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。