文档介绍：天然气现场制氢新工艺 的研究
学生 汪丛伟
导师 王树东 研究员
Tuesday, February 02, 2021
内容纲要
天然气现场制氢的意义及优势
天然气现场制氢的新工艺
总结与展望
研究背景
分散站制氢
规模集中制氢
ON-BOARD FUEL PROCESSING GO/NO-GO DECISION
DOE DECISION TEAM COMMITTEE REPORT , August 2004
车载制氢
设备投资大
氢气储运、分配困难
启动时间(10min)
启动能量(7MJ/50kw）
天然气现场制氢优势
原燃料比较充足（天然气水合物）
天然气清洁,能量密度大
供给方便(完善的输运管道)
制氢成本低，是目前最廉价的制氢方式之一
天然气水蒸汽转化
CO高温变换
CO低温变换
CO甲烷化
CO2脱除
H2分离
天然气水蒸汽重整制氢（大规模）
US$~5/kg H2
天然气水蒸汽重整制氢
(小规模)
US$ 12 /kg H2
目前天然气水蒸汽规模制氢与现场制氢的成本比较
高成本
高成本
现有天然气水蒸汽重整工艺用于现场制氢是极其昂贵的，
开发现场制氢新工艺与新技术已成为当务之急 ！！！
重点：1. 产氢,纯化一体化,技术集成,缩短工艺流程;
,生产成本低;
天然气水蒸汽重整
CH4+H2O=CO+3H2， △H298K= 206kJ/mol
CH4+2H2O=CO2+3H2， △H298K= 165kJ/mol
CH4+2O2=CO2+2H2O，△H298K= -804 kJ/mol
天然气自热重整
CH4+=CO+2H2， △H298K=-36 kJ/mol
CH4+H2O=CO+3H2， △H298K=206kJ/mol
CH4+2H2O=CO2+3H2， △H298K=165kJ/mol
天然气现场制氢的技术路线
产氢纯度高，分离相对易，但能效相对不高
能量效率高，但分离能耗相对较大
天然气现场制氢新工艺
集成换热式(反应耦合）
循环利用热流：壁式反应器，两段式反应器，多层套筒式反应器
降低传热传质阻力：板式反应器，微通道反应器
净化纯化式
制备高纯度H2 ：膜反应器
降低CO排放：双层催化剂无CO反应器
壁式反应器
Theophilos Ioannides, Xenophon E. Verykios, Development of a novel heat-integrated wall reactor for the partial oxidation of methane to synthesis gas, Catalysis Today 46 (1998) 71-81
University of Patras, Greece
反应器由陶瓷管组成，陶瓷管内表面沉积燃烧催化剂层，外表面沉积重整催化剂层
原料从里面的管子进入后被外层的出口气体预热，在反应区发生反应，放出的热量通过管壁传到外层，在那里发生吸热的重整反应。
循环利用热流Ⅰ
两段式重整反应器
Fraunhofer Institute ，Germany
甲烷和水作为冷料通入换热器中与燃烧尾气换热，被加热至450－600℃
进入一次重整器中进行重整反应（热量来自燃烧尾气的对流换热）
进入二次重整，热量来自陶瓷燃烧器的直接热辐射
Vogel, B., G. Schaumberg, A. Schuler, 1998, .Hydrogen Generation Technologies for PEM Fuel Cells,. 1998 Fuel Cell Seminar Abstracts, November 16-19, 1998, Palm Springs, CA, pp. 364-367.
循环利用热流Ⅱ
多层套筒式重整反应器
A novel steam reforming reactor for fuel cell distributed power generation, California Energy Commission, May 2000
存在问题：传热阻力较大
系统较庞大
循环利用热流Ⅲ