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蒸汽重整英语:steam reforming),也称作水蒸气转化、蒸汽重組,是一种从类燃料(如天然气)中生产氢、一氧化碳或其他产物的方法。该过程是在称为重整炉或重整器的装置中,令蒸汽在高温下与化石燃料反应而实现。甲烷的蒸汽重整在工业中被广泛用于製取气。小尺寸重整炉的开发也是目前热门的研发课题,用类似的技术来製取氢气,作为燃料电池的原料[1];这种供应燃料电池的小型蒸汽转化单位通常使用甲醇,但其他燃料如丙烷汽油液化石油气柴油乙醇等也在考虑范围内[2][3]

目录

工业重整编辑

天然气的蒸汽重整,有时被称为蒸汽甲烷重整(steam methane reformingSMR),是工业中大量生产氢气最常用的方法,大约占世界总产量(1998年为5000亿立方米[4])的95%[5][6]。在工业中,氢气被用于合成氨和其他化学品[7]。在高温(700-1100 °C)和金属催化剂)催化的条件下,水蒸气与甲烷反应产生一氧化碳和氢气。

CH4 + H2OCO +3 H2

催化剂应当具有高的比表面积,因为在高的工作温度下反应气体的扩散是限制速率的因素。常见的催化剂载体形状包括有辐条的车轮、齿轮、有孔的环等。除了表面积较大,这些形状设计所带来的压降也较小,这是在反应炉环境中有利的。[8]

在较低温度下(以及铜或铁催化剂的催化下),一氧化碳和水蒸气会发生“水煤气变换”(water-gas shift)反应,可以得到更多的氢气:

CO + H2O ⇌ CO2 + H2

第一个反应是强烈吸热的(ΔHr=206kJ/mol),第二个反应是轻度放热的(ΔHr=-41kJ/mol)。

美国每年生产的900万吨的氢,大多是通过天然气的蒸汽重整。在2014年,全世界氨产量为1.44亿公噸,其使用的氢大多数来自蒸汽重整。[9]

这个蒸汽重整过程与煉油廠石腦油催化重整是相当不同的,不可混淆,后者也会生成大量的氢,但同时还有高辛烷值汽油

天然气蒸汽重整的效率约为65至75%。[10]

内燃机的燃料重整编辑

火炬气英语gas flare挥发性有机物的排放,是海上和岸上的石油和天然气行业的已知问题,因为排放了不必要的温室气体进入大气[11]内燃机的燃料重整就是使用蒸汽重整技术,将上述的“废气”转化为能源的过程[12]

在该过程中,低质量的非甲烷类(NMHCs)气体先转化为合成气(H2 + CO),最终变为甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)和(H2),从而改善气体燃料质量(所谓“甲烷数”)。[13]

与传统的蒸汽重整不同,该过程的工作温度较低、蒸汽供量较少,因此在产物气体中能有较高含量的甲烷(CH4)。主要的反应为:

蒸汽重整:

CnHm + nH2O ⇌ nCO + (n+m2)H2

甲烷化:

CO + 3H2 ⇌ CH4 + H2O

水煤气变换:

CO + H2O ⇌ CO2 + H2

燃料电池的燃料重整编辑

优势编辑

气态碳氢化合物的蒸汽重整是一种给燃料电池提供燃料的方式。车载重整的基本思路是,用甲醇(或其他燃料)罐和一个蒸汽重整单位,取代现有的大体积、高压的氫氣箱。这可能会减少氫動力汽車现有的分配问题[14];但市场上的主要厂家都放弃了车载重整的思路,因为太不切实际(重整反应温度过高,见上文)。

缺点编辑

重整炉-燃料电池系统仍处于研究阶段,因此在短期内,汽车等动力类能源需求将继续使用现有的燃料(天然气、汽油、柴油等)。在全球变暖的现状下,使用这些燃料製取氢是否有益,是一个火热的辩论话题。化石燃料的重整并不能完全避免二氧化碳排放到大气中,但是相比燃烧传统燃料,提高了能源效率,减少了二氧化碳排放,并且几乎消除了一氧化碳的排放(水煤气转化成为氢气,或者在SOFC中本身就是反应物)[15]。重要的是,通过把二氧化碳的排放集中到少数的“点”(蒸汽重整厂)而不是分散在社会各处,碳捕集与封存成为可能,真正防止二氧化碳排放到大气中,虽然这将增加生产成本。

通过重整化石燃料生产的氢气的成本,取决于其生产规模、重整器的固定成本和单位的效率,因此尽管氢气在工业规模的成本可能只有每公斤几美元,但在燃料电池所需的较小的规模下,仍可能较为昂贵。[16]

当前的挑战编辑

目前,该技术面临如下几个挑战:

  • 重整的反应发生在高温下,因此启动缓慢,并需要昂贵的高温的材料。
  • 燃料中的含化合物会钝化某些催化剂,使得普通汽油难以作为这种系统的原料。一些新研发的耐硫的催化剂可以克服这一困难。
  • 低温聚合物燃料电池膜中可能会被重整产生的一氧化碳(CO)钝化,使得必须包括复杂的去除系统。固態氧化物燃料電池(SOFC)以及熔融碳酸盐燃料电池英语molten carbonate fuel cell(MCFC)没有这个问题,但在较高的温度下工作,启动时间长,并需要昂贵的材料和庞大的隔热结构。
  • 该过程的热力效率在70%和85%之间(低热值),取决于氢的纯度。

参见编辑

参考文献编辑

  1. ^ Fossil fuel processor. 
  2. ^ Wyszynski, Miroslaw L.; Megaritis, Thanos; Lehrle, Roy S. Hydrogen from Exhaust Gas Fuel Reforming: Greener, Leaner and Smoother Engines (PDF) (Technical report). Future Power Systems Group, The University of Birmingham. 2001. 
  3. ^ Commonly used fuel reforming today. 
  4. ^ Rostrup-Nielsen, Jens R.; Rostrup-Nielsen, Thomas. Large-scale Hydrogen Production (PDF). Haldor Topsøe: 3. 2007-03-23. The total hydrogen market was in 1998 390×109 Nm3/y + 110×109 Nm3/y co-production. 
  5. ^ Ogden, J.M. Prospects for building a hydrogen energy infrastructure. Annual Review of Energy and the Environment. 1999, 24: 227–279. doi:10.1146/annurev.energy.24.1.227. 
  6. ^ Hydrogen Production: Natural Gas Reforming. Department of Energy. [2017-04-06]. 
  7. ^ Shenqyang (Steven) Shy. The Hydrogen Economy (PDF) (Technical report). 2006-03-23. 
  8. ^ Reimert, Rainer; Marschner, Friedemann; Renner, Hans-Joachim; Boll, Walter; Supp, Emil; Brejc, Miron; Liebner, Waldemar; Schaub, Georg. Ullman's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Gas Production, 2. Processes: Wiley. 2011-10-15. 
  9. ^ Nitrogen (Fixed)—Ammonia (PDF). United States Geological Survey. January 2016. 
  10. ^ Hydrogen Production – Steam Methane Reforming (SMR) (PDF), Hydrogen Fact Sheet, [2014-08-28], (原始内容 (PDF)存档于2006-02-04) 
  11. ^ Atmospheric Emissions. (原始内容存档于2013年9月26日). 
  12. ^ Wärtsilä Launches GasReformer Product For Turning Oil Production Gas Into Energy. Marine Insight. 2013-03-18. (原始内容存档于2015年5月11日). 
  13. ^ Method of operating a gas engine plant and fuel feeding system of a gas engine. 
  14. ^ Advantage of fossil fuel reforming
  15. ^ Fossil fuel reforming not eliminating any carbon dioxides
  16. ^ A realistic look at hydrogen price projections