Снижение содержания диоксида углерода в выбросах при использовании метано-водородного топлива

ЦЕЛЬ. Определение оптимальных режимов декарбонизации метана, а также оценка выбросов CO₂ при последующем сжигании пиролизного газа, в том числе и совместно с природным газом в различных соотношениях.
МЕТОДЫ. Рассматривались процессы термохимической конверсии метана в водород и конденсированный углерод в реакторе с внешним нагревом стенок. Тепловая энергия, необходимая для пиролиза газа, получается за счет сжигания смеси воздуха и части пиролизного газа, очищенного от частиц твердого углерода. При выполнении численных исследований процессов пиролиза была использована кинетическая модель одномерного течения реагирующей смеси при внешнем подводе тепловой энергии через стенки осесимметричного канала (трубчатый реактор).
РЕЗУЛЬТАТЫ. Разработан механизм химического взаимодействия при термическом разложении метана, с учетом образования конденсированного углерода, в температурном диапазоне от 1000 до 1200 °С. Определены основные энергетические показатели и состав пиролизного газа при различных значениях температуры пиролиза и степени конверсии углерода.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Проведены оценки выбросов CO₂ при сжигании пиролизного газа, в том числе совместно с природным газом. При разработке технологий пиролиза, и их применении в промышленных масштабах целесообразно использовать часть получаемого пиролизного газа с высоким содержанием водорода для обеспечения тепловой энергией процессов термического разложения исходного сырья. По результатам расчетов доля этой части достигает ≈ 35 % от общего количества пиролизного газа. Такой подход, в отличие от сжигания для этой цели природного газа, существенно снизит выбросы CO₂. Сжигание получаемого пиролизного газа, даже без удаления остаточных углеводородов, характеризуется вполне приемлемыми в настоящее время коэффициентами выбросов CO₂ ≈ 7-25 т CO₂/ТДж.

1. Weger L., Abánades A., Butler T. Methane cracking as a bridge technology to the hydrogen economy // International Journal of Hydrogen Energy. 2017. V. 42 (1). pp. 720 – 731. doi: 10.1016/j.ijhydene.2016.11.029.

2. Яруллин Р.С., Салихов И.З., Черезов Д.С., Нурисламова А.Р. Перспективы водородных технологий в энергетике и в химической промышленности // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2021. Т. 23. № 2. С. 70 – 83. doi:10.30724/1998-9903-2021-23-2-70-83.

3. Korányi T.I, Németh M., Beck A. and Horváth A. Recent advances in methane pyrolysis: turquoise hydrogen with solid carbon production // Energies. 2022. V.15 (17). 6342. doi:10.3390/en15176342.

4. Sánchez-Bastardo N., Schlögl R., Ruland H. Methane pyrolysis for CO2-free H2 production: A green process to overcome renewable energies unsteadiness // Chemie Ingenieur Technik. 2020. V. 92 (10). pp. 1596–1609. doi: 10.1002/cite.202000029

5. Schneider S., Bajohr S., Graf F and Kolb T. State of the art of hydrogen production via pyrolysis of natural gas // Chemie Ingeneur Technik. 2020. V. 92 (8). pp. 1023 – 1032. doi:10.1002/cite.202000021.

6. Chan Y., Chan Z., Lock S., et al. Thermal pyrolysis conversion of methane to hydrogen (H2): A review on process parameters, reaction kinetics and techno-economic analysis // Chinese Chemical Letters. 2023. 109329. doi: 10.1016/j.cclet.2023.109329.

7. Филимонова А.А., Власова А.Ю., Камалиева Р.Ф. Методы декарбонизации процесса получения электроэнергии в твердооксидном топливном элементе / 2022. Т.24. № 6. С. 72 – 82. doi:10.30724/1998-9903-2022-24-6-72-82.

8. Директор Л.Б., Зайченко В. М. , Майков И. Л. , и др. Исследование процесса пиролиза метана при фильтрации через нагретую пористую среду // Теплофизика высоких температур. 2001. Т. 39 (1). С. 89 – 96. doi:10.1023/A:1004178732334.

9. Prabowo J. , Lai L. , Chivers B., et al. Solid carbon co-products from hydrogen production by methane pyrolysis: current understandings and recent progress // Carbon. 2024. V. 216. 118507. doi: 10.1016/j.carbon.2023.118507.

10. Арутюнов B.C., Веденеев В.И. Пиролиз метана в области температур 1000-1700 K // Успехи химии. 1991. Т. 60. № 12. С. 2663 – 2684. doi:10.1070/RC1991v060n12ABEH001154.

11. Becker A., Hüttinger K.J. Chemistry and kinetics of chemical vapor deposition of pyrocarbon — IV pyrocarbon deposition from methane in the low temperature regime // Carbon. 1998. V. 36 (3). pp. 213 – 224. doi:10.1016/S0008-6223(97)00177-2.

12. Abánades A., Ruiz a E., Ferruelo E.M., et al. Experimental analysis of direct thermal methane cracking // International Journal of Hydrogen Energy. 2011. V. 36 (20). pp. 12877–12886. doi: 10.1016/j.ijhydene.2011.07.081.

13. Fau G., Gascoin N., Gillard P. and Steelant J. Methane pyrolysis: Literature survey and comparisons of available data for use in numerical simulations // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2013. V. 104. pp. 1 – 9. doi:10.1016/j.jaap.2013.04.006.

14. Shinde V., Pradeep P. Detailed gas-phase kinetics and reduced reaction mechanism for methane pyrolysis involved in CVD/CVI processes // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2021. V. 154. 104998. doi:10.1016/j.jaap.2020.104998.

15. Becker T., Richter M., Agar D.W. Methane pyrolysis: Kinetic studies and mechanical removal of carbon deposits in reactors of different materials // International Journal of Hydrogen Energy. 2023. V. 48 (6). pp. 2112 – 2129. doi:10.1016/j.ijhydene.2022.10.069.

16. Naoumov V. I., Krioukov V.G., Abdullin A.L., and Demin A.V.. Chemical kinetics in combustion and reactive flows: modeling tools and applications. – Cambridge University Press, 2019. doi:10.1017/9781108581714

17. NIST Chemical Kinetics Database / J.A. Manion, R.E. Huie, R. D. Levin et al. // NIST Standard Reference Database 17, Version 7.0 (Web Version), Release 1.6.8. Data version 2015.09. Gaithersburg, Maryland : National Institute of Standards and Technology. Доступно по: http://kinetics.nist.gov. Ссылка активна на 10 февраля 2024.