客服热线:400-0515-666

电加热颠覆传统甲烷重整,让氢气更绿色!

2019-06-14 08:04:30浏览:18评论:0来源:加热网   
核心摘要:传统燃烧反应器的电气化,可以有效减少二氧化碳的排放,并且可以更加柔性紧凑的产热。在本文中,丹麦工业大学Sebastian T. Wisma
 传统燃烧反应器的电气化,可以有效减少二氧化碳的排放,并且可以更加柔性紧凑的产热。在本文中,丹麦工业大学Sebastian T. Wismann等提出了一种非常巧妙的方法,将电加热催化结构直接集成到甲烷蒸汽重整(SMR)反应器中进行制氢,电热源与反应位点紧密接触,可以使反应更加接近热平衡,提高催化剂利用率,限制有害副产物的形成。该反应器的集成设计可以紧凑小型化,比现有甲烷重整工业机器小100倍。这种SMR的电气化为新的反应堆规模设计和实施机会提供了强有力的平台,如果该设备在全球范围内实施,相当于减少近1%的二氧化碳排放量。

今天第2篇推文是对这篇Science文章的评述,欢迎关注。“大化工”是能源领域必不可少的重要部分,如何实现清洁生产,从源头上更“绿色”,才是我们所要追求的!

【文章背景】

在工业中,氢和氨等重要化学物质的合成严重依赖于碳氢化合物的燃烧,因此产生大量的二氧化碳排放。其中最大的合成规模之一就是甲烷蒸汽重整(SMR)制氢策略,该方法占全球氢气供应量的50%,同时也占全球3%的二氧化碳排放量。在该设备中,天然气与蒸汽按以下方程式反应:

上式中ΔHr°为标准反应焓,通过将天然气和合成过程中产生的废气混合物燃烧来向反应提供热量。就全球发展规模来看,传统SMR每公吨氢气会产生6.6至9.3公吨二氧化碳,其中17至41%是碳氢化合物燃烧的直接产物

图1. 传统SMR转化炉和本文提出新型反应器的加热原理。

目前,大型工业的SMR转化炉由100多个10-14米长的大型炉管反应器组成,其中气体燃烧器位于反应管之间,以实现热量的最佳分配。如图1a中的温度曲线所示,燃烧必须大大高于反应温度,才能产生必要的向内热流,由于SMR催化剂和反应器壁上的热导率有限,如果满足反应所需的热量是一个较大的限制(图1a)。尽管在炉中含有一些催化剂,但这些催化剂的固有活性通常不是最重要的限制因素,并且,由于低导热率和强吸热反应会在催化剂上产生温度梯度,因此导致催化剂利用率降低

几十年来,SMR的热导率一直是热门的研究课题,比如使用具有较高导热性的催化剂,通过改变反应平衡来降低SMR的温度,通过使用μ-反应器来获得较短的特征长度标度,通过使用等离子体进行室温反应,或通过热磁感应对催化剂直接加热等。此外,整体催化涂层也是一个不错的方法,可以使加热元件的反应堆温度超过常规反应堆的可行温度,大大改善了时间响应,将启动时间推至几分钟内。然而,尽管进行了几十年的研究,但在工业规模上仍没有降低二氧化碳排放量的替代方案

在本工作中,作者描述了一种基于直接电阻(欧姆)加热(图1b)的高性能、全电驱动的转化炉,该转化炉的产能完全可以扩展到工业规模。电热源和催化剂之间的紧密接触,可以使能量直接供应到催化位点,消除了热限制,并使反应完全可控。这种电气化的策略完全消除碳氢化合物燃烧步骤,大大减少了反应堆的体积、二氧化碳排放和废热流。这为现有的工业转化炉提供了一个改革性的方法,生产出更“绿色”的氢,用于大规模合成甲醇、氨和生物燃料等不可或缺的高价化学产品。

【文章详情】

 

图2. 实验室规模的电阻加热反应器。

作者制备了一种基于FeCrAl合金管的实验室规模反应器,该反应器的电阻与温度无关,且内部涂有一层约130μm厚的镍层。将铜插座安装在反应器管外表面的两端,是通过沿管施加交流电流来实现电阻加热(图2a),然后直接向催化涂层供热(图2b)。将反应器的两端的涂层去除一部分,可以获得定量的催化剂长度(图2c),防止反向反应。由于材料的浸渍方法,在反应器的下端存在一层薄薄的催化活性涂层(

将CH4,H2O和H2(30/60/10)的进料混合物预热到100℃,以防止进入反应器前发生冷凝。本实验在高于环境50mbar的压力下进行,因为该反应器暂时不能用于承压应用。

 

图3. 环境压力下的实验结果和模型预测。

图3显示了实验结果和计算模拟的数据,反应器可分为三个阶段,由于整个供热系统会加热气体(图3b),因此第一阶段的铜插座和涂层区(图3a)之间的温度会迅速升高。第二个阶段,即涂层区,由于吸热反应消耗的热量,远远高于供热系统提供的热量,因此该区域的温度开始下降(图3a)。此后,由于吸热反应消耗大量的热量,温度曲线将接近线性,比第一阶段的斜率小得多。在第三个阶段,即出口(图3a)处,温度会再次快速上升,达到最高800℃,然后迅速下降到100℃。在反应器的末端,铜插座会与周围环境进行热交换,便于快速冷却,因此径向热梯度(图3b)主要由反应堆内的对流引起。沿温度曲线的线性部分,涂层之间的温差不超过2℃,整个反应器壁上没有明显的温度梯度,这是一个巨大的好处,因为温度梯度会引起热应力,对反应器的机械强度和寿命不利。

尽管内部扩散限制了催化剂的利用,但随着反应在涂层上迅速接近平衡(图3c)后,平均催化剂利用率将近20%,即比传统SMR的异相催化剂高出一个数量级。最有效利用催化剂的地方是靠近入口处,因为越高的温度下反应速率会越快。在出口处,反应在涂层最内层50μm内达到平衡。如此高的催化剂利用率,主要是由于催化剂中没有热梯度,并且还可以进一步优化,如图3c所示,只需要40到50μm的均匀涂层,便可将催化剂利用率提高到65%。

由于在给定的工艺设计中,流动始终是层流的,因此径向质量的传递仅通过分子扩散到催化剂表面,从而使与气体速度相关的外部质量传递受到限制。随着流速的增加,达到等效转换所需的温度时,可以观察到外部扩散极限(图3d)。通过提高反应器温度,以增加相对于平衡的温差为代价,可以实现更高的转化率(图3d)。当气体接近完全转化时,由于反应动力学能垒增加,可以观察到垂直渐近线,垂直渐近线出现在较高流速的较低转换处,从而限制了在不改变几何结构或操作条件的情况下可实现的最大转换。

 

电阻加热设计的另一个重要好处是可以使用非常紧凑的反应器,如果将本工作中开发的模型用于单管,并将其外推到几个与SMR容量匹配的平行管上,传统生产2230 kmol H2/h所需要的SMR大小为1100 m3,而电阻加热重整器的大小为~5 m3(图4)。在该条件下运行,电阻加热重整器没有积碳风险,并且如果几何结构或操作条件得到优化,还可进一步缩减体积。

【文章结论】

特殊紧凑型反应堆的电气化及均匀为解决SMR制氢设计、运行和工艺集成方面的二氧化碳排放问题提供了一种颠覆性的方法。除了减少二氧化碳排放外,将电阻加热反应器安装到现有工厂中还可以提供其他操作条件,比如降低蒸汽碳比,或在甲烷转化率增加的情况下运行,没有碳沉积和温度限制。由于对热回收的需求较少,电阻加热重整制氢可在许多不同的规模下有效使用,通过利用现有发达的天然气基础设施以及潜在的沼气,促进了地域化设计。电气化转化炉的运营成本与电费、天然气和二氧化碳税直接相关,初步估计表明,在可再生电力产量较高的地区,电阻加热重整器将与现有的燃烧重整器相当。

Sebastian T. Wismann, Jakob S. Engbæk, Søren B. Vendelbo, Flemming B. Bendixen, Winnie L. Eriksen, Kim Aasberg-Petersen, Cathrine Frandsen, Ib Chorkendorff, Peter M. Mortensen. Electrified methane reforming: A compact approach to greener industrial hydrogen production,Science, 2019, 364, 756–759. DOI:10.1126/science.aaw8775

(责任编辑:小编)
下一篇:

不吹不黑,石墨烯电热膜才是产业发展的未来!

上一篇:

空气能热水器大循环加热比较适用商用吗?

  • 信息二维码

    手机看新闻

  • 分享到
打赏
免责声明
• 
本文仅代表作者个人观点,本站未对其内容进行核实,请读者仅做参考,如若文中涉及有违公德、触犯法律的内容,一经发现,立即删除,作者需自行承担相应责任。涉及到版权或其他问题,请及时联系我们
 
0相关评论