Сравнение различных технологий производства водорода из природного газа

Наджи Абдуллах Мезаал; Александр Антонович Калютик; Ахмед Саадалла Салман; Лаит Мохаммед Абдали

doi:10.22213/2410-9304-2023-4-101-108

Авторы

Н. А. Мезаал Институт энергетики, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
А. А. Калютик Институт энергетики, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
А. С. Салман Киркукский технический колледж, Северный технический университет
Л. М. Абдали Институт ядерной энергии и промышленности Севастопольского государственного университета

DOI:

https://doi.org/10.22213/2410-9304-2023-4-101-108

Ключевые слова:

природный газ, автотермический риформинг (ATR), частичное окисление (POX), метан, паровая конверсия метана (SMR), водород

Аннотация

В данной статье представлен обзор текущего состояния и перспектив развития современных технологий, связанных с использованием водорода в энергетике. В ходе исследования рассмотрены наиболее распространенные методы получения водорода из природного газа. Паровая конверсия метана (SMR) описывает метод, при котором метан превращается в водород и диоксид углерода при высоких температурах. Частичное окисление (POX) представляет собой технологию, которая основана на контролируемом окислении метана, что приводит к формированию смеси водорода, окислительного газа и других компонентов. Автотермический риформинг - это процесс, который объединяет характеристики паровой конверсии и частичного окисления, что значительно повышает эффективность производства водорода. В статье также рассматриваются ближайшие перспективы развития данных технологий в области водородной энергетики. Однако промышленное применение этих технологий требует высокого уровня НИОКР в масштабе опытного предприятия. Также в статье обсуждаются глобальная энергетическая система, источники энергии, история открытия водорода и методы его производства. Рассматриваются вопросы, связанные со способами технологий производства водорода, с акцентом на технологии получения водорода из природного газа. Путем сравнения преимуществ и недостатков каждой технологии, как объяснялось в последней части работы, было сделано несколько важных выводов. Технология паровой конверсии метана SMR имеет самую высокую скорость производства водорода среди трех технологий. Скорость реакции каталитического парциального окисления метана самая высокая, однако для процесса реакции требуется чистый кислород, что представляет собой проблему безопасности. Самоконверсия метана не требует внешнего тепла и имеет наименьшие энергозатраты. Технология паровой конверсии метана экологически безопасна, перспективна с научной точки зрения и является одной из наиболее эффективных, но она еще не доработана для использования в промышленных масштабах. Необходимо разработать новые недорогие катализаторы и системы реакторов непрерывного действия для технологии паровой конверсии метана, чтобы сделать их экономически выгодными.

Биографии авторов

Н. А. Мезаал, Институт энергетики, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

аспирант

А. А. Калютик, Институт энергетики, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

кандидат технических наук, доцент, Институт энергетики

А. С. Салман, Киркукский технический колледж, Северный технический университет

кандидат технических наук, доцент

Л. М. Абдали, Институт ядерной энергии и промышленности Севастопольского государственного университета

аспирант

Библиографические ссылки

Mikheeva E.R., Katraeva I.V., Vorozhtsov D.L., Kovalev D.A., Kovalev A.A., Grigoriev V.S. and Litti Y.V. Dark fermentative biohydrogen production from confectionery wastewater in continuous-flow reactors.International Journal of Hydrogen Energy, 2022, 47(53), pp. 22348-22358.

Khanipour M., Mirvakili A., Bakhtyari A., Farniaei M. and Rahimpour M.R. Enhancement of synthesis gas and methanol production by flare gas recovery utilizing a membrane-based separation process. Fuel Processing Technology, 2017, 166, pp. 186-201.

Гимаева А. Р., Хасанов И. И. Методы производства синтез-газа для метанола // Химические технологии и продукты. 2018. № 1. C. 14-19.

Reddy B.R., Malhotra A., Najmi S., Baker-Fales M., Coasey K., Mackay M. and Vlachos D.G. Microwave assisted heating of plastic waste: Effect of plastic/susceptor (SiC) contacting patterns. Chemical Engineering and Processing-Process Intensification, 2022, 182, pp. 109202.

Martín Á. and Navarrete A. Microwave-assisted process intensification techniques. Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry, 2018, 11, pp. 70-75.

Chen W., Malhotra A., Yu K., Zheng W., Plaza-Gonzalez P.J., Catala-Civera J.M., Santamaria J. and Vlachos D.G.Intensified microwave-assisted heterogeneous catalytic reactors for sustainable chemical manufacturing. ChemicalEngineeringJournal, 2021,vol.420, pp. 130476.

Li X., Zhou Y., Yu S., Jia G., Li H. and Li W. Urban heat island impacts on building energy consumption: A review of approaches and findings. Energy, 2019, 174, pp. 407-419.

Gunawardena K.R., Wells M.J. and Kershaw T. Utilising green and bluespace to mitigate urban heat island intensity. Science of the Total Environment, 2017, 584, pp. 1040-1055.

Орлов М. Е., Шарапов В. И. Повышение эффективности систем теплоснабжения городов // Сантехника. Отопление, Кондиционирование. 2014. № 1 (145). С. 72-77.

Mikheeva E. R., Katraeva I. V., Vorozhtsov D. L., Kovalev D. A., Kovalev A. A., Grigoriev V. S., and Litti Yu V. Dark fermentative biohydrogen production from confectionery wastewater in continuous-flow reactors.International Journal of Hydrogen Energy 47, no. 53, 2022, pp. 22348-22358.

Vidas L. and Castro R. Recent developments on hydrogen production technologies: state-of-the-art review with a focus on green-electrolysis. Applied Sciences, 2021, 11 (23), pp. 11363.

Pal D.B., Singh A. and Bhatnagar A. A review on biomass-based hydrogen production technologies.International Journal of Hydrogen Energy, 2022, 47 (3), pp.1461-1480.

Chai, Siqi, Guojie Zhang, Guoqiang Li, and Yongfa Zhang. Industrial hydrogen production technology and development status in China: A review. Clean Technologies and Environmental Policy 23, no. 7, 2021, pp. 1931-1946.

Получение водорода в процессах конверсии углеводородных газов / И. В. Седов, Л. П. Диденко, А. Ю. Зайченко, А. В. Никитин // Водород. Технологии. Будущее: сборник тезисов докладов Всероссийской научно-практической конференции. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2021. C. 49-50.

Gonzalez-Fernandez, A., 2020. Gas phase catalytic hydrogenation of alkynols over palladium and nickel catalysts (Doctoral dissertation, Heriot-Watt University).

Marquart W., 2018. Effect of ammonia co-feeding on oxygenates over K-Mo2C in the Fischer-Tropsch synthesis (Master's thesis, University of Cape Town).

Ishihara A., Tsujino H., Hashimoto T. Effects of the addition of CeO2 on the steam reforming of ethanol using novel carbon-Al2O3 and carbon-ZrO2 composite-supported Co catalysts / Royal society of chemistry, 11, 2021, pp. 8530-8539.

Hou L., Jia Z., Gong J., Xhou Y. and Piao Y. Heat sink and conversion of catalytic steam reforming for hydrocarbon fuel. Journal of Propulsion and Power, 2012, 28(3), pp. 453-595.

Amiri T.Y., Ghasemzageh K. and Iulianelli A. Membrane reactors for sustainable hydrogen production through steam reforming of hydrocarbons: A review. Chemical Engineering and Processing-Process Intensification, 2020, 157, pp. 108148.

Fowles M., and Carlsson M. Steam reforming of hydrocarbons for synthesis gas production. Topics in Catalysis 64, no. 17-20, 2021, pp. 856-875.

Bains M., Hill L., Rossington P. Material decisions comparators for end of waste decisions Fuels: natural gas Report / Environment Agency, Horizon House, Deanery Road, Bristol, BS1 5AH, 2016, pp. 1-34.

Megía P. J., Vizcaíno A. J., Callesand A. Carrero J. A. Hydrogen Production Technologiesfrom Fossil Fuels toward Renewable Sources, A Mini Review / ACS Energy&Fuels. 35,2021,pp.16403-16415.

Xu X., Zhou Q. and Yu D. The future of hydrogen energy: Bio-hydrogen production technology.International Journal of Hydrogen Energy, 2022, 47 (79), pp. 33677-33698.

Holladay J.D., Hu J., King D.L. and Wang Y. An overview of hydrogen production technologies. Catalysis today, 2009, 139(4), pp. 244-260.

Li S., Kang Q., Baeyens J., Zhang H. L., Deng Y. M. Hydrogen Production: State of Technology // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 544 0012011, 2020, pp. 1-8.

Ahmed Mohmmed H., Anssari M.O.H. Electricity generation by using a hybrid system (photovoltaic and fuel cell) // Journal of Engineering and Applied Sciences, 2019, no. 14, pp. 4414-4418. DOI:10.3923/jeasci.2019.4414.4418.

Tarhan C. and Çil M.A. A study on hydrogen, the clean energy of the future: Hydrogen storage methods. Journal of Energy Storage, 2021 40, pp. 102676.

Rasul M.G., Hazrat M.A., Sattar M.A., Jahirul M.I. and Shearer M.J. The future of hydrogen: Challenges on production, storage and applications. Energy Conversion and Management, 2022, 272, p. 116326.

Report prepared byInternational Energy Agency: IEA for the G20, Japan. The Future of Hydrogen // International Energy Agency IEA, 2019, pp. 1-284.

Abd Ali L.M., Al-Rufaee F.M., Kuvshinov V.V. et al. Study of Hybrid Wind - Solar Systems for the Iraq Energy Complex // Applied Solar Energy, 2020, vol. 56, no. 4, pp. 284-290.

Avelar A.M., de Camargo F., da Silva V.S.P., Giovedi C., Abe A. and Mourão M.B. Effectiveness of Ni-based and Fe-based cladding alloys in delaying hydrogen generation for small modular reactors with increased accident tolerance. Nuclear Engineering and Technology, 2023, 55(1), pp. 156-168.