Объяснение риформинга природного газа: Ключевой метод производства водорода

Что такое риформинг природного газа и почему он имеет значение?

Промышленный паровой риформинг метана - один из старейших и наиболее распространенных методов получения чистого водорода, являющийся важнейшим компонентом глобального энергоснабжения. Среди этих методов паровой риформинг метана (SMR) является наиболее популярным благодаря высокой эффективности и наличию необходимой инфраструктуры. Основное отличие заключается в том, что этот процесс получения газового потока имеет особое значение, поскольку газообразный водород является одним из важнейших компонентов перехода к более чистым энергетическим системам, так как обладает большим потенциалом для сокращения выбросов парниковых газов.

Водород, полученный путем риформинга природного газа, используется в различных отраслях и сферах. Он является стратегическим топливом для работы топливных элементов, которые используются в электромобилях и других возобновляемых источниках энергии. Помимо энергетики, водород используется в производстве аммиака для удобрений, метанола для химикатов и даже авиационного топлива и топлива для реактивных двигателей. Способность производить водород в промышленных масштабах гарантирует его позицию в качестве ключевого фактора глобального перехода к устойчивой энергетике.

Однако этот процесс не лишен сложностей. Хотя он дешев и широко используется, он зависит от ископаемого топлива, такого как метан, что приводит к высокому углеродному следу. Для борьбы с этим необходимы технологии улавливания и хранения углерода (CCS), чтобы уменьшить его воздействие на окружающую среду. Кроме того, при риформинге природного газа образуются водород и углекислый газ, а полученный водород необходимо дополнительно очищать для коммерческого использования. Основной проблемой, которую необходимо решить для дальнейшего развития этой технологии, является достижение правильного баланса между эффективностью процесса, масштабируемостью и устойчивостью.

Как это работает? Изучение науки о риформинге природного газа

Риформинг природного газа - важнейший процесс получения водорода, который используется в таких отраслях, как химическая промышленность, энергетика и производство топливных элементов. Процесс состоит из трех основных стадий: предварительной обработки сырого газа, реакции риформинга и очистки сингаза. Поэтому уместно обсудить каждую стадию следующим образом.

Стадия 1: Предварительная очистка сырого газа

Сырой природный газ в основном состоит из метана, но содержит от 0,1 до 2% примесей, таких как сернистые соединения, водяной пар и другие тяжелые углеводороды. Попадая на катализаторы, они отравляют их, приводят к загрязнению и негативно влияют на процесс, поэтому необходим процесс предварительной очистки, чтобы обеспечить бесперебойную работу процесса и не сократить срок службы катализатора.

Удаление серосодержащих соединений является одним из наиболее важных действий на этом этапе. Такие примеси, как сероводород (H₂S), адсорбируются такими веществами, как оксид цинка (ZnO), который реагирует с серой, образуя твердый сульфид цинка (ZnS). Этот процесс позволяет эффективно снизить содержание серы ниже 0,1 ppm, чтобы защитить чувствительные катализаторы риформинга.

Сушка не менее важна, поскольку влага препятствует реакциям риформинга, а также последующим этапам очистки. Из всех сушильных агентов предпочтительны молекулярные сита (4A, 5A, 13X) благодаря их высокой селективности, термической стабильности и способности удалять влагу до очень низких уровней. Они лучше других материалов, таких как активированный глинозем, который больше подходит для применения при низкой влажности или высокой температуре, и силикагель, который используется в качестве влагопоглотителя второго слоя. Молекулярные сита предпочтительнее, поскольку они имеют более длительный срок службы и эффективнее удаляют воду, обеспечивая тем самым очень сухое метановое сырье.

Наконец, высокомолекулярные углеводороды удаляются, чтобы избежать закоксовывания катализаторов и тем самым сделать последующий процесс более надежным и долговечным. В конце этого этапа природный газ представляет собой очищенный поток метана, готовый к реакции риформинга.

Стадия 2: Реакция риформинга

Теперь очищенный метан проходит процесс преобразования в сингаз, который представляет собой комбинацию водорода, монооксида углерода и диоксида углерода. Этот этап происходит при повышенной температуре, обычно от 800 до 1000°C, и для стимулирования реакций используется катализатор на основе никеля.

Паровой риформинг метана (SMR) - наиболее популярный процесс риформинга, используемый в промышленности. Сингаз производится из метана путем преобразования пара с использованием катализатора. Эта реакция очень эффективна и дает конверсию метана более 95%.

Существуют и другие типы процессов риформинга, такие как автотермический риформинг (ATR), которые могут применяться вместо (или в дополнение к) SMR. ATR объединяет частичное окисление с паровым риформингом и генерирует тепло внутри процесса, тем самым снижая потребность во внешней энергии. Этот метод предпочтителен в тех случаях, когда углеродные кредиты и экономия энергии имеют первостепенное значение.

На стадии риформинга также происходит реакция водогазового сдвига (ВГС). Это вторичная реакция, в результате которой монооксид углерода реагирует с водой, образуя больше водорода и диоксида углерода. Реакция WGS оптимизирует выход водорода, одновременно снижая содержание монооксида углерода в сингазе, что облегчает его очистку на последующей стадии.

Стадия 3: Очистка сингаза

Заключительным этапом риформинга природного газа является очистка сингаза до уровня сверхчистого водорода, уровень чистоты которого часто превышает 99,99 %. Это означает, что нежелательные виды, такие как диоксид углерода, монооксид углерода, метан, вода и другие, удаляются, поскольку они могут повлиять на дальнейшее использование.

Процедура начинается с оптимизации водогазового сдвига, при котором остаточный монооксид углерода в сингазе реагирует с паром, генерируя дополнительный водород и диоксид углерода. Этот этап, помимо повышения выхода водорода, также служит для снижения уровня монооксида углерода, что облегчает его удаление.

Далее удаление углекислого газа происходит либо путем химической абсорбции с помощью аминов, либо с помощью адсорбции под давлением (PSA). При аминной абсорбции CO₂ реагирует с химическими растворителями, а при PSA используются адсорбирующие материалы, такие как цеолиты, для селективной адсорбции CO₂ и извлечения более 85% водорода.

Затем метанизация удаляет остатки оксида углерода, преобразуя его в метан и воду с помощью водорода. Этот этап обеспечивает снижение уровня CO до менее чем 10 ppm, что делает поток водорода безопасным для чувствительных приложений, таких как топливные элементы.

Большинство людей не обращают внимания на сушку при очистке, а ведь даже следы влаги могут повредить оборудование. Молекулярные сита (5A, 13X) являются наиболее широко используемыми влагопоглотителями благодаря их высокой адсорбционной способности, термической стабильности и длительному сроку службы. При низкой влажности и высоких температурах требуются другие материалы, например активированный глинозем, а силикагель используется в качестве резервного влагопоглотителя. Тем не менее, молекулярные сита являются более предпочтительными из-за их эффективности в обеспечении чрезвычайно низкой точки росы и, следовательно, качества и стабильности потока водорода.

И последнее, но не менее важное: для устранения потерь примесей используется криогенная дистилляция или мембранная технология. На установках, использующих технологию CCS, CO₂ улавливается и хранится после сжатия в движении, что позволяет минимизировать выбросы на целых 90%.

Риформинг природного газа - процесс производства водорода, который немного сложен, но очень эффективен. В процессе регенерации катализатора каждый этап в сочетании с предварительной обработкой, а также этапы после риформинга и очистки имеют решающее значение для обеспечения высокого выхода, защиты оборудования и чистоты продукта. Предварительные реакции, такие как реакции РГС и метанирования, помогают повысить эффективность и минимизировать количество загрязняющих веществ. Среди важнейших технологий молекулярные сита остаются самым популярным сушильным агентом, особенно в высокотемпературных, низковлажных и прецизионных адсорбционных применениях. Это обусловлено рядом преимуществ по сравнению с другими теплообменниками, которые включают в себя превосходную стабильность работы, а также сверхнизкий уровень влажности, что крайне важно для обеспечения процесса риформинга. Благодаря достижениям в области автотермического риформинга и улавливания углерода, эта технология остается актуальной и продолжает развиваться благодаря новым разработкам в области автотермического риформинга и улавливания углерода.

Почему стоит выбрать молекулярные сита Jalon для очистки водорода?

Компания Jalon является одним из ведущих производителей молекулярных сит в Китае и во всем мире. Более 20 лет мы предлагаем непревзойденные решения клиентам в 86 странах и регионах, опираясь на 112 зарегистрированных патентов. Качество лежит в основе бренда Jalon, интегрируя стандарты ISO 9001 и ISO 14001 для обеспечения последовательности и непрерывного совершенствования на каждом этапе производства.

Наша передовая команда R&D, состоящая из 56 высококвалифицированных специалистов, сотрудничает с ведущими учеными из академических институтов, что позволяет нам разрабатывать самые современные технологии молекулярных сит, обеспечивая превосходные решения по очистке водорода. Выбирая Jalon, вы не просто выбираете продукт - вы инвестируете в инновации, непревзойденное качество и партнерство, которое будет способствовать вашему успеху в водородной отрасли.

Почему рассматривается этот путь?

Самым популярным и эффективным методом производства водорода является риформинг природного газа благодаря его эффективности, гибкости и возможности интеграции с существующими установками. По сравнению с другими методами, такими как термохимическое расщепление воды или электролиз, он гораздо дешевле, поэтому подходит для краткосрочного и среднесрочного использования водорода.

Сегодня большая часть водорода производится путем риформинга природного газа, поскольку он дешев и легко доступен, особенно в Соединенных Штатах. Новые разработки в области улавливания и хранения углерода (CCS) позволили улучшить этот процесс, уменьшив его влияние на окружающую среду. Реформинг природного газа может генерировать низкоуглеродистый водород, также известный как "голубой водород", задерживая выбросы CO₂, тем самым поддерживая глобальные усилия по декарбонизации.

Этот метод также очень гибок и может использоваться как для среднемасштабных применений, так и для крупномасштабного производства водорода. Благодаря своей универсальности он может удовлетворить потребности различных отраслей промышленности, таких как транспорт (топливные элементы и электромобили) и промышленные процессы, включая синтез аммиака и метанола. Хотя возобновляемые источники энергии, такие как солнце и ветер, быстро растут, они недостаточно стабильны, чтобы полностью заменить водород на основе ископаемого топлива. Поэтому риформинг природного газа играет важную роль переходного топлива, которое является шагом к более чистой и устойчивой энергетике.

Каковы экологические последствия и проблемы реформинга природного газа?

Однако риформинг природного газа не лишен проблем, и в основном они связаны с экологией. Этот процесс также приводит к значительному количеству выбросов CO₂, которые в основном связаны с использованием метана, ископаемого топлива. Эти выбросы, если их не улавливать и не хранить, напрямую способствуют изменению климата, что негативно сказывается на функции водорода как вектора чистой энергии.

Этот процесс также очень энергозатратен, поскольку для парового риформинга метана (SMR) при повышенных температурах требуется много тепла. Эта энергия часто производится путем сжигания большего количества ископаемого топлива, что означает, что процесс производства водорода - экологически чистого топлива - основан на углеродоемких процессах.

Однако в процессе риформинга образуется небольшое количество монооксида углерода (CO), который опасен для работников и требует строгих экологических мер. Применение процесса в малых масштабах приводит к дополнительным неэффективным затратам и экономическим проблемам, поскольку технология наиболее эффективна в больших масштабах.

Для преодоления этих проблем ведется работа по усовершенствованию реакторов SMR и водогазосдвиговых реакторов. Ключевыми факторами могут стать возможности повышения эффективности систем рекуперации тепла и условий проведения реакции. Кроме того, крайне важно расширять применение технологий УХУ для улавливания выбросов CO₂, необходимых для производства "голубого водорода". Это важно, поскольку помогает снизить относительную экологическую стоимость риформинга природного газа.

Какое будущее ждет риформинг природного газа?

Будущее риформинга природного газа зависит от технологического развития и тенденций к декарбонизации во всем мире. По мере роста потребления водорода на стратегических рынках, таких как электромобили и возобновляемые источники энергии, риформинг природного газа будет оставаться ведущим методом производства в ближайшем будущем. Однако его долгосрочная устойчивость все еще остается под вопросом и зависит от использования технологий улавливания углерода и перехода на более чистые технологии.

Возобновляемый водород, получаемый путем электролиза воды с использованием энергии солнца или ветра, как ожидается, существенно изменит существующую структуру производства и сбыта водорода. Это связано с тем, что в будущем ожидается снижение стоимости возобновляемых технологий и, следовательно, сокращение использования риформинга природного газа. Также возможно создание симбиоза между возобновляемыми источниками энергии и системами риформинга в качестве потенциального промежуточного решения для массового производства водорода.

Шаги по повышению эффективности процессов, сокращению выбросов углерода и рекуперации тепла будут по-прежнему цениться в промышленном секторе. Кроме того, государственные стимулы и развитие водородной инфраструктуры будут определять дальнейшие перспективы этой технологии, особенно в США и различных странах Европы.

Несмотря на то, что экологические проблемы остаются актуальными, регенерация природного газа будет оставаться частью процесса производства водорода, являясь мостом от нынешней инфраструктуры, использующей ископаемое топливо, к будущей водородной экономике.