电气化甲烷重整技术研究进展

甲烷重整是强吸热反应,通过燃烧甲烷供热(约占甲烷总消耗的30%),不仅会导致排烟热损失,还会伴随CO_(2)排放,无法满足双碳目标下对清洁氢能的需求。电气化甲烷重整技术通过高效电热转化形式,将可再生电能引入甲烷重整反应器,可大幅减少甲烷重整过程的CO_(2)排放,消除传统甲烷重整过程的排烟热损失,提升甲烷和可再生电能制氢效率。综述了传统甲烷重整技术、电气化甲烷重整反应器(电阻加热、微波加热、电磁感应加热和等离子体加热)、电气化甲烷重整系统和电气化甲烷重整催化剂的研究进展。电加热不仅可以有效提升反应器功率密度、减小反应器规模,还可以通过与催化剂相互作用,实现催化活性和甲烷转化率的提升。电气化甲烷重整技术为我国能源绿色低碳转型提供了新的途径。

催化甲烷重整工艺的研究进展

天然气储量丰富,是优质的清洁能源,甲烷作为其主要成分,通常经由重整工艺来制备。而重整过程中由积炭烧结等引起的催化剂失活问题是阻碍该工艺大规模工业化发展的关键因素。基于铁基催化剂,从催化剂活性组分、载体、助剂以及制备方法等角度综述了甲烷裂解重整催化剂性能的研究进展。基于Ni-Fe双金属催化剂综述了甲烷蒸汽重整及二氧化碳重整催化剂性能的研究进展。阐述了催化剂的失活原因以及提高重整催化剂性能的方法。为了促进重整工艺的工业应用,未来应深度探讨铁基催化剂的积炭机理,选取合适的载体及助剂来优化铁基催化剂的性能。

太阳能甲烷重整制氢研究进展

氢能是零碳、高密度的能量载体,目前主要来自天然气、煤炭等化石能源。随着“双碳”战略的深入推进和能源低碳转型的加速,可持续氢能的重要性日益凸显,但现有主要制氢技术与能源重大需求之间的错位也日益突出。单一太阳能制氢受到成本、技术成熟度、基础设施等多方面因素制约,短期内尚无法大规模替代化石能源制氢。基于甲烷重整反应的强吸热特性,太阳能驱动的甲烷重整可吸收最高相当于甲烷高位热值23%的太阳热能,并以化学能的形式实现太阳能储存和利用,达到同时提升氢能中太阳能占比与降低制氢碳排放的有益效果。因此,太阳能驱动天然气重整制氢技术有望在近中期发挥重要作用。传统甲烷重整与太阳能聚光集热技术的简单结合,仍需800~1000℃的反应温度与1000以上的高聚光比,不仅导致高辐射热损失和对流热损失,而且难以解决传统重整制氢系统复杂、碳排放高等关键技术挑战。在Le Chatelier原理基础上,通过产物吸收强化降低重整反应温度,有望突破与太阳能聚光技术结合的瓶颈。进一步,通过突破甲烷转化源头制氢与脱碳的协同,有望解决传统重整制氢的高温、高能耗、高碳排放挑战。从热力学和动力学双视角综述了太阳能甲烷重整制氢与脱碳的研究进展,并从聚光集热技术、重整反应器和制氢系统三方面分析阐述了当前太阳能甲烷重整制氢技术的发展趋势。具体分析了反应温度高、聚光不可逆损失大、能耗高等问题的原因,并从反应流程设计角度重点关注可同时降低温度、提高产物选择性、促进碳氢组分协同转化的新原理、新方法。其中,通过吸附剂、膜分离等方式分离单一产物可将反应温度降至500~600℃;通过交替分离2种或以上目标产物,可将反应温度进一步降低至400℃或以下,在槽式聚光、等温、常压条件下实现甲烷向H_(2)与CO_(2)的近100%转化与近100%产物选择性,同时实现反应温度、制氢脱碳能耗的大幅下降以及制氢装置的大幅简化和高度集成。在大力发展可再生能源、促进能源低碳转型的新形势下,甲烷重整作为一种传统制氢技术,通过热力学思路、流程设计与制氢方法的创新,有望实现与太阳能光热技术的深入结合,并为近中期可持续氢能技术的突破开辟更加广阔的未来。

基于SOFC尾气供热的甲烷重整制氢反应器模拟及实验研究

设计了一种千瓦级新型甲烷重整制氢反应器,采用固态氧化物燃料电池尾气供热,充分利用尾气中的余热和可燃成分,构成紧凑的高效天然气发电系统。采用计算流体力学(CFD)对反应器内燃烧及重整反应进行了数值模拟,结果表明:固态氧化物燃料电池阳极和阴极尾气能够在反应器中稳定燃烧,形成1 486℃高温火焰,为甲烷水蒸气重整反应供热;重整管内水蒸气和甲烷体积分数沿程不断降低,由于水蒸气过量,出口处水蒸气体积分数为35%,出口氢气体积分数为45%,甲烷转化率达到90%左右;镍催化剂具有很高的导热系数,因此重整管内外温差小于15℃;利用实验获得了反应器内温度、甲烷体积分数及甲烷转化率等数据,对比模拟结果验证了数值模拟的准确性。

光催化甲烷重整技术研究取得突破

最近的研究表明,以太阳能为动力突破性的合成气技术,具备向后碳能源时代转型的潜力。这一创新过程与甲烷蒸汽重整有关,甲烷蒸汽重整是在催化剂作用下,用蒸汽加热甲烷生成氢气和一氧化碳,通常称作合成气。合成气是一种高价值的资源,可制备多种产品。

蒸汽甲烷重整法制氢装置的材料失效原因及选材要点

文章介绍了典型的蒸汽甲烷重整法制氢装置的工艺流程及特点,同时参考美国石油协会标准中的失效案例,并结合实际工程经验,探讨了蒸汽甲烷重整法制氢装置各工艺工段典型的严苛工况及其潜在腐蚀风险和机制。通过分析失效原因和不同金属材料的特性,从适用性、可行性、经济性等多方面出发,探讨材料选择要点。

太阳能甲烷重整反应的研究进展

太阳能甲烷重整反应是天然气、沼气和太阳能综合开发、合理高效利用的有效途径。从能量存输系统、太阳能重整器和催化活性吸收体三方面简述了太阳能甲烷重整反应系统的研究现状,并对其发展前景进行了展望。

甲烷重整热化学储能实验及数值模拟研究

通过等体积浸渍法,实验制备Pt-Ru/γ-Al2O3催化剂,对该催化剂进行活性、稳定性测试,并进行TG与TEM表征,然后建立二维固定床数值模型分析反应器内的温度场、流场与组分场分布。实验结果表明:该催化剂具有良好的催化效率及优越的稳定性,CH4在800℃时的转化率为94.1%,CO/H2比为1.03,在800℃下能连续运行500 h。模拟结果表明,建立的数值模型与实验值吻合较好,不同温度下的最大偏差不超过14.81%,能较好地反应固定床反应器内的热质传递与组分分布特性。

甲烷重整制氢用催化剂的研究进展

氢气作为高效、洁净的二次能源将成为未来社会的主要能源之一。甲烷重整是一种被广泛使用的经济、高效的制氢工艺。催化剂是重整工艺中的重要组成部分,其种类、活性和寿命对氢气的产率、纯度和制氢成本具有重要影响。详细论述了甲烷水蒸气重整、二氧化碳重整、部分氧化重整用催化剂的种类、制备方法和催化机理等。

甲烷重整制合成气机理研究的进展

天然气工业技术中CH4的重整反应一直是科学研究的热点,实验发现CH4有多种途径转化为合成气(CO,H2),但机理不相同.随着研究方法的不断更新,人们对重整反应机理的研究也逐步深入.主要阐述了机理研究的发展与现状,并结合催化剂积碳、反应条件、产率等方面比较了重整的各种途径,对现有的机理作了对比分析.

高温型燃料电池的甲烷重整方式

高温型燃料电池的甲烷重整包括外部重整与内部重整两种方式。外部重整已经广为采用 ,内部重整的优势在于节省系统成本并能将吸热的蒸汽重整反应与放热的电化学反应有效耦合 ,相对于前者燃料利用率与热效率更高 ,但是大规模采用则经济优势不明显。对固体氧化物燃料电池的甲烷内部重整 (包括水蒸汽重整与直接氧化两种途径 )中发生的反应及各自的优缺点作了较为详尽的分析。

甲烷重整制合成气用催化剂的研究进展

甲烷重整是制取合成气的重要方法之一,催化剂是重整工艺中的重要组成部分。综合国内外的研究现状,详细论述了甲烷重整反应的几种不同的途径,并针对不同的途径介绍了其反应机理以及催化剂的组成。

应用甲烷重整技术的燃气轮机新循环热力学分析

提出了应用甲烷重整技术的新型燃气轮机循环,建立新型燃气轮机循环系统的工作流程,并通过平衡常数的计算来分析燃烧室的反应平衡,研究了燃气轮机循环热效率的变化.结果表明:甲烷发生吸热的重整反应对甲烷燃烧的消耗量有影响;在相同燃料量的条件下,新循环与简单循环相比,热效率得到大幅提高;由于重整反应生成的混合气体组分中多了CO和H2气体,使得混合气体平均比定压热容增大;随着燃烧室出口温度T3的升高,新循环甲烷平衡的转化率逐渐增大,随着压比的增大,转化率逐渐降低.

Ce_(1-x)Ni_(x)O_(y)氧载体在化学链甲烷重整耦合CO_(2)还原中的应用

化学链甲烷重整耦合CO_(2)还原技术既能生产合成气还可以还原CO_(2)生成CO。采用共沉淀法制备不同Ce/Ni摩尔比的系列Ce_(1-x)Ni_(x)O_(y)(x=0,0.2,0.4,0.6,0.8,1)氧载体。通过XRD、BET、XPS及CH4-TPR等表征对氧载体的理化性质进行了研究。系统考察了Ce_(1-x)Ni_(x)O_(y)氧载体在化学链甲烷重整耦合CO_(2)还原反应中的反应性能。与单一金属氧化物NiO和CeO_(2)相比,Ce_(1-x)Ni_(x)O_(y)复合氧载体在该反应中具有更高的活性和热稳定性。在甲烷部分氧化阶段,Ce_(0.2)Ni_(0.8)O_(y)和Ce_(0.4)Ni_(0.6)O_(y)氧载体具有较高的CH_(4)转化率。经历了20次redox循环实验,Ce_(0.2)Ni_(0.8)O_(y)氧载体的CO_(2)转化率几乎保持不变,表明Ce0.2Ni0.8Oy氧载体具有较高的热稳定性。

化学链燃烧耦合甲烷重整制液体燃料工艺

为探讨能量的高效利用,提出了化学链燃烧耦合甲烷重整制液体燃料工艺,并利用 AspenPlus软件进行工艺模拟。研究了重整单元进料甲烷/二氧化碳/水蒸气的摩尔比(M/C/S)、反应温度(T)以及费托合成气相循环比(R)对 CO2转化率、合成气氢碳比、能量效率、费托合成火用损等系统性能指标的影响,并以能量效率最高为目标,对系统参数进行了优化。研究表明,当 M/C/S=3/1/2、T=800℃、R=0.9时,生成的合成气氢碳比为 2.1,系统的总能量效率和液体燃料生产效率最高,分别为 57.0%和 50.0%,系统能源节约率为 9.0%。

基于太阳能热驱动甲烷重整制氢的燃料电池发电系统性能研究

该文采用Aspen Plus软件建立膜反应器重整制氢及燃料电池模型,根据拉萨某日太阳能直接辐射强度(DNI)变化计算太阳能可供使用的能量,作为外热源输入重整系统,并分析反应温度、水碳比(S/C)及DNI对该系统各性能指标的影响,性能指标包括甲烷转化率、H2收率、电池功率及电压、太阳能转换为氢能的效率。结果表明:反应温度为500℃,S/C为2.5时有利于太阳能甲烷湿重整反应;系统日性能结果显示在某日10:00—20:00时,电池输出功率120 kW,太阳能-化学能转化效率0.368,系统发电效率0.225。

MgO改性Ni/γ-Al_2O_3催化剂用于甲烷重整制取合成气研究

采用分步浸渍法制备了不同MgO含量改性的γ-Al2O3载体Ni基催化剂，并利用XRD、H2-TPR对催化剂进行表征。在γ-Al2O3中添加适量的MgO，使得γ-Al2O3表面形成MgAl2O4尖晶石，改善催化剂的反应性能。考察了催化剂MgO添加量，反应温度和压力对甲烷蒸汽重整以及甲烷二氧化碳重整反应的影响，以及原料气CO2.CH4比对甲烷．二氧化碳-水蒸汽三重整制得的合成气的H2/CO比的影响。催化剂最佳的MgO添加量为10％质量分数。在甲烷-水蒸汽-二氧化碳混合重整反应中，当n（H2O）／n（CH4）为1时，n（CO2）／n（CH4）在0．4-0．5之间能得到n（H2）／n（CO）约为2的合成气。

固体氧化物燃料电池阳极甲烷重整过程动力学模型

基于甲烷蒸气重整动力学模型,结合平板型固体氧化物燃料电池阳极材料上甲烷蒸气重整实验数据,得到了镍/氧化钇稳定氧化锆阳极甲烷蒸气重整过程的有效动力学模型,并采用该模型在不同工况下得出阳极内温度分布、甲烷转化率、最大温差、碳沉积及其可能气化的位置等.结果表明:局部温度分布和甲烷转化率对工作参数非常敏感,尤其是工作温度;局部温度在多孔阳极的前部急剧下降,而后随外部电加热器的热量和水转化所释放的热量增加而逐渐回升;最大温差区域在多孔阳极的前部,最大温差及其增量随着工作温度升高而增加;工作温度对甲烷转化率具有正面影响,并呈非线性关系;较高的工作压力对甲烷蒸气重整无益;碳可能沉积的区域在阳极的前部,特别是其表面;工作温度的升高对降低碳沉积起到较大作用;碳的气化反应随S/C的增加而加快.

基于太阳能的甲烷重整制氢技术研究进展

该文对近年来有关太阳能甲烷重整制氢技术的研究进行回顾。首先从甲烷重整反应制氢的工艺流程及其热力学与动力学特性角度,介绍甲烷重整反应的基本特点。其次,从高效、低成本催化剂体系开发以及新型反应器性能研究等两个方面重点回顾近年来关于太阳能甲烷重整技术的研究进展。最后,从高效催化剂开发研究、新型反应器设计以及制氢成本控制等方面,给出基于太阳能的甲烷重整制氢技术的未来发展方向。

碳科学公司开发出利用二氧化碳使甲烷重整的催化剂技术

美国碳科学公司（Carbon Sciences Inc．，CSI）于2010年12月28日宣布，开发出利用二氧化碳使甲烷重整转化为汽油和其它易用燃料的催化剂技术。该公司已与加拿大Saskatchewan大学（UOS）签约专利转让协议，该催化剂技术可使甲烷与CO2进行干法重整，CO2是碳科学公司产品平台的关键成分。