中温条件下铝镁锂合金与水反应的动态过程

中温条件下铝镁锂合金与水反应的动态过程

张圣胜;张天佑;杨卫娟;周俊虎;刘建忠

【摘 要】铝水反应是铝作为新能源的一种主要利用方式.为了探究熔融态下铝水反

应的动态传递规律,利用自制的反应器,研究了中温条件下铝镁锂合金与水蒸气反应

的动态过程,并对反应器内部的温度、压力、氢产率进行了实时监测.实验结果表明:

启动温度为500℃时,通入水蒸气后,反应器内部温度迅速升高,最高温度为791℃;金

属反应区的截面温度分布差异较大,存在局部的核心高温区;随着反应的进行,核心高

温区自进水口处向外向下传递,传递速率约为0.33 mm/s,该速率主要是由水蒸气扩

散速率和热传递速率共同决定的.%Aluminum-water reaction was a main way

for aluminum to be ud as new energy. In order to investigate the

dynamic transfer rule in molten state, the reaction process of Al-Mg-Li

alloy with water企业海报 vapor under medium temperature was studied by using

the homemade reactor. The temperature, pressure and hydrogen

production rate in the reactor were also monitored in real time. The results

show that the temperature ro rapidly after the water vapor was pumped

into reactor at 500℃ and the highest temperature could reach to 791 ℃.

The temperature in the alloy zone had an apparent difference, even in the

same cross ction. There was a local reaction core area which temperature

was very high. As the reaction goes on, the core area of the reaction

pasd outwards and downwards from the water inlet, the transfer rate

calculated was 0.33 mm/s, it is mainly affected by the speeds of both vapor

transmission and heat transfer.

【期刊名称】《可再生能源》

【年(卷),期】2017(035)012

【总页数】5页(P1739-1743)

【关键词】铝镁锂;制氢;传热;温度场

【作 者】张圣胜;张天佑;杨卫娟;周俊虎;刘建忠

【作者单位】浙江大学 热能工程研究所, 浙江 杭州 310027;浙江大学 热能工程研

究所, 浙江 杭州 310027;浙江大学 热能工程研究所, 浙江 杭州 310027;浙江大学

热能工程研究所, 浙江 杭州 310027;浙江大学 热能工程研究所, 浙江 杭州 310027

【正文语种】中 文

【中图分类】TK91

铝作为地壳中含量最多的金属元素，具有来源广、价格低廉、能量密度高、无毒、

易于存放等优点，并在水下推进剂、氢热联产和燃料电池等多个能源领域被广泛利

用[1]~[5]。但是，由于纯铝的化学性质较活下元节是鬼节吗 泼，常温下其表面会形成一层致密的

氧化膜，阻碍了内部铝的继续反应。因此，如何去除铝表面的氧化膜以保障反应的

稳定进行，使铝能够高效产氢与放热，是铝能源利用的关键点[6]~[10]。

采用碱性溶液（NaOH，KOH等）腐蚀掉铝表面的氧化膜是一种去除铝表面氧化

膜的常用方法。Stockburger通过实验发现，在温度为70～90℃，NaOH浓度为

5.75 mol/L时，铝水反应的产氢速率最大[11]。制备铝合金也是一种提高铝金属

反应活性的常用方法，将铝与低熔点金属制备成合金，不仅可历史得分榜nba 以消除铝表面氧化膜

的阻碍，低熔点金属还能从内部改变铝的化学性质，从而大大提高铝水反应的制氢

效率。常用的金属添加剂有Mg，Li，Ga，Sn，Bi等[12]~[16]。 在传统的溶液中，

铝水反应在破除氧化膜和高效制氢方面均有不错的表现，但是，溶液中的反应不可

避免地导致大部分的反应热被溶液本身所吸收，因此，反应热的利用率不高。

Yang研究了熔融态下的不同金属添加物对铝水反应的影响，研究结果表明，Mg

和Li对铝水反应起到明显的促进作用，当温度为500℃，给水量为3 mL/min时，

反应的产氢、放热效果最佳；Yang还发现，在反应器底部仍有小部分铝未参与反

应，因此，熔融态下铝水反应的效率仍存在一定的提升空间[17]，[18]。为了进一

步提高铝水反应效率，还须对反应的动态过程进行研究分析。

本文利用自制的小型铝水反应器，在启动温度为500℃，给水量为3 mL/min，氩

气流量为300 mL/min的工况下，研究中温（400~800℃）条件下铝镁锂合金与

水蒸气的动态反应过程，通过对反应器内部的温度、压力、产氢等进行监测分析，

得出了熔融态下铝水反应的动态传递规律，为进一步提高铝水反应效率提供了新思

路。

铝粉（粒径为 45 m，纯度为 99.9%）、镁粉（粒径为 45 m，纯度为

99.9%）、铝锂合金（粒径为45 m，纯度为99.9%，锂含量为20%）。样品按

照铝∶镁∶锂=8∶1∶1 的质量比混合后，置入行星式球磨机中高速球磨12 h，制

备成合金。

实验装置如图1，2所示。反应器由不锈钢材料制成，反应器内部的温度通过热电

偶监测得出，反应器内布置有3组共12个热电偶，同步测量各测点的温度。T1，

T2，T3和T4分别代表反应器内由下至上不同位置的温度，4个热电偶测点的间

距均为2 mm，其中，T1为反应器底部的温度，T3为气-固分界面的温度。3组

热电偶分别布置在进水管处（A 点）、远端（B 点）和侧面位置（C 点），进水口

（D点）在A处T3测点附近。进水管的内径为5 mm，进水口（D点）距离反应

器底部5 mm。取5 g样品置于反应器内，样品高度为4 mm；将反应器置于反

应炉中加热；启动反应炉前，先向反应器内持续通入氩气以排出空气；样品在反应

器内部被加热至500℃时，通入水蒸气，启动反应；微量注射泵将水送入反应器

与样品反应，载气为氩气，给水量为3mL/min，氩气流量为300mL/min。水在

进入反应器前，会先经伴热带加热成200℃的蒸汽，再和氩气一起经进水管送入

反应器内部，与关于毛泽东 铝镁锂合金反应。反应生成的氢气经过冷凝管冷凝，再经干燥器

（硅胶）进行干燥处理后，进入气体分析仪中进行检测分析，实时读取仪表数据。

反应过程中的压强变化通过压力传感器检测得出，并通过安捷伦记录。

产氢速率和压强随时间的变化如图3所示。由图3可以看出，通入神奇近义词 水蒸气后，水

蒸气与高温铝接触并迅速发生反应，产氢速率迅速提高，在72 s附近达到最高反

应速率，约为 160 mL/（ming）。随后，由于金属氧化物的生成和物理隔离，阻

碍了水蒸气与未反应金属的接触，反应中心开始向进水口外围移动，产氢速率变慢，

压强也逐步下降。由产氢速率和压强的变化曲线可以看出，高速产氢阶段主要发生

在0~150 s。通过对全过程的氢气产量进行积分，可得氢气产率为75%，尚有25%

的金属未能与水蒸气发生反应。

根据热电偶测得的数据可以得到反应过程中各个区域的温度变化过程（图4）。将

反应峰定义为温度快速上升的转折点，并将反应峰作为判断反应扩散过程进入稳定

阶段的依据。由图4可以看出：进水管附近，不同高度的测点均很快发生反应并

达到温度最高点，T1，T2，T3，T4 达到反应峰的时刻分别为 62，61，57，57 s，

差距很小，说明接近水蒸气的区域反应速度很快，60 s左右便达到反应峰；进水

口侧面 T1，T2，T3，T4达到反应峰的时刻分别为 124，128，114，114 s，与

此对比，远端温度到达反应峰的时间大大增加，T1和T2到达反应峰的时刻为

158 s和151s。反应器内各温度测点在160 s前均达到了最大值，表明在0~160

s阶段金属与水反应剧烈，温度快速上升，氢气大量析出，与图3中的高速产氢阶

段相互验证。同时发现进水管附近的A点处于高温段的时间较短，在200 s附近，

T1和T2就降低到500℃以下。这是因为A点附近的金属在反应初期因快速反应

而消耗殆尽，转化为金属氧化物，随后通入水蒸气时，由于水蒸气温度低于金属氧

化物温度，因此，水蒸气被加热，金属氧化物被冷却，使得A点的温度不断下降。

被加热的水蒸气穿过金属氧化物，与A点外围和下部的金属发生反应，反应区向

外向下移动，同时使得高温区也随之移动，从而出现了如图4所示的温度变化规

律。

综上所述，可以认为反应期内高温区即是反应核心区，高温区的移动规律能够代表

反应传播规律，下面就此进行分析。分别以 T1，T2，T3所在的横截面为研究对

象，分析铝水反应在同一水平高度上的传递规律，结果如图5所示。从图5可以

看出，在60 s时，进水管附近的反应达到反应峰，侧面位置在约120 s达到反应

峰，进水口的远端位置到达反应峰的时间约为150 s，即整体反应在前中期到达反

应高峰。T1层由于受到底部炉温的影创造性思维的特征 响，其远端（B点）较T2层温度更高，升温

速度更快。在反应物表面（T3层），由于较低温度的水蒸气和气体扰动的影响，

温度整体较T1，T2层低。

根据图2和图5，可以计算出反应沿不同方向的平均传播速率。在反应物表面

（T3层）：VAB=0.35 mm/s，VAC=0.37 mm/s；在反应物中部（T2层）：

VAB=0.33 mm/s，VAC=0.32 mm/s；在反应物底部（T1层）：VAB=0.31

mm/s，VAC=0.34 mm/s。

反应沿不同方向的传播速率大体相等，偏差小于12%，平均传播速率为

0.330.04 mm/s。理论上，反应器内的反应传播速率是由金属-水化学反应速率、

水蒸气扩散速率和热传递速率共同决定的。热传递会影响已反应区向未反应区的传

热和水蒸气在运动过程中的升温，从而影响化学反应和扩散的具体过程和速率。从

化学动力学上讲，铝镁锂合金的着火温度约为380℃，而反应器的预热温度为

500℃，即水蒸气接触到金属后，金属会迅速发生着火反应，反应速率常数K≈10

s-1。若以化学反应来判断反应传播速率，则反应时间约为10-1s量级。水蒸气从

液面上部通入反应器，除表面上的金属外，其他部位的金属只有在水蒸气扩散到金

属的位置时才能反应，而这一过程主要是由水蒸气自由扩散速率所决定的。在当地

的条件下，水蒸气的扩散速率约为1 mm/s量级。因此，该反应器内的反应传播

速率主要是由水蒸气扩散速率和热传递速率共同决定的。

本文通过实验探究了熔融态下铝水反应的动态传递规律，得出了如下结论。

①铝镁锂合金粉在500℃与水蒸气反应剧烈，样品内部温度可达791℃，最大产

氢速率约为160 mL/（ming），氢气产率达到 75%。

②反应器内上部气体区的温度略低于下部金属样品区，且上部气体区在反应器横截

面上的温度分布较为均匀，下部金属区的截面温度分布差异较大，存在着局部高温

区。

③反应核心高温区自进水口处向外向下传递，传递速率约为0.33 mm/s，该传播

速率主要是由水蒸气扩散速率和热传递速率共同决定的。

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