Пиролиз метана в расплавленных средах для получения водорода: обзор современных достижений

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Выполнен анализ литературных источников, посвященных исследованиям процессов пиролиза метана в жидких средах для получения водорода. Приводятся результаты и анализ экспериментальных исследований пиролиза метана в одно- и двухкомпонентных металлических расплавах, а также в однослойных солевых и двухслойных (металл-соль) расплавах. Результаты исследований позволяют сделать вывод, что применение бинарных металлических систем эффективнее однокомпонентных расплавов. Сравнение каталитической активности показало, что наиболее эффективны металлические расплавы Ni/Bi и Cu/Bi, в которых конверсия метана достигает более 95% при температурах менее 1200°С. Показано, что эффективность процесса пиролиза обусловлена не только термобарическими условиями и характеристиками барботажных систем, но и реакционной способностью самих сред. Совместное использование расплавов металлов и солей в качестве реакционной среды позволяет существенно повысить конверсию метана за счет каталитической активности металлического расплава и существенно снизить содержание металлических примесей в получаемом углероде.

Об авторах

И. В. Кудинов

Самарский государственный технический университет, Институт нефтегазовых технологий

Email: igor-kudinov@bk.ru
443100, Samara, Russia

Ю. В. Великанова

Самарский государственный технический университет, Институт нефтегазовых технологий

Email: petrochem@ips.ac.ru
443100, Samara, Russia

М. В. Ненашев

Самарский государственный технический университет, Институт нефтегазовых технологий

Email: petrochem@ips.ac.ru
443100, Samara, Russia

Т. Ф. Амиров

Самарский государственный технический университет, Институт нефтегазовых технологий

Email: petrochem@ips.ac.ru
443100, Samara, Russia

А. А. Пименов

Самарский государственный технический университет, Институт нефтегазовых технологий

Автор, ответственный за переписку.
Email: petrochem@ips.ac.ru
443100, Samara, Russia

Список литературы

  1. Keipi T., Tolvanen H., Konttinen J. Economic analysis of hydrogen production by methane thermal decomposition: comparison to competing technologies // Energy Conversion and Management. 2018. V. 159. Р. 264-273. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.12.063
  2. Pleshivtseva Y., Derevyanov M., Pimenov A., Rapoport A. Comprehensive review of low carbon hydrogen projects towards the decarbonization pathway // Int. J. of Hydrogen Energy. 2023. V. 48. P. 3703-3724. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.10.209
  3. Pleshivtseva Y., Derevyanov M., Pimenov A., Rapoport A. Comparative analysis of global trends in low carbon hydrogen production towards the decarbonization pathway // Intern. J. of Hydrogen Energy. 2023. V. 48. P. 32191-32240. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.04.264
  4. Msheik M., Rodat S., Abanades S. Methane cracking for hydrogen production: a review of catalytic and molten media pyrolysis // Energies. 2021. V. 14. № 11. 3107. https://doi.org/10.3390/en14113107
  5. Kang D., Palmer, C., Mannini D., Rahimi N., Gordon M.J., Metiu H., McFarland E.W. Catalytic methane pyrolysis in molten alkali chloride salts containing iron // ACS Catalysis. 2020. № 10(13). Р. 7032-7042. https://doi.org/10.1021/acscatal.0c01262
  6. Parkinson B., Patzschke C. F., Nikolis D., Raman S., Hellgardt K. Molten salt bubble columns for low-carbon hydrogen from CH4 pyrolysis: mass transfer and carbon formation mechanisms // Chem. Eng. J. 2021. V. 417. Р. 127-407. ISSN 1385-8947. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127407
  7. Zhao Y.-M., Ren T.-Z., Yuan Z.-Y., Bandosz T.J. Activated carbon with heteroatoms from organic salt for hydrogen evolution reaction // Microporous Mesoporous Mater. 2020. V. 297. 110033. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2020.110033
  8. Кудинов И.В. Пименов А.А., Михеева Г.В. Моделирование термического разложения метана и образования твердых углеродных частиц // Нефтехимия. 2020. Т. 60. № 6. С. 781-785. https://doi.org/10.31857/S002824212006012X
  9. Kudinov I.V., Pimenov A.A., Mikheeva G.V. Modeling of the thermal decomposition of methane and the formation of solid carbon particles // Petrol. Chemistry. 2020. V. 60. № 11. P. 1239-1243. https://doi.org/10.1134/S0965544120110122.
  10. Leal Pérez B.J., Medrano Jiménez J.A., Bhardwaj R., Goetheer E., Sint Annaland M., Gallucci F. Methane pyrolysis in a molten gallium bubble column reactor for sustainable hydrogen production: Proof of concept & techno-economic assessment // Intern. J. of Hydrogen Energy. 2021. V. 46. № 7. Р. 4917-4935. ISSN 0360-3199. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.11.079
  11. Голованчиков А.Б., Козловцев В.А., Прохоренко Н.А., Меренцов Н.А. Перспективы использования водорода, образующегося при пиролизе метана, для производства аммиака // Энерго- и ресурсосбережение: промышленность и транспорт. 2022. № 4(41). С. 13-16.
  12. Парфенов В.Е., Никитченко Н.В., Пименов А.А., Кузьмин Е.А., Куликова М.В., Чупичев О.Б., Максимов А.Л. Пиролиз метана водородного направления: особенности применения металлических расплавов (обзор) // Журн. прикл. химии. 2020. Т. 93. № 5. С. 611-619. https://doi.org/10.31857/S0044461820050011
  13. Parfenov V.E., Nikitchenko N.V., Pimenov A.A., Kuz'min A.E., Kulikova M.V., Chupichev O.B., Maksimov A.L. Methane pyrolysis for hydrogen production: specific features of using molten metals // Russian J. Applied Chemistry. 2020. V. 93. № 5. P. 625-632. https://doi.org/10.1134/S1070427220050018.
  14. Машенцева А.А., Алманов А.А., Айманова А.Н., Жумабаев А.М. Применение гель-полимер электролитов на основе углеродных наноматериалов для разработки устройств хранения энергии - мини обзор // Вестник НЯЦ РК. 2023. № 2. С. 33-42. https://doi.org/10.52676/1729-7885-2023-2-33-42
  15. Sánchez-Bastardo N., Schlögl R., Ruland H. Methane pyrolysis for zero-emission hydrogen production: a potential bridge technology from fossil fuels to a renewable and sustainable hydrogen economy // Ind. Eng. Chem. Res. 2021. V. 60. № 32. Р. 11855-11881. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c01679
  16. Шашок Ж.С. Применение углеродных наноматериалов в полимерных композициях. Под ред. Ж.C. Шашок, Н.Р. Прокопчук. Минск: Белорус. гос. технол. ун-т, 2014. 232 с. ISBN 978-985-530-317-7.
  17. Korányi T., Németh M., Beck А., Horvath A. Recent advances in methane pyrolysis: turquoise hydrogen with solid carbon production // Energies. 2022. V. 15. P. 6342. https://doi.org/10.3390/en15176342
  18. Билера И. В., Лебедев Ю. А. Плазмохимическое получение ацетилена из углеводородов: история и современное состояние (обзор) // Нефтехимия. 2022. Т. 62. № 2. С. 154-180.
  19. Bilera I.V., Lebedev Y.A. Plasma-chemical production of acetylene from hydrocarbons: history and current status (rew.) // Petrol. Chemistry. 2022. V. 62. № 4. Р. 329-351. https://doi.org/10.1134/S0965544122010145.
  20. Dipu A.L. Methane decomposition into COx-free hydrogen over a Ni based catalyst: an overview // Int. J. Energy Res. 2021. V. 45. P. 9858-9877. https://doi.org/10.1002/er.6541
  21. Choudhary T.V., Aksoylu E., Goodman D.W. Nonoxidative activation of methane // Catalysis Reviews. 2003. V. 45. №. 1. P. 151-203. http://doi.org/10.1081/CR-120017010
  22. Upham D.C., Agarwal V., Khechfe A. Snodgrass Z.R., Gordon M.J., Metiu H., McFarland W. Catalytic molten metals for the direct conversion of methane to hydrogen and separable carbon // Science. 2017. V. 358. I. 6365. P. 917-920. https://doi.org/10.1126/science.aao5023
  23. Munera Parra A.A., Agar D.W. Molten metal capillary reactor for the high-temperature pyrolysis of methane // Int. J. Hydrogen Energy. 2017. V. 42. № 19. P. 13641-13648. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.12.044
  24. Kang D., Rahimi N., Gordon M.J., Metiu H., McFarland W. Catalytic methane pyrolysis in molten MnCl2KCl // Appl. Catal., B. 2019. V. 254. P. 659-666. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2019.05.026
  25. Abdollahi M.R., Nathan G.J., Jafarian M. Process configurations to lower the temperature of methane pyrolysis in a molten metal bath for hydrogen production // Int. J. of Hydrogen Energy. 2023. V. 48. № 100. P. 39805-39822. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.08.186
  26. Abánades A., Rubbia C., Salmieri D. Thermal cracking of methane into hydrogen for a CO2-free utilization of natural gas // Int. J. of Hydrogen Energy. 2013. V. 38. № 20. P. 8491-8496. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.08.138
  27. Kudinov I.V., Pimenov A.A., Kryukov Y.A., Mikheeva G.V. A theoretical and experimental study on hydrodynamics, heat exchange and diffusion during methane pyrolysis in a layer of molten tin // Int. J. of Hydrogen Energy. 2021. V. 46. № 17. P. 10183-10190. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.12.138
  28. Polimeni S., Binotti M., Moretti L., Manzolini G. Comparison of sodium and KCl-MgCl2 as heat transfer fluids in CSP solar tower with sCO2 power cycles // Solar Energy. 2018. V. 162. P. 510-524. https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.01.046
  29. Steinberg M. The Carnol process for CO2 mitigation from power plants and the transportation sector // Energy Convers. Manage. 1996. V. 37. № 6. P. 843-848. https://doi.org/10.1016/0196-8904(95)00266-9
  30. Steinberg M. Fossil fuel decarbonization technology for mitigating global warming // Int. J. of Hydrogen Energy. 1999. V. 24. № 8. P. 771-777. https://doi.org/10.1016/S0360-3199(98)00128-1
  31. Geißler T., Plevan M., Abánades A., Heinzel A., Mehravaran K., Rathnam R.K., Rubbia C., Salmieri D., Stoppel L., Stückrad S., Weisenburger H., Wenninger H., Wetzel Th. Experimental investigation and thermo-chemical modeling of methane pyrolysis in a liquid metal bubble column reactor with a packed bed // Int. J. of Hydrogen Energy. 2015. 40. P. 14134-14146. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.08.102
  32. Geißler T., Abánades A., Heinzel A., Mehravaran K., Müller G., Rathnam R.K., Rubbia C., Salmieri D., Stoppel L., Stückrad S., Weisenburger A., Wenninger H., Wetzel T. Hydrogen production via methane pyrolysis in a liquid metal bubble column reactor with a packed bed // Chem. Eng. J. 2016. V. 299. P. 192-200. https://doi.org/10.1016/j.cej.2016.04.066
  33. Serban M., Lewis M.A., Marshall C.L., Doctor R.D. Hydrogen production by direct contact pyrolysis of natural gas // Energy Fuels. 2003. V. 17. P. 705-713. https://doi.org/10.1021/ef020271q
  34. Myers R.T. The periodicity of electron affinity // J. Chem. Educ. 1990. V. 67. № 4. P. 307-308. https://doi.org/10.1021/ed067p307
  35. Rienstra-Kiracofe J.C., Tschumper G.S., Schaefer H.F., Nandi S., Ellison G.B. Atomic and molecular electron affinities: photoelectron experiments and theoretical computation // Chem. Rev. 2002. V. 102 (1). Р. 231-282. https://doi.org/10.1021/cr990044u
  36. Wang K., Li W.S., Zhou X.P. Hydrogen generation by direct decomposition of hydrocarbons over molten magnesium // J. Mol. Catal. A Chem. 2008. V. 283. P. 153-157. https://doi.org/10.1016/ j.molcata.2007.12.018
  37. Zeng J., Tarazkar M., Pennebaker T., Gordon M.J., Metiu H., McFarland E.W. Catalytic methane pyrolysis with liquid and vapor phase tellurium // ACS Catal. 2020. № 10. P. 8223-8230. https://doi.org/10.1021/acscatal.0c00805
  38. Scheiblehner D., Neuschitzer D., Wibner S., Sprung A., Antrekowitsch H. Hydrogen production by methane pyrolysis in molten binary copper alloys // Int. J. of Hydrogen Energy. 2023. V. 48. № 16. P. 6233-6243. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.08.115
  39. Choudhary T.V., Aksoylu E., Wayne Goodman D. Nonoxidative activation of methane // Catalysis Reviews. 2003. V. 45. № 1. P. 151-203. https://doi.org/10.1081/cr-120017010
  40. Palmer C., Tarazkar M., Kristoffersen H.H., Gelinas J., Gordon M.J., McFarland E.W., Metiu H. Methane pyrolysis with a molten Cu-Bi alloy catalys // ACS Catal. 2019. V. 9. P. 8337-8345. https://doi.org/10.1021/acscatal.9b01833
  41. Панфилович К.Б., Валеева Э.Э. Температуры Дебая жидких металлов // Теплофизика и аэромеханика. 2012. Т. 19. № 6. C. 799-802.
  42. Панфилович К.Б., Валеева Э.Э. Поверхностное натяжение жидких металлов // Вестн. Казанского технол. ун-та. 2006. № 1. С. 131-139.
  43. Paxman D., Trottier S., Nikoo M., Secanell M., Ordorica-Garcia G. Initial experimental and theoretical investigation of solar molten media methane cracking for hydrogen production // Energy Procedia. 2014. V. 49. Р. 2027-2036. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.03.215
  44. Zaghloul N., Kodama S., Sekiguchi H. Hydrogen production by methane pyrolysis in a molten-metal bubble column // Chem. Eng. Technology. 2021. V. 44. P. 1-9. https://doi.org/10.1002/ceat.202100210
  45. Chen L., Song Z., Zhang S., Chang Ch., Chuang Y., Peng X., Dun Ch., Urban J. J., Guo J., Chen J., Prendergast D., Salmeron M., Somorjai G.A., Su J. Ternary NiMo-Bi liquid alloy catalyst for efficient hydrogen production from methane pyrolysis // Science. 2023. V. 381. P. 857-861. https://doi.org/10.1126/science.adh8872
  46. Sorcar S., Rosen B.A. Methane pyrolysis using a multiphase molten metal reactor // ACS Catalysis. 2023. V. 13 (15). Р. 10161-10166. https://doi.org/10.1021/acscatal.3c02955
  47. Heinzel A., Weisenburger A., Müller G. Corrosion behavior of austenitic steel AISI 316L in liquid tin in the temperature range between 280 and 700°C // Materials and Corrosion. 2017. V. 68. № 8. P. 831-837. https://doi.org/10.1002/maco.201609211
  48. Rahimi N., Kang D., Gelinas J., Menon A., Gordon M.J., Metiu H., McFarland E.W. Solid carbon production and recovery from high temperature methane pyrolysis in bubble columns containing molten metals and molten salts // Carbon. 2019. V. 151. P. 181-191. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.05.041
  49. Rodat S., Abanades S., Coulié J., Flamant G. Kinetic modelling of methane decomposition in a tubular solar reactor // Chem. Eng. J. 2009. V. 146. № 1. Р. 120-127. https://doi.org/10.1016/j.cej.2008.09.008
  50. Andreini R.J., Foster J.S., Callen R.W. Characterization of gas bubbles injected into molten metals under laminar flow conditions // Metall. Trans. B. 1977. № 8. Р. 625-631. https://doi.org/10.1007/BF02669340
  51. Plevan M., Geißler T., Abánades A., Mehravaran K., Rathnam R.K., Rubbia C., Salmieri D., Stoppel L., Stückrad S., Wetzel Th. Thermal cracking of methane in a liquid metal bubble column reactor: experiments and kinetic analysis // Int. J. of Hydrogen Energy. 2015. V. 40(25). Р. 8020-8033. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.04.062
  52. Павлова А.М., Сироткин О.С., Сироткин Р.О. Методики получения уточненных шкал электроотрицательности химических элементов // Вестн. технол. ун-та. 2017. Т. 20. № 3. С. 17-24.
  53. Patzschke C.F., Parkinson B., Willis J.J., Nandi P., Love A.M., Raman S., Hellgardt K. Co-Mn catalysts for H2 production via methane pyrolysis in molten salts // Chem. Eng. J. 2021. V. 414. P. 128730. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128730
  54. Hamdy E., Olovsjö J.N., Geers C. Perspectives on selected alloys in contact with eutectic melts for thermal storage: nitrates, carbonates and chlorides // Solar Energy. 2021. V. 224. P. 1210-1221. https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.06.069
  55. Parkinson B., Patzschke C.F., Nikolis D., Raman S., Dankworth D.C., Hellgardt K. Methane pyrolysis in monovalent alkali halide salts: kinetics and pyrolytic carbon properties // Int. J. of Hydrogen Energy. 2021. V. 46. P. 6225-6238. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.11.150
  56. Noh Y.G., Lee Y.J., Kim J., Kim Y.K., Ha J.S., Kalanur S.S., Seo H. Enhanced efficiency in CO2-free hydrogen production from methane in a molten liquid alloy bubble column reactor with zirconia beads // Chem. Eng. J. 2022. V. 428. P. 131095. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131095

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2023