天然气裂解制氢的研究进展

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第27卷第10期太阳能学报Vo1．27．No．102O()6年1O月ACTAENERGIAESOI．ARISSINICAOct．，2oo6天然气裂解制氢的研究进展杨吻，崔一尘，蔡宁生(清华大学热能工程系，北京100084)摘要：综述天然气裂解制氢的研究进展，包括介绍催化裂解制氢、等离子体裂解制氢、等离子体催化制氢以及太阳能热解制氢等技术的特点及其国内外研究现状并进行比较分析，基于综述分析提出了相关研究重点。关键词：天然气；裂解；氢气；碳黑中图分类号：TK91文献标识码：A短流程、简化操作单元和减少投

2、资的现场制氢来说O刖舌非常有吸引力。近年来，对于天然气裂解制氢的研随着燃料电池技术的发展与应用，氢作为燃料究较为活跃。本文将综述有关天然气裂解制氢的研电池的燃料，在未来能源结构中的地位将日益重要，究进展，进行比较分析，提出研究重点。各发达国家越来越重视对氢能的发展。近期氢能发天然气裂解制氢可采用的方法包括催化裂解、展主要以化石燃料为原料实现廉价氢的生产，而从热等离子体、等离子体催化等。建立燃料电池汽车加氢站和提供分散氢源方面考虑，则要求有先进的小规模天然气现场制氢与气体1天然气催化裂解制氢纯化技术。近年来有不少甲烷在催化剂上的裂解反应的相目前，约

3、96％的氢是以煤、石油和天然气等化石关研究，但最初目的是研究制合成气及碳纳米材料。资源制取的，其中采用天然气(主要成分是甲烷)制随着燃料电池应用前景的普遍看好，甲烷的催化裂氢最为经济与合理。现有的天然气制氢技术主要包解制氢逐渐成为研究热点。括天然气的水蒸气重整、自热重整以及部分氧化重1．1甲烷催化裂解催化剂及反应条件的研究整等。天然气水蒸气重整在合成氨工业中应用十分温度、压力、空速、接触时间等对甲烷在催化剂广泛，但在加氢站规模，天然气水蒸气重整和变压吸上的裂解反应都有显著影响，国内外已经对此有了附(PSA)分离净化氢气的整套装置投资以及制氢成一定

4、的研究。如Amiridis等人⋯用Ni／SiO2作催化本都会大幅度增加。天然气的自热重整、部分氧化剂，cH4／He(20％cI-I,)为原料气，在温度823K，空速重整的共同特点是系统中需要有制纯氧的设备，并(GHSV)30000h的条件下得到催化剂的高初活性且产品气是CO、CO2和H2的混合气，仍需经过变换(甲烷转化率约为35％)。而Shaikhutdinov等人L2发反应和氢气的分离过程。因此，现有的天然气水蒸现在Co(60％)／AI203上，随着温度升高，cH4的转化气重整制氢和常规的深冷分离或变压吸附分离净化率增大，但催化剂的碳容量和寿命

5、下降。Goodman氢技术，不是很适于加氢站对小规模制氢装置的需等人L3在Ni(88％)／ZrO2上观察到高温有利于cH4求，研究开发制氢新工艺，缩短流程，简化操作单元，可以减少小规模现场制氢装置投资和制氢成本。的裂解和产物H'的高选择性。采用天然气裂解方式生成碳和氢气，产物气中不同催化剂对甲烷裂解的反应活性影响很大。不含或含少量碳氧化合物，不需要进一步的变换反Otsuka等人L4在0．5g催化剂上，773K温度下循环应，其分离设备也比天然气水蒸气重整简单，对于缩0．2mol甲烷(C心和Ar的初始分压分别为2．7kPa、收稿日期：2035-05．

6、30基金项目：国家高技术研究发展(863)计划(2003AA501330)维普资讯http://www.cqvip.com太阳能学报27卷6．7kPa)~J]试了CI-L在图1所示各催化剂上的转化属物质(如碳)，对甲烷的裂解也有催化作用。Mu—率，发现Ni／TiO2、Ni／ZrO2Ni／SiO2对甲烷分解有相对radov等人用不同型号的活性碳、碳黑、纳米结构碳的高活性。但他们只分析比较了金属催化剂，对于(包括碳纳米管和C6()做催化剂，在温度850oC，活一些非金属催化剂并未涉及。性碳用量0．03g，甲烷流量5．0mL／min的条件下，得到不同种

7、类碳的活性。结果发现甲烷在各种活性碳上的裂解都有较高的初始活性，在碳黑上的裂解初始活性则与碳黑的比表面积成正比，在纳米结构碳C6(上的初始活性与活性碳相当，而在碳纳米管上的初始活性只有活性碳的1／10。由于催化剂与反应产物相同，无需分离即可利用，节约了成本，是目前国际研究的热点之一。基于上述相关研究，国际上一些学者提出了甲烷催化裂解的部分相关工艺。1．2甲烷催化裂解的的分步工艺一裂解，再生图1不f司催化剂上甲烷的转化率(120min，773K)该工艺主要针对金属催化剂。甲烷在金属催化Fig．1Conversionrateofmethaneondi

8、ferentcatalysts剂上的裂解反应中，催化剂失活是由于Ni表面碳覆不同的催化剂载体对甲烷裂解也有较大影响。盖引起的¨j。催化剂