Jump to content

Steam Reforming

(Перенаправлено из реформации паровой системы )
Иллюстрация входов и выходов парового реформирования природного газа, процесса производства водорода и парникового газа CO 2 , которые могут быть захвачены с помощью CCS

Парообразное реформирование или реформирование парового метана (SMR) - это метод производства синтез -музыки ( водород и угарного газа ) путем реакции углеводородов с водой. Обычно природный газ является сырью. Основной целью этой технологии является производство водорода . Реакция представлена ​​этим равновесием: [ 1 ]

Реакция сильно эндотермична H SR = 206 кДж/моль).

Водород, продуцируемый паровым реформированием, называется «серого водорода , когда отходы углекислого газа высвобождаются в атмосферу, а « синий »водород , когда углекислый газ (в основном) фиксируется и хранится геологически - см. Улавливание углерода . Зеленый «Зеленый» углерода производится термохимическим расщеплением воды , используя солнечную тепловую, низкоуглеродную электроэнергию или тепло отходов, [ 2 ] или электролиз , используя электроэнергию с низким или нулевым углеродом. Нулевой выбросы углерода «бирюзовый» водород продуцируется одноэтапным метановым пиролизом природного газа. [ 3 ]

Паровое реформирование природного газа производит большую часть мирового водорода. Водород используется в промышленном синтезе аммиака и других химических веществ. [ 4 ]

Кинетика реакции реформирования Steam, в частности, с использованием , была никелевых катализаторов глинозема подробно изучена с 1950 -х годов. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]

Предварительный реформирование

[ редактировать ]
Изображение общего потока процесса типичного завода парового реформирования. Слева направо: десульфуризация, преобразование, паровое реформирование, преобразование сдвига и адсорбция давления.
Изображение общего потока процесса типичного завода парового реформирования. (PSA = адсорбция качания давления , NG = природный газ)

Цель предварительного реформирования состоит в том, чтобы разбить более высокие углеводороды, такие как пропан , бутан или нафта , в метан (CH 4 ), что позволяет более эффективно реформировать вниз по течению.

Steam Reforming

[ редактировать ]

Реакция, вызывающая название,-это реакция реформирования пара (SR) и выражается уравнением:

Через реакцию сдвига с водяным газом (WGSR) дополнительный водород высвобождается реакцией воды с окисью углерода, генерируемой в соответствии с уравнением [1]:

Были изучены некоторые дополнительные реакции, происходящие в процессах реформирования паровых. [ 6 ] [ 7 ] Обычно также включена реакция прямого реформирования парового реформирования (DSR):

Поскольку эти реакции сами по себе являются очень эндотермическими (кроме WGSR, что является слегка экзотермическим), к реактору необходимо добавить большое количество тепла, чтобы сохранить постоянную температуру. Оптимальные условия работы реактора SMR находятся в диапазоне температур от 800 ° C до 900 ° C при среднем давлении 20-30 бар. [ 8 ] Требуется высокий избыток пара, выраженный (молярным) соотношением от пар-углерода (S/C). Типичные значения отношения S/C находятся в диапазоне 2,5: 1 - 3: 1. [ 8 ]

Промышленная практика

[ редактировать ]
Глобальная продукция водорода методом [ 9 ]

Реакция проводится в реакторах с многотубулярным упакованным слоем , подтипом категории реактора с потоком заглушки . Эти реакторы состоят из множества длинных и узких трубок [ 10 ] которые расположены в камере сгорания крупной промышленной печи , обеспечивая необходимую энергию, чтобы сохранить реактор при постоянной температуре во время работы. Конструкции печи варьируются в зависимости от конфигурации горелки, они обычно классифицируются на: верхние, низкие и боковые. Примечательным дизайном является реформатор для настенной террасы.

Внутри трубок смесь пара и метана ставит в контакт с никелевым катализатором. [ 10 ] Катализаторы с высоким соотношением поверхности к объему являются предпочтительными из-за диффузионных ограничений из-за высокой рабочей температуры . Примерами используемых форм катализаторов являются выпущенные колеса, колесные колеса и кольца с отверстиями ( см. Raschig Rings ). Кроме того, эти формы имеют низкое падение давления , что выгодно для этого применения. [ 11 ]

Паровое реформирование природного газа составляет 65–75% эффективно. [ 12 ]

Соединенные Штаты производят 9–10 миллионов тонн водорода в год, в основном с паровым реформированием природного газа. [ 13 ] Мировое производство аммиака с использованием водорода, полученного в результате парового реформирования, в 2018 году составило 144 млн. Тонн. [ 14 ] Потребление энергии было сокращено с 100 ГДж/тонны аммиака в 1920 году до 27 GJ к 2019 году. [ 15 ]

Во всем мире почти 50% водорода производится посредством реформирования Steam. [ 9 ] В настоящее время это наименее дорогой метод производства водорода, доступный с точки зрения его капитальных затрат. [ 16 ]

В целях декарбонизации производства водорода методы захвата и хранения углерода (CCS) реализуются в отрасли, которые могут удалить до 90% CO 2, произведенного из процесса. [ 16 ] Несмотря на это, реализация этой технологии остается проблематичной, дорогостоящей и значительно увеличивает цену произведенного водорода. [ 16 ] [ 17 ]

Аутотермическое реформирование

[ редактировать ]

Аутотермическое реформирование (ATR) использует кислород и углекислый газ или пар в реакции с метаном с образованием синтез -оборотов . Реакция происходит в одной камере, где метатан частично окисляется. Реакция экзотермическая. Когда ATR использует углекислый газ, полученное соотношение H 2 : CO составляет 1: 1; Когда ATR использует Steam, производимое соотношение H 2 : CO составляет 2,5: 1. Температура на выходе синтез -составляет от 950–1100 ° C, а давление на выходе может достигать 100 бар . [ 18 ]

В дополнение к реакциям [1] - [3], ATR вводит следующую реакцию: [ 19 ]

Основное различие между SMR и ATR заключается в том, что SMR использует воздух только для сжигания в качестве источника тепла для создания пар, в то время как ATR использует очищенный кислород. Преимущество ATR состоит в том, что соотношение H 2 : CO может варьироваться, что может быть полезно для производства специальных продуктов. Из -за экзотермической природы некоторых дополнительных реакций, возникающих в ATR, процесс может быть по существу выполнять при чистой энтальпии нуля (Δ H = 0). [ 20 ]

Частичное окисление

[ редактировать ]

Частичное окисление (ОП) происходит, когда субстихиометрическая смесь топлива-воздуха частично сжигается в реформаторе, создавающем богатые водородом синтез-собой. Оба, как правило, намного быстрее, чем реформирование Steam и требует меньшего реактора. Опса производит меньше водорода на единицу входного топлива, чем паровое реформирование того же топлива. [ 21 ]

Паровое реформирование в небольших масштабах

[ редактировать ]

Капитальные затраты на заводы парового реформирования считаются непомерно высокими для применений малого и среднего размера. Затраты на эти сложные объекты плохо сокращаются. Обычные заводы реформирования паровых работ работают при давлении от 200 до 600 фунтов на квадратный дюйм (14–40 бар) с температурами выходов в диапазоне от 815 до 925 ° C.

Для двигателей сгорания

[ редактировать ]

Расплавленный газ и вентилируемые летучие органические соединения (ЛОС) являются известными проблемами в оффшорной промышленности и в нефтегазовой промышленности на берегу, поскольку оба выпускают парниковые газы в атмосферу. [ 22 ] Реформирование для двигателей сгорания использует технологию парового реформирования для преобразования газов отходов в источник энергии. [ 23 ]

Реформация двигателей сгорания основана на паровой реформировании, где неметановые углеводороды ( NMHCS ) низкокачественных газов превращаются в синтез-газ (H 2 + CO), и, наконец, в метан (CH 4 ), углекислый газ (CO 2 ) и водород (H 2 ) - тем самым улучшая качество топливного газа (номер метана). [ 24 ]

Для топливных элементов

[ редактировать ]

Существует также интерес к разработке гораздо меньших единиц на основе аналогичной технологии, чтобы получить водород в качестве сырья для топливных элементов . [ 25 ] Небольшие патровые реформированные единицы для поставки топливных элементов в настоящее время являются предметом исследований и разработок, как правило, включают в себя реформирование метанола , но также считаются другие топлива, такие как пропан , бензин , аутога , дизельное топливо и этанол . [ 26 ] [ 27 ]

Недостатки

[ редактировать ]

Реформатор-система топливных клеток по-прежнему исследуется, но в ближайшей перспективе системы будут продолжать работать на существующих топливах, таких как природный газ, бензин или дизель. Тем не менее, существуют активные дебаты о том, является ли использование этих видов топлива для приготовления водорода полезным, в то время как глобальное потепление является проблемой. Реформирование ископаемого топлива не устраняет высвобождение углекислого газа в атмосферу, но уменьшает выбросы углекислого газа и почти исключает выбросы угарного газа по сравнению с сжиганием обычного топлива из -за повышения эффективности и характеристик топливных элементов. [ 28 ] Однако, превращая высвобождение углекислого газа в точечный источник, а не распределенный высвобождение, улавливание и хранение углерода становится возможностью, что предотвратит выброс углекислого газа в атмосферу, добавляя к стоимости процесса.

Стоимость производства водорода путем реформирования ископаемого топлива зависит от масштаба, с которой она выполняется, капитальные затраты реформатора и эффективность подразделения, так что, хотя она может стоить всего несколько долларов на килограмм водорода в промышленном Масштаб, это может быть дороже в меньшем масштабе, необходимых для топливных элементов. [ 29 ] [ Самостоятельно опубликованный источник? ]

Проблемы с реформаторами, поставляющими топливные элементы

[ редактировать ]

Есть несколько проблем, связанных с этой технологией:

  • Реакция реформирования происходит при высоких температурах, что запускает ее для запуска и требует дорогостоящих высокотемпературных материалов.
  • Соединения серы в топливе будут отравлять определенные катализаторы, что затрудняет запуск системы этого типа от обычного бензина . Некоторые новые технологии преодолели эту проблему с помощью серы, устойчивых к катализаторам.
  • Коккинг будет еще одной причиной дезактивации катализатора во время реформирования паровой. Высокие температуры реакции, низкое соотношение пар и углерода (S/C) и сложная природа серы, содержащего коммерческое углеводородное топливо, делают коксунными особенно благоприятными. Олефины, как правило, этилен и ароматики являются хорошо известными углеродами, следовательно, их образование должно быть уменьшено во время реформирования паровой. Кроме того, катализаторы с более низкой кислотностью, как сообщалось, менее подвержены коксуну путем подавления реакций дегидрирования. H 2 S, основной продукт в реформировании органической серы, может связываться со всеми катализаторами переходных металлов с образованием связей металлов и сульфы и впоследствии снижать активность катализатора, ингибируя хемосорбцию реагентов реформирования. Между тем, адсорбированные виды серы увеличивают кислотность катализатора и, следовательно, косвенно способствуют коксуну. Катализаторы драгоценных металлов, такие как RH и PT, имеют более низкие тенденции образовывать объемные сульфиды, чем другие металлические катализаторы, такие как Ni. RH и PT менее склонны к отравлению серы, только химиорируя серу, а не образуя сульфиды металлов. [ 30 ]
  • Мембраны с низким температурой полимерных топливных элементов могут быть отравлены монооксидом углерода (CO), полученным реактором, что делает его необходимыми для включения сложных систем совместного удаления. Твердые топливные элементы (SOFC) и расплавленные карбонатные топливные элементы (MCFC) не имеют этой проблемы, но работают при более высоких температурах, замедляют время запуска и требуют дорогостоящих материалов и громоздкой изоляции.
  • Термодинамическая эффективность процесса составляет от 70% до 85% ( базисная база LHV ) в зависимости от чистоты водородного продукта.

Смотрите также

[ редактировать ]
  1. ^ Лю, Ке; Песня, Чуншан; Subramani, Velu, eds. (2009). Технологии производства и очистки водорода и синтез .. doi : 10.1002/9780470561256 . ISBN  9780470561256 .
  2. ^ Сафари, Фарид; Динсер, Ибрагим (2020). «Обзор и сравнительная оценка термохимических циклов расщепления воды для производства водорода» . Преобразование энергии и управление . 205 : 112182. DOI : 10.1016/j.enconman.2019.112182 . S2CID   214089650 .
  3. ^ Lumbers, Brock (2022). «Математическое моделирование и моделирование термо-каталитического разложения метана для экономически улучшенного производства водорода» . Международный журнал водородной энергии . 47 (7): 4265–4283. doi : 10.1016/j.ijhydene.2021.11.057 . S2CID   244814932 . Получено 16 марта 2022 года .
  4. ^ Крэбтри, Джордж У . ; Dresselhaus, Mildred S . ; Бьюкенен, Мишель В. (2004). Водородная экономика (PDF) (технический отчет).
  5. ^ Акерс, WW; Лагерь, DP (1955). «Кинетика реакции метана-штифта» . AISHE Journal . 1 (4): 471–475. doi : 10.1002/aic.690010415 . ISSN   1547-5905 .
  6. ^ Jump up to: а беременный Сюй, Цзянгу; Из Гилберта Ф. (1989). «Метановое паровое реформирование, метанация и сдвиг с водным газом: I. Внутренняя кинетика» . AISHE Journal . 35 (1): 88–96. doi : 10.1002/aic.690350109 . ISSN   1547-5905 .
  7. ^ Jump up to: а беременный Хоу, Кайху; Хьюз, Рональд (2001-03-15). «Кинетика метана парового реформирования над катализатором Ni/α-Al2O» . ХИМИЧЕСКИЙ ИНЖЕНЕРНЫЙ ЖУРНАЛ . Границы в химической реакции. 82 (1): 311–328. doi : 10.1016/s1385-8947 (00) 00367-3 . ISSN   1385-8947 .
  8. ^ Jump up to: а беременный Спейт, Джеймс Г. (2020). Нефтеперерабатывающий завод будущего (2 -е изд.). Кембридж, Массачусетс: Professional Publishing. ISBN  978-0-12-816995-7 Полем OCLC   1179046717 .
  9. ^ Jump up to: а беременный Динсер, Ибрагим; Acar, Canan (2015-09-14). «Обзор и оценка методов производства водорода для лучшей устойчивости» . Международный журнал водородной энергии . 40 (34): 11096. DOI : 10.1016/j.ijhydene.2014.12.035 . ISSN   0360-3199 .
  10. ^ Jump up to: а беременный Спейт, Джеймс Г. (2020). Справочник по промышленным углеводородным процессам (второе изд.). Кембридж, Массачусетс. ISBN  9780128099230 Полем OCLC   1129385226 . {{cite book}}: CS1 Maint: местоположение отсутствует издатель ( ссылка )
  11. ^ Реймерт, Рейнер; Маршнер, Фридеманн; Реннер, Ханс-Йоахим; Болл, Уолтер; Supt, Эмиль; Brejc, Miron; Либнер, Уолдемар; Schaub, Georg (2011). «Производство газа, 2 -й процессы» . Энциклопедия промышленной химии Уллмана . Doi : 10.1002/14356007.O12_O01 . ISBN  978-3-527-30673-2 .
  12. ^ «Производство водорода - реформирование парового метана (SMR)» (PDF) , информационный информационный бюллетень водорода , архивный из оригинала (PDF) 4 февраля 2006 года , извлеченные 28 августа 2014 года.
  13. ^ «Факт месяца мая 2018 года: 10 миллионов метрических тонн водорода, производимых ежегодно в Соединенных Штатах» . Energy.gov .
  14. ^ Азот (фиксированный) - Аммония (PDF) (отчет). Геологическая служба США. Январь 2020 года.
  15. ^ Рамсков, Дженс (16 декабря 2019 г.). «Победитель 5 лучших наук: водород и метанол без литья энергии» . Инженер (на датском).
  16. ^ Jump up to: а беременный в Веласкес Абад, а.; Dodds, PE (2017-01-01), «Производство водорода» , в Аврааме, Мартин А. (ред.), Энциклопедия устойчивых технологий , Оксфорд: Elsevier, стр. 293–304, doi : 10.1016/b978-0 -12-409548-9.10117-4 , ISBN  978-0-12-804792-7 Получено 2021-11-16
  17. ^ Абдулла, Ахмед; Ханна, Райан; Шелл, Кристен Р; Бабакан, Ойтун; Виктор, Дэвид Г. (29 декабря 2020 г.). «Объяснение успешных и неудачных инвестиций в улавливание и хранение углерода в США с использованием эмпирических и экспертных оценок» . Экологические исследования . 16 (1): 014036. DOI : 10.1088/1748-9326/ABD19E . S2CID   234429781 .
  18. ^ Topsoe Atr
  19. ^ Блумберг, Тимо; Моросук, Татьяна; Цатсаронис, Джордж (декабрь 2017 г.). «Сравнительная эксперная экономическая оценка маршрутов синтеза для производства метанола из природного газа» . Прикладные науки . 7 (12): 1213. doi : 10.3390/app7121213 .
  20. ^ Semelsberger, TA (2009-01-01), «Топливо-хранение водорода | Химические носители» , в Гарче, Юрген (ред.), Энциклопедия электрохимических источников энергии , Амстердам: Elsevier, pp. 504–518, doi : 10.1016/ B978-044452745-5.00331-2 , ISBN  978-0-444-52745-5 Получено 2021-11-16
  21. ^ «Производство водорода: реформирование природного газа» .
  22. ^ «Атмосферные выбросы» . Архивировано из оригинала 2013-09-26.
  23. ^ «Wärtsilä запускает продукт GasReformer для превращения добычи нефти в энергию» . Морское понимание . 18 марта 2013 года. Архивировано с оригинала 2015-05-11.
  24. ^ «Метод эксплуатации газовых двигателей и системы подачи топлива газового двигателя» .
  25. ^ «Процессор ископаемого топлива» . 2000-10-04.
  26. ^ Wyszynski, Miroslaw L.; Мегарит, Танос; Lehrle, Roy S. (2001). Водород из реформирования топлива для выхлопных газов: зеленые, более слабые и более плавные двигатели (PDF) (технический отчет). Future Power Systems Group, Университет Бирмингема .
  27. ^ «Обычно используется реформирование топлива сегодня» . 2000-10-04.
  28. ^ Реформирование ископаемого топлива не устраняет углекислые диоксиды
  29. ^ Доти, Ф. Дэвид (2004). «Реалистичный взгляд на прогнозы цен на водород». Citeseerx   10.1.1.538.3537 . {{cite journal}}: CITE Journal требует |journal= ( помощь )
  30. ^ Чжэн, Цинхе; Янке, Кристиан; Фаррауто, Роберт (2014). «Паровое реформирование серосодержащего додекана на катализаторе RH-PT: влияние параметров процесса на стабильность катализатора и структуру кокса». Применяемый катализ B: окружающая среда . 160–161: 525–533. doi : 10.1016/j.apcatb.2014.05.044 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 8463afd8cc7566ec8cf7ce85108c1a96__1724004660
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/84/96/8463afd8cc7566ec8cf7ce85108c1a96.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Steam reforming - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)