氢气燃烧只产生水,不产生硫化物及碳氢化合物,因此氢气被称为零碳燃料。工业上,甲烷重整制氢是采用较多的制氢方法,主要包括甲烷蒸汽重整制氢(Steam Methane Reforming,SMR)和甲烷自热重整制氢(Auto-thermal Reforming of Methane,ATR)。但是,甲烷重整制氢过程需要输入大量的热能,因此需要清洁的能源供热。太阳能是一种普遍、无害且能量巨大的清洁能源,将其作为甲烷重整制氢的热源是非常有优势的。另外,工业生产过程中产生大量的高温烟气,其蕴含的热能还未被有效利用,因此可以将高温烟气耦合太阳能作为重整制氢反应的热源。本文设计了热量耦合利用的甲烷重整制氢系统,对高温烟气供热的SMR反应器内传输特性和影响因素进行了数值分析。进一步针对ATR反应器进行优化设计,研究了操作参数、材料参数和结构参数对反应过程和反应器性能的影响。论文首先针对太阳能耦合高温烟气供热的甲烷重整制氢系统进行设计。选择碟形抛物面聚光系统,将蓄热器和接收器结合起来,实现热量的储存和利用。由质量和热量衡算,结合对国内外太阳能高温热利用系统效率的调研,根据所研究的反应器尺寸,确定了相变材料的类型以及所需质量;进而确定接收及蓄热箱体的尺寸。针对系统中的SMR制氢反应器,将其物理模型、数学模型和详细的反应动力学模型相结合,研究了反应物进口参数、烟气进口参数和流动形式对于反应特性,如反应器中的温度分布、产氢率、甲烷转化率、各组分摩尔分数分布、热效率和热流密度的影响。研究结果表明反应物进口速度的升高不利于SMR反应的进行,其不宜大于1.0m/s。反应物进口温度的增加有利于反应的进行,但系统热效率降低,不利于烟气利用。随着反应物进口水碳比的增大,热效率降低,因为高水碳比下反应器内水汽变换反应占比重较大。高温烟气的进口速度最佳范围为0.3-1.0m/s,在此区间内烟气供热充足且热效率较高。高温烟气进口温度在1500-2000K时,反应器热效率较高。顺逆流情况下,各项变化趋势相同,但是当烟气进口速度小于0.3m/s时,顺流的产氢率大于逆流;当烟气进口速度大于0.3m/s时,逆流反应器的性能更好。SMR反应需要消耗大量的热能,因此,ATR反应是甲烷制氢重整反应的发展方向之一,但其反应器内的热量平衡一直是限制其工程应用的主要因素。有鉴于此本文进一步对ATR反应器结构做了优化,对比了直通道反应器、折叠式反应器、热管式反应器的反应和传热性能。研究了反应物进口速度、进口水碳比和氧碳比对不同结构反应器的影响。结果表明优化反应器结构,可以提高反应器的产氢率和甲烷转化率,折叠式反应器优化效果好于热管式反应器。针对热管式反应器,热管的长度越长,反应器内温度分布更均匀,产氢率和甲烷转化率更高;热管位于热管反应器前端对反应器性能的提高更有优势。针对折叠式反应器,隔板厚度和导热系数的提高有利于提高反应器性能。