Buhar reformu - Steam reforming

Buhar reforming veya buhar metan reforming , hidrokarbonların su ile reaksiyonu yoluyla sentez gazı ( hidrojen ve karbon monoksit ) üretmek için bir yöntemdir . Genellikle doğal gaz hammaddedir. Bu teknolojinin temel amacı hidrojen üretimidir . Reaksiyon bu denge ile temsil edilir:

CH 4 + H 2 O ⇌ CO + 3 H 2

Reaksiyon güçlü bir şekilde endotermiktir (ısı tüketir, ΔH r = 206 kJ/mol).

Buhar reformasyonu ile üretilen hidrojen, atık karbondioksit atmosfere salındığında 'gri hidrojen' ve karbondioksit (çoğunlukla) yakalanıp jeolojik olarak depolandığında 'mavi hidrojen' olarak adlandırılır - bkz. Karbon yakalama ve depolama . (Sıfır karbonlu 'Yeşil' hidrojen, düşük veya sıfır karbonlu elektrik kullanılarak elektroliz yoluyla üretilir . Sıfır karbon emisyonlu 'turkuaz' hidrojen, doğal gazın tek aşamalı metan pirolizi ile üretilir .)

Doğal gazın buhar reformu , dünyadaki hidrojenin çoğunu üretir. Hidrojen, amonyak ve diğer kimyasalların endüstriyel sentezinde kullanılır .

endüstriyel uygulama

Reaksiyon, yüksek basınçlı bir buhar ve metan karışımının bir nikel katalizörü ile temas ettirildiği reformer fırın tüplerinde gerçekleştirilir . Yüksek çalışma sıcaklığı nedeniyle difüzyon sınırlamaları nedeniyle yüksek yüzey alanı-hacim oranına sahip katalizörler tercih edilir . Kullanılan katalizör şekillerinin örnekleri, telli tekerlekler, dişli tekerlekler ve delikli halkalardır. Ek olarak, bu şekiller, bu uygulama için avantajlı olan düşük bir basınç düşüşüne sahiptir.

CCS ile yakalanabilecek Hidrojen ve CO2 sera gazı üretmek için bir süreç olan doğal gazın buharla reforme edilmesinin girdi ve çıktılarını gösteren resim

Via su-gaz değişimi reaksiyonu , ek hidrojen buhar, su ile yeniden üretilen karbon monoksit işlenmesiyle elde edilebilir:

CO + H 2 O ⇌ CO 2 + H 2

Bu reaksiyon hafif ekzotermiktir (ısı üretir, ΔH r = -41 kJ/mol).

Amerika Birleşik Devletleri çoğunlukla buhar doğalgaz reform ile yılda hidrojen 9-10 milyon ton üretiyor. Buhar reformasyonundan elde edilen hidrojen kullanılarak dünya çapında amonyak üretimi 2018'de 144 milyon tondu. Enerji tüketimi 1920'de 100 GJ/ton amonyak iken 2019'a kadar 27 GJ'ye düşürüldü.

Doğal gazın buharla reformasyonu %65-75 verimlidir.

H üretimi 2 hidrokarbon gazları ve CO (örneğin, doğal gaz), iki iyi bilinen "primer" ve "ikincil" reformcularının tarafından gerçekleştirilir. Buhar metan reforming (SMR) ve ototermal reformer (ATR), sırasıyla birincil ve ikincil reformerlerin iki endüstriyel örneğidir. Öte yandan, birleşik reform işlemi, amonyak imalatında yaygın olarak uygulandığı gibi, sentez gazı üretimi için hem birincil hem de ikincil araçları kullanır. Metanol durum için, ATR fazla N başlangıcından beri hemen hemen saf oksijen (% 99.5) yerine hava ile beslenir 2 sıkıştırma, aşırı yük ve metanol üretimi geciktirebilecek sentez gazındaki. ATR reformer, bir kısmi oksidasyon (POX) odasından (genellikle katalitik olmayan ortam) ve sabit yataklı bir katalitik bölümden oluşur. Katalitik sabit yataklı H ayarlar sadece 2 / CO oranı değil, aynı zamanda POX haznesinde oluşturulabilir bir muhtemel kurum ve öncü (örneğin, etilen ve asetilen) yok eder. Doğal gaz (NG), yanma odasında oksijen veya hava (oksidan olarak) tarafından kısmen oksitlenir. Oksijen bazlı durumda genellikle 0,6 olan buhar/karbon (S/C) oranı Haldor-Topsoe Company tarafından ticarileştirilmiştir.

ototermal reform

Ototermal reforming (ATR), sentez gazı oluşturmak için metan ile reaksiyonda oksijen ve karbon dioksit veya buhar kullanır . Reaksiyon, metanın kısmen oksitlendiği tek bir odada gerçekleşir. Reaksiyon oksidasyon nedeniyle ekzotermiktir. ATR karbondioksit kullandığında, H 2 : üretilen CO oranı 1: 1 'dir; ATR buhar kullandığında üretilen H 2 :CO oranı 2,5:1'dir

Reaksiyonlar CO kullanılarak aşağıdaki denklem ile tarif edilebilir 2 :

2 CH 4 + O 2 + CO 2 → 3 H 2 + 3 CO + H 2 O

Ve buhar kullanarak:

4 CH 4 + O 2 + 2 H 2 O → 10 H 2 + 4 CO

Sentez gazının çıkış sıcaklığı 950–1100°C arasındadır ve çıkış basıncı 100 bar'a kadar çıkabilir .

SMR ve ATR arasındaki temel fark, SMR'nin buhar oluşturmak için bir ısı kaynağı olarak yalnızca yanma için hava kullanması, ATR'nin ise saf oksijen kullanmasıdır. ATR'nin avantajı, özel ürünler üretmek için faydalı olabilecek H 2 :CO'nun değişebilmesidir.

Kısmi oksidasyon

Kısmi oksidasyon (POX), stokiyometrik altı bir yakıt-hava karışımı hidrojen açısından zengin sentez gazı oluşturan bir reformer içinde kısmen yakıldığında meydana gelir. POX tipik olarak buhar reformundan çok daha hızlıdır ve daha küçük bir reaktör kabı gerektirir. POX, aynı yakıtın buhar reformasyonuna göre, girdi yakıtının birimi başına daha az hidrojen üretir.

Küçük ölçekte buhar reformu

Buhar reforming tesislerinin sermaye maliyeti, küçük ila orta büyüklükteki uygulamalar için engelleyici olarak kabul edilir. Bu ayrıntılı tesislerin maliyetleri iyi bir şekilde ölçeklenmiyor. Konvansiyonel buhar reforming tesisleri, 815 ila 925 °C aralığındaki çıkış sıcaklıkları ile 200 ila 600 psi (14–40 bar) arasındaki basınçlarda çalışır.

yanmalı motorlar için

Her ikisi de atmosfere sera gazları saldığından, alevlenmiş gaz ve bacalı uçucu organik bileşikler (VOC'ler), açık deniz endüstrisinde ve karadaki petrol ve gaz endüstrisinde bilinen problemlerdir. Yanmalı motorlar için reform, atık gazları bir enerji kaynağına dönüştürmek için buhar reformu teknolojisini kullanır.

Yanmalı motorlar için tekrar oluşturma buharla reformasyon dayanır, metan dışı hidrokarbon (burada NMHCs düşük kaliteli gazlarının) dönüştürülür sentez gazı (H 2 + CO) ve son olarak metan (CH 4 ), karbon dioksit (CO 2 ) ve hidrojen (H 2 ) - böylece yakıt gazı kalitesini iyileştirir (metan sayısı).

Yakıt hücreleri için

Yakıt hücreleri için bir hammadde olarak hidrojen üretmek için benzer teknolojiye dayalı çok daha küçük birimlerin geliştirilmesine de ilgi vardır . Yakıt hücrelerini tedarik etmek için küçük ölçekli buhar reforming üniteleri , şu anda tipik olarak metanolün reformasyonunu içeren araştırma ve geliştirme konusudur , ancak propan , benzin , otogaz , dizel yakıt ve etanol gibi diğer yakıtlar da düşünülmektedir .

Dezavantajları

Reformer – yakıt hücresi sistemi hala araştırılmaktadır, ancak yakın vadede sistemler doğal gaz veya benzin veya dizel gibi mevcut yakıtlarla çalışmaya devam edecektir. Ancak, küresel ısınma söz konusuyken bu yakıtları hidrojen yapmak için kullanmanın faydalı olup olmadığı konusunda aktif bir tartışma var. Fosil yakıt reformasyonu, atmosfere karbondioksit salınımını ortadan kaldırmaz, ancak artan verimlilik ve yakıt hücresi özellikleri nedeniyle geleneksel yakıtların yanmasına kıyasla karbondioksit emisyonlarını azaltır ve karbon monoksit emisyonlarını neredeyse tamamen ortadan kaldırır. Ancak, karbondioksit salınımının dağıtılmış salınım yerine nokta kaynağına dönüştürülmesiyle karbon yakalama ve depolama , karbondioksitin atmosfere salınımını önleyecek ve işlemin maliyetini artıracak bir olasılık haline gelir.

Fosil yakıtları reforme ederek hidrojen üretiminin maliyeti, yapıldığı ölçeğe, reformcunun sermaye maliyetine ve ünitenin verimliliğine bağlıdır, öyle ki endüstriyel bir fabrikada hidrojenin kilogramı başına sadece birkaç dolara mal olabilir. yakıt hücreleri için gerekli olan daha küçük ölçekte daha pahalı olabilir.

Yakıt hücrelerini tedarik eden reformcularla ilgili zorluklar

Bununla birlikte, bu teknolojiyle ilişkili birkaç zorluk vardır:

  • Reformasyon reaksiyonu yüksek sıcaklıklarda gerçekleşir, bu da başlatmayı yavaşlatır ve maliyetli yüksek sıcaklık malzemeleri gerektirir.
  • Yakıttaki kükürt bileşikleri belirli katalizörleri zehirleyerek bu tür bir sistemin sıradan benzinden çalıştırılmasını zorlaştırır . Bazı yeni teknolojiler, kükürt toleranslı katalizörlerle bu zorluğun üstesinden geldi.
  • Koklaşma , buhar reformasyonu sırasında katalizörün deaktivasyonunun başka bir nedeni olabilir. Yüksek reaksiyon sıcaklıkları, düşük buhar-karbon oranı (S/C) ve kükürt içeren ticari hidrokarbon yakıtların karmaşık yapısı, koklaştırmayı özellikle uygun hale getirir. Olefinler, tipik olarak etilen ve aromatikler, iyi bilinen karbon öncüleridir, bu nedenle buhar reformu sırasında oluşumları azaltılmalıdır. Ek olarak, daha düşük asitli katalizörlerin dehidrojenasyon reaksiyonlarını baskılayarak koklaşmaya daha az eğilimli olduğu rapor edilmiştir. H 2 S, organik kükürt yeniden ana ürün, metal kükürt bağlar oluşturmak ve daha sonra önleyerek katalizör etkinliğini azaltmak için tüm geçiş metali katalizörleri bağlanabilen kemisorpsiyon reformasyon reaktiflerin. Bu arada, adsorbe edilen kükürt türleri katalizör asitliğini arttırır ve dolayısıyla dolaylı olarak koklaşmayı teşvik eder. Rh ve Pt gibi değerli metal katalizörler, Ni gibi diğer metal katalizörlerden daha düşük hacimli sülfür oluşturma eğilimlerine sahiptir. Rh ve Pt, metal sülfürler oluşturmaktan ziyade sadece kükürdü kimyasal olarak emerek kükürt zehirlenmesine daha az eğilimlidir.
  • Düşük sıcaklıklı polimer yakıt hücresi membranları , reaktör tarafından üretilen karbon monoksit (CO) tarafından zehirlenebilir ve bu da karmaşık CO uzaklaştırma sistemlerinin dahil edilmesini gerekli kılar. Katı oksit yakıt hücreleri (SOFC) ve erimiş karbonat yakıt hücreleri (MCFC) bu soruna sahip değildir, ancak daha yüksek sıcaklıklarda çalışır, başlatma süresini yavaşlatır ve maliyetli malzemeler ve hacimli yalıtım gerektirir.
  • Termodinamik verimliliği işleminin% 70 ve% 85 (arasındadır LHV baz hidrojen ürün saflığına bağlı olarak).

Ayrıca bakınız

Referanslar