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蒸汽重整

十月 05, 2023

蒸汽重整（英語：steam reforming），也称作水蒸气转化、蒸汽重組，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製取氢气。小尺寸重整炉的开发也是目前热门的研发课题，用类似的技术来製取氢气，作为燃料电池的原料[1]；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[2][3]。

工业重整 编辑

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[4]）的95%[5][6]。在工业中，氢气被用于合成氨和其他化学品[7]。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。

CH4 + H2O ⇌ CO +3 H2

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。[8]

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：

CO + H2O ⇌ CO2 + H2

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1.44亿公噸，其使用的氢大多数来自蒸汽重整。[9]

这个蒸汽重整过程与煉油廠中石腦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%。[10]

内燃机的燃料重整 编辑

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[11]。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[12]。

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”）。[13]

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

燃料电池的燃料重整 编辑

优势 编辑

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、高压的氫氣箱。这可能会减少氫動力汽車现有的分配问题[14]；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）。

缺点 编辑

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，使用这些燃料製取氢是否有益，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）[15]。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。[16]

当前的挑战 编辑

目前，该技术面临如下几个挑战：

  • 重整的反应发生在高温下，因此启动缓慢，并需要昂贵的高温的材料。
  • 燃料中的含硫化合物会钝化某些催化剂，使得普通汽油难以作为这种系统的原料。一些新研发的耐硫的催化剂可以克服这一困难。
  • 低温聚合物燃料电池膜中可能会被重整产生的一氧化碳（CO）钝化，使得必须包括复杂的去除系统。固態氧化物燃料電池（SOFC）以及熔融碳酸盐燃料电池（英语：molten carbonate fuel cell）（MCFC）没有这个问题，但在较高的温度下工作，启动时间长，并需要昂贵的材料和庞大的隔热结构。
  • 该过程的热力效率在70%和85%之间（低热值），取决于氢的纯度。

参见 编辑

  • 生物氣體（沼气）
  • 裂化反应
  • 氢夹点（英语：hydrogen pinch）
  • 氢技术
  • 工業氣體
  • Lane hydrogen producer
  • 优先氧化（PROX（英语：PROX））
  • 海绵铁循环（英语：sponge iron reaction）
  • 氢能技术大事年表（英语：Timeline of hydrogen technologies）

参考文献 编辑

  1. ^ Fossil fuel processor. [2018-05-15]. （原始内容于2009-04-27）. 
  2. ^ Wyszynski, Miroslaw L.; Megaritis, Thanos; Lehrle, Roy S. Hydrogen from Exhaust Gas Fuel Reforming: Greener, Leaner and Smoother Engines (PDF) (技术报告). Future Power Systems Group, The University of Birmingham. 2001 [2018-05-15]. （原始内容 (PDF)于2021-05-06）. 
  3. ^ Commonly used fuel reforming today. [2018-05-15]. （原始内容于2009-04-14）. 
  4. ^ Rostrup-Nielsen, Jens R.; Rostrup-Nielsen, Thomas. (PDF). Haldor Topsøe: 3. 2007-03-23 [2018-05-15]. （原始内容 (PDF)存档于2016-11-20）. The total hydrogen market was in 1998 390×109 Nm3/y + 110×109 Nm3/y co-production. 
  5. ^ Ogden, J.M. Prospects for building a hydrogen energy infrastructure. Annual Review of Energy and the Environment. 1999, 24: 227–279. doi:10.1146/annurev.energy.24.1.227. 
  6. ^ Hydrogen Production: Natural Gas Reforming. Department of Energy. [2017-04-06]. （原始内容于2021-04-23）. 
  7. ^ Shenqyang (Steven) Shy. The Hydrogen Economy (PDF) (技术报告). 2006-03-23 [2018-05-15]. （原始内容 (PDF)于2020-04-10）. 
  8. ^ Reimert, Rainer; Marschner, Friedemann; Renner, Hans-Joachim; Boll, Walter; Supp, Emil; Brejc, Miron; Liebner, Waldemar; Schaub, Georg. Ullman's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Gas Production, 2. Processes: Wiley. 2011-10-15. 
  9. ^ Nitrogen (Fixed)—Ammonia (PDF) (报告). United States Geological Survey. January 2016 [2018-05-15]. （原始内容 (PDF)于2017-05-14）. 
  10. ^ (PDF), Hydrogen Fact Sheet, [2014-08-28], （原始内容 (PDF)存档于2006-02-04） 
  11. ^ . （原始内容存档于2013年9月26日）. 
  12. ^ . Marine Insight. 2013-03-18. （原始内容存档于2015年5月11日）. 
  13. ^ Method of operating a gas engine plant and fuel feeding system of a gas engine. [2018-05-15]. （原始内容于2020-05-28）. 
  14. ^ Advantage of fossil fuel reforming. [2018-05-15]. （原始内容于2008-10-23）. 
  15. ^ Fossil fuel reforming not eliminating any carbon dioxides. [2018-05-15]. （原始内容于2009-04-26）. 
  16. ^

十月 05, 2023
蒸汽重整, 英語, steam, reforming, 也称作水蒸气转化, 蒸汽重組, 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, 甲烷的在工业中被广泛用于製取氢气, 小尺寸重整炉的开发也是目前热门的研发课题, 用类似的技术来製取氢气, 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, 目录, 工业重整, 内燃机的燃料. 蒸汽重整 英語 steam reforming 也称作水蒸气转化 蒸汽重組 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製取氢气 小尺寸重整炉的开发也是目前热门的研发课题 用类似的技术来製取氢气 作为燃料电池的原料 1 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 2 3 目录 1 工业重整 2 内燃机的燃料重整 3 燃料电池的燃料重整 3 1 优势 3 2 缺点 3 3 当前的挑战 4 参见 5 参考文献工业重整 编辑天然气的蒸汽重整 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 4 的95 5 6 在工业中 氢气被用于合成氨和其他化学品 7 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 CH4 H2O CO 3 H2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 8 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 CO H2O CO2 H2第一个反应是强烈吸热的 DHr 206kJ mol 第二个反应是轻度放热的 DHr 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 44亿公噸 其使用的氢大多数来自蒸汽重整 9 这个蒸汽重整过程与煉油廠中石腦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 10 内燃机的燃料重整 编辑火炬气 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 11 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 12 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 13 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燃料电池的燃料重整 编辑优势 编辑 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 高压的氫氣箱 这可能会减少氫動力汽車现有的分配问题 14 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 缺点 编辑 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 使用这些燃料製取氢是否有益 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 15 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 16 当前的挑战 编辑 目前 该技术面临如下几个挑战 重整的反应发生在高温下 因此启动缓慢 并需要昂贵的高温的材料 燃料中的含硫化合物会钝化某些催化剂 使得普通汽油难以作为这种系统的原料 一些新研发的耐硫的催化剂可以克服这一困难 低温聚合物燃料电池膜中可能会被重整产生的一氧化碳 CO 钝化 使得必须包括复杂的去除系统 固態氧化物燃料電池 SOFC 以及熔融碳酸盐燃料电池 英语 molten carbonate fuel cell MCFC 没有这个问题 但在较高的温度下工作 启动时间长 并需要昂贵的材料和庞大的隔热结构 该过程的热力效率在70 和85 之间 低热值 取决于氢的纯度 参见 编辑生物氣體 沼气 裂化反应 氢夹点 英语 hydrogen pinch 氢技术 工業氣體 Lane hydrogen producer 优先氧化 PROX 英语 PROX 海绵铁循环 英语 sponge iron reaction 氢能技术大事年表 英语 Timeline of hydrogen technologies 参考文献 编辑 Fossil fuel processor 2018 05 15 原始内容存档于2009 04 27 Wyszynski Miroslaw L Megaritis Thanos Lehrle Roy S Hydrogen from Exhaust Gas Fuel Reforming Greener Leaner and Smoother Engines PDF 技术报告 Future Power Systems Group The University of Birmingham 2001 2018 05 15 原始内容存档 PDF 于2021 05 06 Commonly used fuel reforming today 2018 05 15 原始内容存档于2009 04 14 Rostrup Nielsen Jens R Rostrup Nielsen Thomas Large scale Hydrogen Production PDF Haldor Topsoe 3 2007 03 23 2018 05 15 原始内容 PDF 存档于2016 11 20 The total hydrogen market was in 1998 390 109 Nm3 y 110 109 Nm3 y co production Ogden J M Prospects for building a hydrogen energy infrastructure Annual Review of Energy and the Environment 1999 24 227 279 doi 10 1146 annurev energy 24 1 227 Hydrogen Production Natural Gas Reforming Department of Energy 2017 04 06 原始内容存档于2021 04 23 Shenqyang Steven Shy The Hydrogen Economy PDF 技术报告 2006 03 23 2018 05 15 原始内容存档 PDF 于2020 04 10 Reimert Rainer Marschner Friedemann Renner Hans Joachim Boll Walter Supp Emil Brejc Miron Liebner Waldemar Schaub Georg Ullman s Encyclopedia of Industrial Chemistry Gas Production 2 Processes Wiley 2011 10 15 使用 accessdate 需要含有 url 帮助 Nitrogen Fixed Ammonia PDF 报告 United States Geological Survey January 2016 2018 05 15 原始内容存档 PDF 于2017 05 14 Hydrogen Production Steam Methane Reforming SMR PDF Hydrogen Fact Sheet 2014 08 28 原始内容 PDF 存档于2006 02 04 Atmospheric Emissions 原始内容存档于2013年9月26日 Wartsila Launches GasReformer Product For Turning Oil Production Gas Into Energy Marine Insight 2013 03 18 原始内容存档于2015年5月11日 Method of operating a gas engine plant and fuel feeding system of a gas engine 2018 05 15 原始内容存档于2020 05 28 Advantage of fossil fuel reforming 2018 05 15 原始内容存档于2008 10 23 Fossil fuel reforming not eliminating any carbon dioxides 2018 05 15 原始内容存档于2009 04 26 A realistic look at hydrogen price projections 取自 https zh wikipedia org w index php title 蒸汽重整 amp oldid 70848902, 维基百科，wiki，书籍，书籍，图书馆，

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