气相甲烷热解制氢与碳捕获

气相甲烷热解制氢与碳捕获

        为了减少二氧化碳（CO2）排放，从中长期来看，石油和天然气等化石燃料必须被气候中和的替代品所取代。在这方面，氢（H2）被认为是最有前途的无碳能源载体之一，因为它现在已经被广泛用于化学工业，例如用于精炼过程或生产氨或甲醇等关键化学品。此外，H2在钢铁行业脱碳方面具有巨大潜力，是公路和越野移动应用的宝贵燃料，无论是作为接近零排放的氢燃烧发动机的燃料，还是基本上零排放的燃料电池的燃料。这种多样的应用突显了建立全球氢能经济的巨大潜力，这是迈向气候中性未来的关键一步，但也要求提供高效、大规模的氢气生产路线，以满足日益增长的氢气需求。

        天然气目前是工业生产H2的主要来源，由于天然气的蒸汽重整会导致巨大的二氧化碳排放，因此必须采用替代生产工艺。除了水电解，即优先使用风能和太阳能的可再生能源进行H2的电化学生产，甲烷（CH4）热解被认为是大规模H2生产的一种有利方法，可以在相对较短的时间内在工业水平上实现。在这里，甲烷被分解为气态氢和固态碳，这允许直接中断碳循环。尽管天然气也可以作为饲料，但涉及将大气中的CO2掺入有机植被、随后的生物质发酵以及最终产生的富含甲烷的沼气的热解的整体生化过程是设计负碳排放过程的有利方法。

图1：甲烷热解过程示意图。

        在这种情况下，我们小组最近的研究证明了气相甲烷热解制氢和同时捕获碳的可行性。为此，我们使用了一个电加热高温反应器，该反应器配备了Hiden Analytical HPR-20质谱仪，该质谱仪具有高灵敏度和短响应时间，因此可以连续监测和量化废气流中的气体种类浓度。

        在反应器操作期间选择工业相关条件揭示了向进料气体中添加氢气可用于控制甲烷转化和抑制不期望的副产物的形成。类似地，增加停留时间有利于高CH4转化率并最大限度地减少副产物的形成。特别是，在1400°C的反应温度下实现了高CH4转化率和H2产率。值得注意的是，在反应器的稳态操作过程中观察到甲烷转化率的持续增加，这表明由于热解过程中积累的碳，甲烷活化得到了改善。用碳箔或碳网对反应器壁进行简单涂覆的附加实验证实了反应器中存在的碳的有益效果。在本文中，碳一方面通过加速非均相沉积反应，另一方面通过促进烟灰前体的凝结，起到进一步碳沉积的核的作用。

        未来的研究将集中在更详细地阐明从一开始就充满碳颗粒的热解反应器中发生的化学和物理过程的复杂相互作用。

Project summary by: Dr. Patrick Lott and Prof. Dr. Olaf Deutschmann, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Institute for Chemical Technology and Polymer Chemistry, 76131 Karlsruhe, Germany

Paper Reference: Lott, M. B. Mokashi, H. Müller, D. J. Heitlinger, S. Lichtenberg, A. B. Shirsath, C. Janzer, S. Tischer, L. Maier, O. Deutschmann: Hydrogen Production and Carbon Capture by Gas-Phase Methane Pyrolysis: A Feasibility Study. ChemSusChem (2023) e202201720. DOI: 10.1002/cssc.202201720

Hiden Product: HPR-20 R&D

Download PDF: AP-HPR-20-202501

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