天然氣制氫與熱回流技術研究進展綜述*

陳 強,毛明明,高 敏,李 佳

（山東理工大學 交通與車輛工程學院,山東 淄博 255000）

在節能減排的形勢下,氫氣作為一種能量密度高、無污染的能源載體,在交通、化工、燃氣等領域都有重要用途。氫氣的制備方法有很多如電解水制氫、生物質制氫、太陽能制氫等,但目前占據主導地位的是化石能源制氫,天然氣制氫技術是首選,天然氣制氫技術成熟可靠,經濟上占優勢。天然氣的主要成分是甲烷,利用天然氣制備氫氣就是利用甲烷參與反應制備合成氣。我國天然氣的儲備豐富,利用天然氣制氫完全是可行的。本文主要介紹四種制氫技術和熱回流技術以及制氫催化劑的相關研究,并提出熱回流與制氫技術相結合的改進策略。

1 制氫技術介紹

1.1 甲烷水蒸氣重整制氫

甲烷水蒸氣重整反應制氫是20世紀在鎳基催化劑上得到的。經過改進完善,天然氣水蒸氣制氫技術工藝成熟,裝置運行可靠,經濟性強,資源環保合理,已被用于工業大規模制氫[1]。工業甲烷轉化過程主要可分為三個部分。甲烷和水蒸氣在鎳基催化劑的作用下生成富氫合成氣,再通過水煤氣變換反應將合成氣中的CO和H2O轉變CO2和H2,最后通過變壓吸附或者乙醇酰胺洗滌將CO2除去得到純凈的氫氣。甲烷水蒸氣重整為強吸熱反應,需要在高溫條件下進行,為提高甲烷轉化率溫度通?？刂圃?50℃～920℃,壓力設為2～3MP,能明顯提高甲烷的轉化率和氫氣的選擇性。甲烷的轉化率能達到80%以上。但甲烷水蒸氣重整制氫仍存在制氫成本高,規模龐大,制氫流程復雜,資源利用不足造成浪費等顯著缺點。

1.2 甲烷部分氧化制氫

甲烷的部分氧化制氫技術是甲烷和氧氣進行不完全氧化制備氫氣。根據反應過程是否有催化劑參與反應可分為甲烷催化部分氧化和非催化部分氧化制氫。甲烷非催化部分氧化過程,反應溫度高,超過1000℃,對反應器有耐高溫要求。在100kPa壓力下V（O2）/V（CH4）﹤0.7時增加原料氣對制氫是有利的,但同時由于反應溫度高,會產生積碳,減少反應器使用壽命,增加成本。將預混燃燒技術和新型反應器應用于非催化部分氧化制氫時,溫度900℃,壓力為100kPa,V（O2）/V（CH4）=0.5時,出口氣體組成V（H2）/V（CO）=2[2]。這種新技術和反應器用于制氫可以使反應溫度降低,減少積碳,促進了氫氣的制備。

甲烷催化部分氧化制氫,是在催化劑的作用下,甲烷和氧氣進行部分氧化反應制備氫氣。催化劑參與反應能顯著降低反應溫度降低反應器耐熱要求。同時它也是放熱反應能放出熱量降低能耗。當溫度在750℃～800℃時CH4的轉化率可以達到90%以上,H2和CO的選擇性可以達到95%,反應速率非?？?出口氣體組成V（H2）/V（CO）≈2,并能在高空速下進行反應。它相對于傳統制氫方法速度快、投資小、反應器設備體積小,適合小規模制氫,是非常有潛力的制氫方法。但是目前主要缺點是催化劑燒結和積碳傾向,存在失活和反應釜阻塞等問題。

1.3 甲烷的干重整制氫

甲烷和二氧化碳的干重整反應是新提出的制備合成氣的方法。利用二氧化碳和甲烷發生反應制備氫氣。甲烷和二氧化碳來源廣泛,都是對大氣造成破壞的溫室氣體,利用甲烷和二氧化碳制備合成氣能有效緩解環境問題,經濟效益最好。甲烷的干重整反應是獨立的吸熱反應需要在高溫條件下進行。溫度大于645℃時在熱力學上才能進行反應。在高溫下進行反應,需要外部提供熱量。在溫度為800℃,壓力為101kPa時,經過實驗和模擬,甲烷和二氧化碳的轉化率均在90%以上,0.9﹤V（H2）/V（CO）﹤1[3]。由于反應中存在水煤氣變換反應,少部分H2和CO2會發生逆反應。這項技術非常具有前景,但目前技術不成熟,很難實現規?；茪?主要問題就是催化劑失活,制氫效率慢。

1.4 甲烷的自熱重整制氫

甲烷的自熱重整制氫是一種將兩種制氫方法結合在一起的制氫方式。它可以節約能源,降低制氫成本。甲烷自熱重整有兩種組合形式：甲烷水蒸氣重整和甲烷部分氧化相結合,甲烷干重整和甲烷部分氧化相結合。二者都是利用甲烷的部分氧化放熱為甲烷的重整提供反應所需的熱量,以達到自熱的目的。

甲烷水蒸氣自熱重整技術耦合了吸熱的水蒸氣重整反應和放熱的部分氧化反應,同時解決甲烷水蒸氣重整路線高能耗的缺點和甲烷部分氧化路線的爆炸安全隱患[4]。而甲烷的干法自熱重整技術以甲烷和二氧化碳為原料制備氫氣,甲烷和二氧化碳都是溫室氣體,利用甲烷和二氧化碳制備氫氣對保護大氣具有非常重要的意義。甲烷自熱重整制氫也需要在高溫下進行,甲烷自熱的干燥重整需要將反應氣體加熱到800℃～850℃,而甲烷的水蒸氣自熱重整也需要在700℃以上的高溫進行。這種技術優缺點顯著,設備增加,工藝相對復雜,但成本降低,能耗減少。

2 催化劑的研究

甲烷制氫技術加入催化劑能有效降低反應溫度,提高甲烷的轉化率。甲烷制備氫氣需要在高溫下進行,在反應過程中,甲烷的裂解,二氧化碳和一氧化碳之間的互相轉化會產生固態碳,積碳會覆蓋活性位點,導致催化劑失活,這是催化制氫最顯著的問題。催化劑可分為貴金屬、過渡金屬。貴金屬催化劑活性強、價格昂貴,不適用大規模制氫。催化劑的研究主要在鎳基催化劑上,鎳資源豐富,活性好,是理想的替代品。以下四種技術是對鎳基催化劑的研究進展做的總結。

（1）為了降低甲烷水蒸氣重整溫度,提高催化性能。研究者采用新的電催化方案,制備催化劑,電流促進了甲烷在較低溫度下的重整。它提高了催化劑的穩定性和壽命,同時H2產率和CO的選擇性能與傳統催化劑相比都有所提高。在當前的研究中利用其他能量輔助的方式能提高催化劑活性,如電流、微波等都取得了好的效果。

（2）對于甲烷部分氧化鎳基催化劑,研究者制備了一種低溫高活性的Ni-CeO2與商業催化劑性能上作比較,并優化助劑含量,表明自制的催化劑性能更好,并進一步對催化劑體系中的助劑含量和催化機理進行研究。表明優化助劑含量能優化催化劑性能,催化劑的助劑之間會發生協同促進作用。催化劑的反應機理,助劑的含量影響催化劑的性能,催化劑助劑間的協同作用為制備高活性的催化劑提供了新的方向。

（3）大量研究表明選擇合適的助劑能有效改變催化劑性能。SiO2載體提供良好的機械強度、大的比表面積和高金屬彌散,常被作為干重整催化劑載體。研究者設計了一種精確的結構樣式,采用濕法合成方法制備了核殼型納米催化劑Ni-SiO2＠Ni＠ZrO2在不同溫度下進行性能測試,都共同表明具有核殼結構的催化劑催化活性更好,抗積碳能力更強。通過設計的特殊結構可以有效保護具有活性的Ni粒子,提高催化劑的壽命。

（4）自熱重整分為濕法和干法自熱重整（甲烷部分氧化與甲烷水蒸氣自熱重整和甲烷部分氧化與甲烷二氧化碳干重整）。研究表明CeO2是一種表面穩定劑,用Ni/Al2O3-CeO2催化劑對甲烷水蒸氣自熱重整進行20h的實驗研究,結果表明催化劑活性保持穩定,未發現積碳產生。對于干燥重整最新研究發現,通過以天然的伊利石粘土為催化劑載體,以鈰或鑭作助劑的鎳基催化劑對甲烷進行自熱重整。在800℃,24h的測試下仍保持高活性。并發現了一種價格低廉的鎳基催化劑——Ni-USGO,這是一種爐渣氧化物,經48h測驗無明顯失活和積碳產生。

3 回熱技術的相關研究

3.1 單向流動回熱反應器

單向流動反應器中,氣體在反應器中按一個方向流動,通過反應生成合成氣并產生一個局部高溫區,熱量通過固壁導熱和以輻射的形式將熱量傳遞到上游原料氣,對其預熱。不需要外部的能量參與就能促進反應進行以達到自熱的效果。

在單向流反應器中最簡單的是由多個平行通道或多孔介質填充的反應器。Min和Shin[5]對蜂窩陶瓷單向流反應器進行的研究,表明氣體的峰值溫度大于絕熱溫度。證實了反應器存在熱循環。單向流反應器回熱效果容易受到操作條件的影響,不同條件下火焰的穩定性不同。

兩段式回熱反應器是由兩段孔徑不同的多孔介質組成的反應器,是一種新的結構,其目的是為了固定火焰位置。它的回熱特點是最高溫度僅僅略高于絕熱溫度。Barra和Ellzey[6]模擬了兩段燃燒器,結果表明反應器內存在有效的熱循環,并利用數值模型的結果,他們預測有25%的能量循環。兩段多孔介質的孔徑和長度對回熱效果有相當的影響。有研究者對其進行了研究,并提出了最佳直徑比,以及預熱和燃燒區的長度比。

3.2 逆流回熱反應器

逆流反應器是通過壁面將冷熱流體隔開,并依賴固壁進行熱傳導對冷流體進行預熱,壁面兩側的流體流動方向互為反向的反應器。逆流反應器可分為折疊通道反應器,瑞士卷反應器,反向通道反應器。

逆流反應器最簡單的就是折疊通道反應器,也被稱為U型反應器。流體在拐彎處流入相鄰通道,冷流體被壁面另一側的熱流體預熱。通過模擬和實驗對折疊熱回流反應器研究,表明與單通道反應器相比較在一定范圍內可以拓寬燃燒極限,和擴展穩定燃燒反應物的流量。這都是由于折疊通道加強了反應器內部的熱循環。

瑞士卷反應器,這種反應器燃燒室具有充分的換熱面積,熱量可以通過間壁傳遞給原料氣進行預熱。通過實驗和理論,李艷霞[7]等人對瑞士卷微型燃燒器的燃燒特性進行研究,表明瑞士卷燃燒器具有優秀的回熱效果,能預熱原料氣,提高氣體溫度,對反應有利。瑞士卷回熱反應器火焰容易在中心位置穩定或者接近中心位置的附近通道處趨于穩定。

反向通道反應器和折疊反應器結構類似,不同在于相鄰的不同通道內部都包括反應物的預熱、反應、燃燒等步驟,通過固壁隔開且互不干涉。但其傳熱形式和折疊型反應器基本相同。將其應用于燃料燃燒的實驗研究,測試燃料都達到了穩定的工作點,超過了各自的可燃性上限和下限,并且溫度高于絕熱火焰溫度,有效地證明反應器的熱循環的存在[4]。它的回熱效果受到兩側反應峰值溫度的影響,且只有當火焰前緣位于相鄰通道中火焰前緣位置的上游的正分離距離時,反應區才趨于穩定。

4 制氫技術的改進策略

傳統制氫方式,熱量利用不足,能源浪費嚴重,可以將傳統的制氫方式與現有的回熱技術相結合,利用熱循環對原料氣進行預熱,既可以提高反應器內的反應溫度,充分利用熱量,又能減少反應器的體積,降低投資成本。Wei-Hsin[8]對甲烷制氫進行了研究,利用回熱技術對甲烷進行預熱,發現催化劑床內甲烷的燃燒、蒸汽重整和干燥重整都得到了很大程度的促進。并表明利用熱循環制氫技術是可行的。

5 結論

（1）四種制氫技術優缺點明顯,甲烷水蒸氣重整技術成熟可靠,投資大成本高；干重整制氫效率較低,但經濟效益和環境收益最好；甲烷催化部分氧化技術投資小,能耗低,但需要增加空分裝置；自熱重整技術投資小、效益高,但兩種技術的結合增加了工藝復雜性。

（2）當前對制氫催化劑的研究主要還是以鎳基催化劑為主,運用不同的輔助方法（微波、電流）,添加助劑、選擇載體和不同的制備方法來提升催化劑的催化性能。

（3）利用回熱技術制備氫氣方面的研究并不多,可以將回熱技術與甲烷制氫相結合,不僅能提高能源利用效率,還能有效縮小設備體積,這種制氫方式非常具有發展前景。除了對催化劑、反應器方面的研究之外,原料氣雜質含量的控制,合成氣中氫氣的提純方法,反應產物中固態碳的去除都應該是研究的重點,它們都能有效促進甲烷制氫的進行。