Введение
Метод получения водорода и монооксида углерода из углеводородного топлива
Парореформирование или паровое метанореформирование (ПМР) – это метод получения синтез-газа (водорода и монооксида углерода) в результате реакции углеводородов с водой. В качестве сырья чаще всего используется природный газ. Основная цель данной технологии – производство водорода. Реакция описывается следующим равновесием:
CH4 + H2O <=> CO + 3 H2
Реакция сильно эндотермична (ΔHSR = 206 кДж/моль). Водород, полученный парореформированием, называют «серым водородом», если образующийся углекислый газ выбрасывается в атмосферу, и «голубым водородом», если углекислый газ (в основном) улавливается и подвергается геологическому хранению. «Зеленый» водород с нулевым выбросом углерода получают путем термохимического разложения воды с использованием солнечной тепловой энергии, электроэнергии с низким или нулевым содержанием углерода, или отработанного тепла, либо электролизом с использованием электроэнергии с низким или нулевым содержанием углерода. «Бирюзовый» водород с нулевым выбросом углерода получают путем одноступенчатого пиролиза метана из природного газа. Парореформирование природного газа обеспечивает производство большей части мирового объема водорода. Водород используется в промышленном синтезе аммиака и других химических веществ.
Реакции
Кинетику реакции парового риформинга, особенно с использованием никелевых катализаторов на основе оксида алюминия, детально изучают с 1950-х годов.
Предварительная реформа
Цель предварительного риформинга – разложение высокомолекулярных углеводородов, таких как пропан, бутан или нафта, до метана (CH4), что обеспечивает более эффективный риформинг на последующих стадиях.
Частичная окисление
Частичное окисление (POX) происходит при неполном сгорании топливно-воздушной смеси с недостатком воздуха в реформере, в результате чего образуется синтез-газ, богатый водородом. POX обычно происходит значительно быстрее, чем паровой риформинг, и требует реактора меньшего размера. Выход водорода на единицу потребленного топлива при POX меньше, чем при паровом риформинге того же топлива.
Маломасштабное переработку пара
Стоимость строительства паровых риформинговых установок считается непомерно высокой для малых и средних применений. Затраты на эти сложные установки плохо масштабируются. Традиционные паровые риформинговые установки работают под давлением от 200 до 600 psi (14–40 бар) при температуре на выходе от 815 до 925 °C.
Для двигателей внутреннего сгорания
Вспыхнувший газ и выбросы летучих органических соединений (ЛОС) – известные проблемы в морской нефтегазовой отрасли и на береговых нефтегазовых объектах, поскольку оба они приводят к выбросам парниковых газов в атмосферу. Реформинг для двигателей внутреннего сгорания использует технологию парового риформинга для преобразования отходящих газов в источник энергии. Реформинг для двигателей внутреннего сгорания основан на паровом риформинге, в ходе которого неметановые углеводороды (НМУ) из низкокачественных газов преобразуются в синтез-газ (H2 + CO), а затем в метан (CH4), углекислый газ (CO2) и водород (H2), что улучшает качество топливного газа (метановое число).
Для топливных элементов
Также проявляется интерес к разработке гораздо меньших установок, основанных на аналогичной технологии, для производства водорода как сырья для топливных элементов. Небольшие парореформирующие установки для питания топливных элементов в настоящее время являются объектом исследований и разработок, как правило, с использованием реформирования метанола, но также рассматриваются и другие виды топлива, такие как пропан, бензин, сжиженный нефтяной газ, дизельное топливо и этанол.
Недостатки
Реформатор – система топливных элементов все еще находится в стадии исследований, но в ближайшем будущем системы будут продолжать работать на существующих видах топлива, таких как природный газ, бензин или дизельное топливо. Однако активно обсуждается вопрос о том, выгодно ли использовать эти виды топлива для производства водорода в условиях глобального потепления. Реформинг ископаемого топлива не исключает выбросы углекислого газа в атмосферу, но снижает их объем и практически устраняет выбросы угарного газа по сравнению со сжиганием традиционного топлива благодаря повышенной эффективности и особенностям топливных элементов. При этом, концентрируя выбросы углекислого газа в единой точке вместо распределенных источников, становится возможным улавливание и хранение углерода, что предотвратит его попадание в атмосферу, но увеличит стоимость процесса. Стоимость производства водорода методом реформинга ископаемого топлива зависит от масштаба производства, капитальных затрат на реформатор и эффективности установки. Таким образом, в промышленных масштабах она может составлять всего несколько долларов за килограмм водорода, в то время как для меньших масштабов, необходимых для топливных элементов, она может быть выше.