于溫度控制、壓力控制等條件的最小控制間隔難以細化并穩(wěn)定在一個較小區(qū)間，且如何提前、準確控制粗煤氣制氫過程中各反應物對制氫結(jié)果的影響，仍是一個較大的難點。因此數(shù)值模擬方法的介入顯得尤為重要，數(shù)值模擬過程可以細化反應條件區(qū)間，對多種耦合條件進行組合，實現(xiàn)對實際實驗工況的補充，在對不同粗煤氣組分、不同工作條件變化的制氫過程中獲得較為全面的數(shù)據(jù)信息；如何準確、快速獲得最佳的高效制氫工況條件預測也是技術研究中的盲區(qū)，近年隨著科技進步，機器學習、人工智能的技術方法得到了越來越多的實際應用，它可以從簡單的試驗值開始，快速研究潛在的復雜非線性關系，構(gòu)建出所需的反應條件預測模型，為解決粗煤氣高效制氫的條件預測提供了理論方法。

技術實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種基于cfd數(shù)值模擬和時空建模的固定床粗煤氣高效制氫方法，以解決現(xiàn)有技術方法中存在的粗煤氣組分變化影響制氫效率、制氫能耗較高以及固定床反應舟內(nèi)催化劑最優(yōu)反應工況未知等問題。

2、技術方案：本發(fā)明所述的一種基于cfd數(shù)值模擬和時空建模的固定床粗煤氣高效制氫方法，包括以下步驟：

3、(1)搭建固定床粗煤氣制氫實驗平臺并進行固定床粗煤氣制氫實驗；

4、(2)構(gòu)建cfd固定床制氫三維數(shù)理模型并進行多工況數(shù)值模擬；

5、(3)基于實驗及數(shù)值模擬數(shù)據(jù)構(gòu)建固定床粗煤氣高效制氫時空預測模型，實現(xiàn)粗煤氣組分變化時的固定床最優(yōu)制氫反應條件預測。

6、進一步的，步驟(1)中，固定床粗煤氣制氫實驗平臺通過改變固定床反應器中粗煤氣氣體組分、反應溫度、反應壓力、反應舟內(nèi)催化劑顆粒細度、顆粒種類反應條件進行改變，獲得實驗工況下催化劑排列組合相關實驗數(shù)據(jù)。

7、進一步的，步驟(1)具體如下：固定床粗煤氣制氫平臺溫度控制范圍達1000℃、壓力可變范圍在0.1-1mpa、反應器管徑70mm，長約1m；粗煤氣進口溫度變化在750-950℃之間，以100℃為間隔進行三組條件劃分；工作壓力以0.1-0.5mpa之間，以0.1mpa為間隔進行五組條件劃分；、反應舟通過推拉桿進行取送；采取柱型結(jié)構(gòu)設計，底部開孔作為氣體流通進口，頂部設置為螺紋牙口圓形孔板與柱狀反應舟耦合緊固并作為氣體流通出口；催化劑選用au與載體碳化鉬、銅鋅鋁、jt-1作為實驗用催化劑品類；反應舟自下而上填充催化劑，采用三段式分隔，每段內(nèi)可放置不同品類、不同顆粒細度的催化劑進行組合實驗，催化劑顆粒粒徑在0.5-5.5mm之間，以1mm為間隔。

8、進一步的，步驟(2)中，通過對固定床反應器構(gòu)建三維模型并劃分網(wǎng)格，將反應舟段分隔成3段獨立管體空間可分別設定內(nèi)置催化劑、種類及顆粒粒徑參數(shù)；數(shù)值模擬中溫度以20℃為間隔，在750-950℃之間劃分、工作壓力以0.05mpa為間隔，在0.1-0.5mpa之間劃分、顆粒粒徑以0.5mm為間隔，在0.5-5.5mm之間劃分；通過數(shù)值模擬對實驗工況組進行擴充，同時對內(nèi)部反應機理做段式切分，記錄不同管道截面處的反應物濃度信息、反應物濃度隨時間變化數(shù)據(jù)并保存。

9、進一步的，步驟(3)中，以數(shù)值模擬數(shù)據(jù)中，固定床反應器各截面作為劃分節(jié)點，構(gòu)建單向流動矩陣，將各節(jié)點反應物濃度、反應物隨時間變化作為維度信息進行卷積，提取時空特性，構(gòu)建基于圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡與門控循環(huán)單元的固定床粗煤氣高效制氫時空預測模型。

10、進一步的，空預測模型構(gòu)建具體如下：將固定床反應器三維模型作為一個整體空間，以時間流動作為衡量維度，在進口、出口之間劃分多個二維截面，最終形成進口截面、內(nèi)部截面1、內(nèi)部截面2、…、內(nèi)部截面n、出口截面的多空間參數(shù)組，各二維截面以圓形、邊界、中間區(qū)域設置反應物組分和濃度監(jiān)測點，形成空間特征，并利用圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡進行提??；各界面同一節(jié)點上不同時間下的節(jié)點參數(shù)變化，形成時間特征，利用門控循環(huán)單元進行提??；最終，融合時間與空間特征，構(gòu)建粗煤氣高效制氫時空預測模型，獲得粗煤氣變組分下最優(yōu)制氫工況條件。

11、本發(fā)明所述的一種基于cfd數(shù)值模擬和時空建模的固定床粗煤氣高效制氫系統(tǒng)，包括：

12、實驗模塊：用于搭建固定床粗煤氣制氫實驗平臺并進行固定床粗煤氣制氫實驗；

13、數(shù)值模擬模塊：用于構(gòu)建cfd固定床制氫三維數(shù)理模型并進行多工況數(shù)值模擬；

14、模型預測模塊：用于基于實驗及數(shù)值模擬數(shù)據(jù)構(gòu)建固定床粗煤氣高效制氫時空預測模型，實現(xiàn)粗煤氣組分變化時的固定床最優(yōu)制氫反應條件預測。

15、本發(fā)明所述的一種電子設備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，所述計算機程序被加載至處理器時實現(xiàn)根任一項所述的一種基于cfd數(shù)值模擬和時空建模的固定床粗煤氣高效制氫方法。

16、本發(fā)明所述的一種存儲介質(zhì)，所述存儲介質(zhì)存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)任一項所述的一種基于cfd數(shù)值模擬和時空建模的固定床粗煤氣高效制氫方法。

17、有益效果：與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點：利用cfd數(shù)值模擬技術與實驗平臺獲得經(jīng)交叉驗證的相關數(shù)據(jù)，為時空建模提供了高效準確數(shù)據(jù)來源，基于時空圖神經(jīng)網(wǎng)絡方法所構(gòu)建的模型響應迅速、結(jié)果準確，實現(xiàn)了固定床粗煤氣高效制氫工藝條件的提前預測。

技術特征：

1.一種基于cfd數(shù)值模擬和時空建模的固定床粗煤氣高效制氫方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于cfd數(shù)值模擬和時空建模的固定床粗煤氣高效制氫方法，其特征在于，步驟(1)中，固定床粗煤氣制氫實驗平臺通過改變固定床反應器中粗煤氣氣體組分、反應溫度、反應壓力、反應舟內(nèi)催化劑顆粒細度、顆粒種類反應條件進行改變，獲得實驗工況下催化劑排列組合相關實驗數(shù)據(jù)。

3.根據(jù)權利要求2所述的一種基于cfd數(shù)值模擬和時空建模的固定床粗煤氣高效制氫方法，其特征在于，步驟(1)具體如下：固定床粗煤氣制氫平臺溫度控制范圍達1000℃、壓力可變范圍在0.1-1mpa、反應器管徑70mm，長約1m；粗煤氣進口溫度變化在750-950℃之間，以100℃為間隔進行三組條件劃分；工作壓力以0.1-0.5mpa之間，以0.1mpa為間隔進行五組條件劃分；、反應舟通過推拉桿進行取送；采取柱型結(jié)構(gòu)設計，底部開孔作為氣體流通進口，頂部設置為螺紋牙口圓形孔板與柱狀反應舟耦合緊固并作為氣體流通出口；催化劑選用au與載體碳化鉬、銅鋅鋁、jt-1作為實驗用催化劑品類；反應舟自下而上填充催化劑，采用三段式分隔，每段內(nèi)可放置不同品類、不同顆粒細度的催化劑進行組合實驗，催化劑顆粒粒徑在0.5-5.5mm之間，以1mm為間隔。

4.根據(jù)權利要求1所述的所述的一種基于cfd數(shù)值模擬和時空建模的固定床粗煤氣高效制氫方法，其特征在于，步驟(2)中，通過對固定床反應器構(gòu)建三維模型并劃分網(wǎng)格，將反應舟段分隔成3段獨立管體空間可分別設定內(nèi)置催化劑、種類及顆粒粒徑參數(shù)；數(shù)值模擬中溫度以20℃為間隔，在750-950℃之間劃分、工作壓力以0.05mpa為間隔，在0.1-0.5mpa之間劃分、顆粒粒徑以0.5mm為間隔，在0.5-5.5mm之間劃分；通過數(shù)值模擬對實驗工況組進行擴充，同時對內(nèi)部反應機理做段式切分，記錄不同管道截面處的反應物濃度信息、反應物濃度隨時間變化數(shù)據(jù)并保存。

5.根據(jù)權利要求1所述的所述的一種基于cfd數(shù)值模擬和時空建模的固定床粗煤氣高效制氫方法，其特征在于，步驟(3)中，以數(shù)值模擬數(shù)據(jù)中，固定床反應器各截面作為劃分節(jié)點，構(gòu)建單向流動矩陣，將各節(jié)點反應物濃度、反應物隨時間變化作為維度信息進行卷積，提取時空特性，構(gòu)建基于圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡與門控循環(huán)單元的固定床粗煤氣高效制氫時空預測模型。

6.根據(jù)權利要求5所述的所述的一種基于cfd數(shù)值模擬和時空建模的固定床粗煤氣高效制氫方法，其特征在于，空預測模型構(gòu)建具體如下：將固定床反應器三維模型作為一個整體空間，以時間流動作為衡量維度，在進口、出口之間劃分多個二維截面，最終形成進口截面、內(nèi)部截面1、內(nèi)部截面2、…、內(nèi)部截面n、出口截面的多空間參數(shù)組，各二維截面以圓形、邊界、中間區(qū)域設置反應物組分和濃度監(jiān)測點，形成空間特征，并利用圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡進行提??；各界面同一節(jié)點上不同時間下的節(jié)點參數(shù)變化，形成時間特征，利用門控循環(huán)單元進行提??；最終，融合時間與空間特征，構(gòu)建粗煤氣高效制氫時空預測模型，獲得粗煤氣變組分下最優(yōu)制氫工況條件。

7.一種基于cfd數(shù)值模擬和時空建模的固定床粗煤氣高效制氫系統(tǒng)，其特征在于，包括：

8.一種電子設備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被加載至處理器時實現(xiàn)根據(jù)權利要求1-6任一項所述的一種基于cfd數(shù)值模擬和時空建模的固定床粗煤氣高效制氫方法。

9.一種存儲介質(zhì)，所述存儲介質(zhì)存儲有計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)根據(jù)權利要求1-6任一項所述的一種基于cfd數(shù)值模擬和時空建模的固定床粗煤氣高效制氫方法。

技術總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于CFD數(shù)值模擬和時空建模的固定床粗煤氣高效制氫方法，包括以下步驟：(1)搭建固定床粗煤氣制氫實驗平臺并進行固定床粗煤氣制氫實驗；(2)構(gòu)建CFD固定床制氫三維數(shù)理模型并進行多工況數(shù)值模擬；(3)基于實驗及數(shù)值模擬數(shù)據(jù)構(gòu)建固定床粗煤氣高效制氫時空預測模型，實現(xiàn)粗煤氣組分變化時的固定床最優(yōu)制氫反應條件預測；本發(fā)明實現(xiàn)了固定床粗煤氣高效制氫工藝條件的提前預測。

技術研發(fā)人員：蔣雙春,鐘文琪,邵應娟,周冠文
受保護的技術使用者：東南大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/26