氣相甲烷熱解制氫與碳捕獲

        為了減少二氧化碳（CO2）排放，從中長期來看，石油和天然氣等化石燃料必須被氣候中和的替代品所取代。在這方面，氫（H2）被認為是最有前途的無碳能源載體之一，因為它現在已經被廣泛用于化學工業，例如用于精煉過程或生產氨或甲醇等關鍵化學品。此外，H2在鋼鐵行業脫碳方面具有巨大潛力，是公路和越野移動應用的寶貴燃料，無論是作為接近零排放的氫燃燒發動機的燃料，還是基本上零排放的燃料電池的燃料。這種多樣的應用突顯了建立全球氫能經濟的巨大潛力，這是邁向氣候中性未來的關鍵一步，但也要求提供高效、大規模的氫氣生產路線，以滿足日益增長的氫氣需求。

        天然氣目前是工業生產H2的主要來源，由于天然氣的蒸汽重整會導致巨大的二氧化碳排放，因此必須采用替代生產工藝。除了水電解，即優先使用風能和太陽能的可再生能源進行H2的電化學生產，甲烷（CH4）熱解被認為是大規模H2生產的一種有利方法，可以在相對較短的時間內在工業水平上實現。在這里，甲烷被分解為氣態氫和固態碳，這允許直接中斷碳循環。盡管天然氣也可以作為飼料，但涉及將大氣中的CO2摻入有機植被、隨后的生物質發酵以及最終產生的富含甲烷的沼氣的熱解的整體生化過程是設計負碳排放過程的有利方法。

圖1：甲烷熱解過程示意圖。

        在這種情況下，我們小組最近的研究證明了氣相甲烷熱解制氫和同時捕獲碳的可行性。為此，我們使用了一個電加熱高溫反應器，該反應器配備了Hiden Analytical HPR-20質譜儀，該質譜儀具有高靈敏度和短響應時間，因此可以連續監測和量化廢氣流中的氣體種類濃度。

        在反應器操作期間選擇工業相關條件揭示了向進料氣體中添加氫氣可用于控制甲烷轉化和抑制不期望的副產物的形成。類似地，增加停留時間有利于高CH4轉化率并最大限度地減少副產物的形成。特別是，在1400°C的反應溫度下實現了高CH4轉化率和H2產率。值得注意的是，在反應器的穩態操作過程中觀察到甲烷轉化率的持續增加，這表明由于熱解過程中積累的碳，甲烷活化得到了改善。用碳箔或碳網對反應器壁進行簡單涂覆的附加實驗證實了反應器中存在的碳的有益效果。在本文中，碳一方面通過加速非均相沉積反應，另一方面通過促進煙灰前體的凝結，起到進一步碳沉積的核的作用。

        未來的研究將集中在更詳細地闡明從一開始就充滿碳顆粒的熱解反應器中發生的化學和物理過程的復雜相互作用。

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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