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蒸汽重整
✍ dations ◷ 2025-04-02 16:58:00 #蒸汽重整
蒸汽重整(英语:steam reforming),也称作水蒸气转化、蒸汽重组,是一种从烃类燃料(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制取氢气。小尺寸重整炉的开发也是目前热门的研发课题,用类似的技术来制取氢气,作为燃料电池的原料;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、柴油和乙醇等也在考虑范围内。天然气的蒸汽重整,有时被称为蒸汽甲烷重整(steam methane reforming,SMR),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)的95%。在工业中,氢气被用于合成氨和其他化学品。在高温(700-1100 °C)和金属基催化剂(镍)催化的条件下,水蒸气与甲烷反应产生一氧化碳和氢气。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。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: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1.44亿公吨,其使用的氢大多数来自蒸汽重整。这个蒸汽重整过程与炼油厂中石脑油的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的汽油。天然气蒸汽重整的效率约为65至75%。火炬气(英语:gas flare)和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。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。在该过程中,低质量的非甲烷烃类(NMHCs)气体先转化为合成气(H2 + CO),最终变为甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)和氢(H2),从而改善气体燃料质量(所谓“甲烷数”)。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+m⁄2)H2甲烷化:
CO + 3H2 ⇌ CH4 + H2O水煤气变换:
CO + H2O ⇌ CO2 + H2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、高压的氢气箱。这可能会减少氢动力汽车现有的分配问题;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)。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,使用这些燃料制取氢是否有益,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)。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。目前,该技术面临如下几个挑战:
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