Көмірсутектерден сутек және көміртек монооксидін өндіру әдісі
Steam reforming
Көмірсутектерден су буымен реформалау арқылы сутегі және көміртегі монооксидін өндіру әдісі. Сүргілт сутегі (grey hydrogen) және көгілдір сутегі (blue hydrogen) туралы ақпарат.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Көмірсутек отындарынан сутек пен көміртек оксиді өндіру әдісі
Method for producing hydrogen and carbon monoxide from hydrocarbon fuels
Буды реформалау немесе буды метан реформалау (SMR) – көмірсутектер мен судың реакциясы арқылы синтез-газ (сутек пен көміртек оксиді) өндіру әдісі. Көбінесе шикізат ретінде табиғи газ қолданылады. Бұл технологияның басты мақсаты – сутек өндіру. Реакция мына тепе-теңдікпен көрсетіледі:
Steam reforming or steam methane reforming (SMR) is a method for producing syngas (hydrogen and carbon monoxide) by reaction of hydrocarbons with water. Commonly natural gas is the feedstock. The main purpose of this technology is hydrogen production. The reaction is represented by this equilibrium:
CH4 + H2O <=> CO + 3 H2
CH4 + H2O <=> CO + 3 H2
Реакция күшті эндотермиялық болып келеді (ΔHSR = 206 кДж/моль). Буды реформалау арқылы алынған сутек, егер қалдық көмірқышқыл газы атмосфераға шығарылса, «сұр сутек» деп, ал көмірқышқыл газы (көбінесе) ұсталып, геологиялық тұрғыда сақталса, «көк сутек» деп аталады. Көміртегінің шығарылымы жоқ «жасыл» сутек күн энергиясын, төмен немесе жоқ көміртекті электр энергиясын немесе қалдық жылуды пайдалану арқылы судың термохимиялық айырылуы немесе төмен немесе жоқ көміртекті электр энергиясын пайдалану арқылы электролиз жолымен өндіріледі. Көміртегінің шығарылымы жоқ «көктемгі» сутек табиғи газдың метанынан бір сатылы пиролиз арқылы өндіріледі. Табиғи газды бумен реформалау арқылы әлемдегі сутектің басым бөлігі өндіріледі. Сутек аммиак және басқа да химиялық заттардың өнеркәсіптік синтезінде қолданылады.
The reaction is strongly endothermic (ΔHSR = 206 kJ/mol). Hydrogen produced by steam reforming is termed 'grey hydrogen' when the waste carbon dioxide is released to the atmosphere and 'blue hydrogen' when the carbon dioxide is (mostly) captured and stored geologically see carbon capture and storage. Zero carbon 'green' hydrogen is produced by thermochemical water splitting, using solar thermal, low or zero carbon electricity or waste heat, or electrolysis, using low or zero carbon electricity. Zero carbon emissions 'turquoise' hydrogen is produced by one step methane pyrolysis of natural gas. Steam reforming of natural gas produces most of the world's hydrogen. Hydrogen is used in the industrial synthesis of ammonia and other chemicals.
Реакциялар
Буды реформалау реакциясының кинетикасы, әсіресе никель-алюминий катализаторларын пайдалану, 1950 жылдан бері жан-жақты зерттелді.
Steam reforming reaction kinetics, in particular using nickel alumina catalysts, have been studied in detail since the 1950s.
Реформадан бұрын
Алдын ала реформалаудың мақсаты – пропан, бутан немесе нафта сияқты ауыр көмірсутектерді метанға (CH4) ыдырату, бұл келесі реформалау процесін тиімдірек етуге мүмкіндік береді.
The purpose of pre reforming is to break down higher hydrocarbons such as propane, butane or naphtha into methane (CH4), which allows for more efficient reforming downstream.
Ішінара тотығу
Ішінара тотығу (POX) – отын мен ауаның стехиометриялық емес қоспасы реформаторда жартылай жану арқылы сутегіге бай синтез-газ тудырғанда жүзеге асады. POX әдетте бумен реформалаудан тез жүреді және кішірек реактор қабылдағышын қажет етеді. Бірдей отынды бумен реформалауға қарағанда POX кіріс отынның бір бірлігіне аз сутегі шығарады.
Partial oxidation (POX) occurs when a sub stoichiometric fuel air mixture is partially combusted in a reformer creating hydrogen rich syngas. POX is typically much faster than steam reforming and requires a smaller reactor vessel. POX produces less hydrogen per unit of the input fuel than steam reforming of the same fuel.
Шағын көлемдегі буды қайта өңдеу
Бумен қайта өңдеу зауыттарының бастапқы құны шағын және орта өлшемді қолданыстар үшін тым жоғары деп есептеледі. Осындай күрделі нысандардың құны көлем азайған сайын пропорционалды түрде төмендемейді. Дәстүрлі бумен қайта өңдеу қондырғылары 200 мен 600 psi (14–40 бар) аралығындағы қысымда, шығыс температурасы 815–925 °C диапазонында жұмыс істейді.
The capital cost of steam reforming plants is considered prohibitive for small to medium size applications. The costs for these elaborate facilities do not scale down well. Conventional steam reforming plants operate at pressures between 200 and 600 psi (14–40 bar) with outlet temperatures in the range of 815 to 925 °C.
Жанарлы-жағармайлы қозғалтқыштар үшін
Жанатын газ және ауаға шығарылатын ұшпалы органикалық қосылыстар (ҰОҚ) теңіздегі және құрлықтағы мұнай және газ өнеркәсібінде жақсы белгілі проблемалар болып табылады, себебі екеуі де атмосфераға парниктік газдар шығарады. Жану қозғалтқыштары үшін реформалау технологиясы қалдық газдарды энергия көзіне айналдыру үшін бу реформалауды пайдаланады. Жану қозғалтқыштары үшін реформалау бу реформалау негізінде жүзеге асырылады, онда төмен сапалы газдардың метан емес көмірсутектері (НМКК) синтез газына (H2 + CO) және соңында метанға (CH4), көмірқышқыл газына (CO2) және сутегіне (H2) айналдырылып, жанар-жағармай газының сапасын (метан саны) жақсартады.
Flared gas and vented volatile organic compounds (VOCs) are known problems in the offshore industry and in the on shore oil and gas industry, since both release greenhouse gases into the atmosphere. Reforming for combustion engines utilizes steam reforming technology for converting waste gases into a source of energy. Reforming for combustion engines is based on steam reforming, where non methane hydrocarbons (NMHCs) of low quality gases are converted to synthesis gas (H2 + CO) and finally to methane (CH4), carbon dioxide (CO2) and hydrogen (H2) thereby improving the fuel gas quality (methane number).
Отын элементтері үшін
Сонымен қатар, отын элементтері үшін шикізат ретінде сутегі өндіруге арналған, ұқсас технологияға негізделген әлдеқайда кішігірім құрылғыларды дамытуға қызығушылық бар. Отын жадына жабдықтау үшін кішкентай көлемдегі буды реформалау құрылғылары қазіргі уақытта зерттеулер мен әзірлемелер нысаны болып табылады, көбінесе метанолдың реформалауын қамтиды, бірақ пропан, бензин, автогаз, дизель отыны және этанол сияқты басқа да отындар да қарастырылуда.
There is also interest in the development of much smaller units based on similar technology to produce hydrogen as a feedstock for fuel cells. Small scale steam reforming units to supply fuel cells are currently the subject of research and development, typically involving the reforming of methanol, but other fuels are also being considered such as propane, gasoline, autogas, diesel fuel, and ethanol.
Кемшіліктер
Реформашы – отын элементтері жүйесі әлі де зерттелуде, бірақ алдағы уақытта жүйелер табиғи газ, бензин немесе дизель сияқты қолданыстағы отындарда жұмыс істей беруі мүмкін. Дегенмен, осы отындарды сутегі өндіру үшін пайдаланудың тиімділігіне қатысты белсенді пікірталас жүріп жатыр. Қазба отындарды қайта өңдеу атмосфераға көмірқышқыл газы шығаруды тоқтатпайды, бірақ тиімділігінің артуы және отын элементтерінің ерекшеліктеріне байланысты, дәстүрлі отындарды жағумен салыстырғанда көмірқышқыл газы шығарылымын азайтады және көміртек моноксидінің шығарылымын дерлік жояды. Алайда, көмірқышқыл газының таралуын шашыраңқы түрде емес, бір шоғырлы нүктеге жинақтау арқылы көміртегіді ұстау және сақтау мүмкіндігі туындайды, бұл көмірқышқыл газының атмосфераға түсуін болдырмайды, бірақ процестің құнын арттырады. Қазба отындарды қайта өңдеу арқылы сутегі өндірудің құны, өндіріс көлеміне, реформатордың бастапқы құнына және қондырғының тиімділігіне байланысты. Сондықтан, өнеркәсіптік масштабта сутегінің бір килограмына бірнеше доллар ғана жұмсалса, отын элементтеріне қажетті кіші масштабта ол әлдеқайда қымбат болуы мүмкін.
The reformer– the fuel cell system is still being researched but in the near term, systems would continue to run on existing fuels, such as natural gas or gasoline or diesel. However, there is an active debate about whether using these fuels to make hydrogen is beneficial while global warming is an issue. Fossil fuel reforming does not eliminate carbon dioxide release into the atmosphere but reduces the carbon dioxide emissions and nearly eliminates carbon monoxide emissions as compared to the burning of conventional fuels due to increased efficiency and fuel cell characteristics. However, by turning the release of carbon dioxide into a point source rather than distributed release, carbon capture and storage becomes a possibility, which would prevent the release of carbon dioxide to the atmosphere, while adding to the cost of the process. The cost of hydrogen production by reforming fossil fuels depends on the scale at which it is done, the capital cost of the reformer, and the efficiency of the unit, so that whilst it may cost only a few dollars per kilogram of hydrogen at an industrial scale, it could be more expensive at the smaller scale needed for fuel cells.