Dekarbonizacja metanu – kierunki zagospodarowania węgla popirolitycznego

• Autorzy: Krasodomski Wojciech , Wojtasik Michał , Markowski Jarosław , Żak Grażyna

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2022.01.06

Warianty tytułu

EN

Decarbonisation of methane – directions of post-pyrolytic coal management

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Prezentowany przegląd literaturowy dotyczy możliwych kierunków zagospodarowania węgla będącego produktem ubocznym procesu pirolizy metanu (dekarbonizacji metanu). Piroliza metanu jest coraz częściej rozpatrywaną metodą będącą alternatywną technologią produkcji wodoru bez emisji CO2 – tak zwanego niebieskiego wodoru. Piroliza/dekarbonizacja stosowana jest do produkcji sadzy od lat trzydziestych XX wieku (np. znany proces firmy Hüls). Piroliza metanu jest procesem endotermicznym, który wymaga, w celu uzyskania wysokiej wydajności, zastosowania temperatur rzędu 1000°C i więcej, co powoduje, że jest to proces mocno energochłonny i kosztowny w porównaniu z aktualnie stosowanymi metodami produkcji wodoru, np. reformingiem parowym. Największą jednak zaletą metody pirolizy/dekarbonizacji metanu / gazu ziemnego jest brak konieczności wychwytywania i składowania CO2 (sekwestracji), co znacznie upraszcza proces i zbliża ekonomiczny koszt wytworzenia wodoru tą metodą do kosztu jego wytwarzania wcześniej wspomnianymi „klasycznymi” metodami. Co więcej, produkcja wodoru tą metodą charakteryzuje się nie tylko mniejszą emisją CO2, ale też pozwala na uzyskanie wodoru o wysokiej czystości, zbliżonego przydatnością do stosowanego w ogniwach paliwowych. Dużym ograniczeniem procesu oprócz wspomnianej wysokiej temperatury jest powstawanie produktu ubocznego w postaci węgla; jeśli w przyszłości wodór będzie pozyskiwany w tym procesie na skalę przemysłową, powstaną duże jego ilości, dlatego znalezienie nowych zastosowań węgla jest kluczowym czynnikiem dla rozwoju tej technologii jako wykonalnej metody produkcji wodoru. Możliwości wykorzystania węgla będą zależeć od jego natury i właściwości. Przeanalizowano dostępne artykuły naukowe i specjalistyczne pod kątem rodzajów powstającego węgla, ze szczególnym uwzględnieniem jego struktury. Podjęto próbę zebrania informacji dotyczących korelacji pomiędzy zastosowaną metodą dekarbonizacji metanu a strukturą powstającego węgla.

EN

The presented literature review concerns possible directions of coal management, which is a by-product of the methane pyrolysis process (methane decarbonization). Methane pyrolysis is more and more often considered as an alternative technology for the production of hydrogen without CO2 emission – the so-called blue hydrogen. Pyrolysis/decarbonization has been used in the production of carbon black since the 1930s (e.g. the well-known Huels process). Methane pyrolysis is an endothermic process that requires, in order to obtain high efficiency, the use of temperatures of 1000°C and more, which makes it a highly energy-consuming and expensive process compared to the currently used methods of hydrogen production, e.g. steam reforming. However, the greatest advantage of the methane/natural gas pyrolysis/decarbonization method is the lack of the need to capture and store CO2 (sequestration), which significantly simplifies the process and brings the economic cost of hydrogen production by this method closer to the cost of its production to the previously mentioned “classic” methods. Moreover, the production of hydrogen by this method is not only characterized by lower CO2 emissions, but also allows to obtain hydrogen of high purity, similar to that suitable for use in fuel cells. A major limitation of the process, in addition to the aforementioned high process temperature, is the formation of a carbon by-product. If hydrogen is obtained from this process on an industrial scale in the future, large amounts of this by-product will be produced, therefore the development of new coal applications is a key factor in the development of this technology as a viable method of hydrogen production. The possibilities of using coal will depend on its nature and properties. The available scientific and specialist articles were analyzed in terms of the types of produced coal, with particular emphasis on its structure. An attempt was made to collect information on the correlation between the applied methane decarbonisation method and the structure of the generated coal.

Słowa kluczowe

PL

piroliza metanu; sadza; niebieski wodór; dekarbonizacja

EN

methane pyrolysis; soot; blue hydrogen; decarbonisation

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2022
• Tom: R. 78, nr 1
• Strony: 56--63
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz.

Twórcy

autor

Krasodomski Wojciech

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Wojtasik Michał

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Markowski Jarosław

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Żak Grażyna

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Abanades S., Flamant G., 2006. Solar hydrogen production from the thermal splitting of methane in a high temperature solar chemical reactor. Solar Energy, 80(10): 1321–1332. DOI: 10.1016/j.solener.2005.11.004.
• Da Silva E.B., Sanches A.E., Barbosa de Alencar D., Izel M.J.B., Oliveira Bezerra C.M.V., Tavares Amorim F.C., Pedraça A. dos S., 2019. Study of the Physical and Chemical Behavior of Activated Carbon in the Permeable Concrete for Light Traffic Paving. International Journal for Innovation Education and Research, 7(9): 175–192. DOI: 10.31686/ijier.vol7.iss9.1723.
• Dong Z., Sun B., Zhu H., Yuan G., Li B., Guo J., Li X., Cong Y., Zhang J., 2021. A review of aligned carbon nanotube arrays and carbon/carbon composites: fabrication, thermal conduction properties and applications in thermal management. New Carbon Materials, 36(5): 873–892. DOI: 10.1016/S1872-5805(21)60090-2.
• Fidalgo B., Fernández Y., Domínguez A., Pis J.J., Menéndez J.A., 2008. Microwave-assisted pyrolysis of CH4/N2 mixtures over activated carbon. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 82(1): 158–162. DOI: 10.1016/j.jaap.2008.03.004.
• Hassan A.A., Zhang Z., Formela K., Wang S., 2021. Thermo-oxidative exfoliation of carbon black from ground tire rubber as potential reinforcement in green tires. Composites Science and Technology, 214: 108991. DOI: 10.1016/j.compscitech.2021.108991.
• Hu C., Shen H., Zhang S., Li H., 2020. Methane pyrolysis in preparation of pyrolytic carbon: Thermodynamic and kinetic analysis by density functional theory. Chinese Journal of Aeronautics, 33(3): 1064–1073. DOI: 10.1016/j.cja.2019.02.015.
• IARC, 2010. Carbon Black, Titanium Dioxide, and Talc. IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans, 93. Lyon, France. <https://publications.iarc.fr/_publications/media/download/2856/bf06ffe99ebb4b29b5feebe09604a6e5920d2927.pdf> (dostęp: 31.05.2021).
• Kang D., Rahimi N., Gordon M.J., Metiu H., McFarland E.W., 2019. Catalytic methane pyrolysis in molten MnCl2-KCl. Applied Catalysis B: Environmental, 254: 659–666. DOI: 10.1016/j.apcatb.2019.05.026.
• Karthik K., Rajamani D., Raja T., Subramani K., 2021. Experimental investigation on the mechanical properties of Carbon/Kevlar fibre reinforced epoxy LY556 composites. Materials Today: Proceedings. DOI: 10.1016/j.matpr.2021.10.077.
• Kędzierski M., Rzepka, M., 2021. Zaczyny cementowe z dodatkiem nanorurek węglowych do uszczelniania otworów wiertniczych o wysokiej temperaturze i ciśnieniu złożowym (150°C, 90 MPa). Nafta-Gaz, 77(5): 323–331. DOI: 10.18668/ng.2021.05.05.
• Kędzierski M., Rzepka M., Kremieniewski M., 2021. Wpływ nanorurek węglowych (CNTs) na parametry mechaniczne kamieni cementowych w warunkach HPHT. Nafta-Gaz, 77(2): 106–117. DOI: 10.18668/ng.2021.02.05.
• Krestinin A.V., Raevskii A.V., Kislov M.B., 2008. Growth rate of carbon filaments during methane pyrolysis on an iron catalyst with analysis using a kinetic-thermodynamic approach. Carbon, 46(11): 1450–1463. DOI: 10.1016/j.carbon.2008.06.025.
• Li K., Zou Y., Bourbigot S., Ji J., Chen X., 2021. Pressure effects on morphology of isotropic char layer, shrinkage, cracking and reduced heat transfer of wooden material. Proceedings of the Combustion Institute, 38(3): 5063–5071. DOI: 10.1016/J.PROCI.2020.07.072.
• Mašláni A., Hrabovský M., Křenek P., Hlína M., Raman S., Sikarwar V.S., Jeremiáš M., 2021. Pyrolysis of methane via thermal steam plasma for the production of hydrogen and carbon black. International Journal of Hydrogen Energy, 46(2): 1605–1614. DOI:10.1016/j.ijhydene.2020.10.105.
• Milenov T.I., Avramova I.A., Dikovska A., Karaivanova D., Terziyska P., Kolev S.K., Karashanova D., Georgieva B., Dimov D.,
• Atanasov V., Valcheva E.P., 2021. Modification of graphene-like, hydrogenated amorphous, hydrogenated tetrahedral amorphous carbon and amorphous carbon thin films by UV-C light. Surfaces and Interfaces, 24: 101073. DOI: 10.1016/J.SURFIN.2021.101073.
• Otsuka K., Takenaka S., Ohtsuki H., 2004. Production of pure hydrogen by cyclic decomposition of methane and oxidative elimination of carbon nanofibers on supported-Ni-based catalysts. Appl. Catal. A Gen. 273: 113–124. DOI: 10.1016/j.apcata.2004.06.021.
• Parkinson B., Tabatabaei M., Upham D.C., Ballinger B., Greig C., Smart S., McFarland E., 2018. Hydrogen production using methane: Techno-economics of decarbonizing fuels and chemicals. International Journal of Hydrogen Energy, 43(5): 2540–2555. DOI:10.1016/j.ijhydene.2017.12.081.
• Parmar K.R., Pant K.K., Roy S., 2021. Blue hydrogen and carbon nanotube production via direct catalytic decomposition of methane in fluidized bed reactor: Capture and extraction of carbon in the form of CNTs. Energy Conversion and Management, 232: 113893. DOI: 10.1016/j.enconman.2021.113893.
• Poirier M.G., Sapundzhiev C., 1997. Catalytic decomposition of natural gas to hydrogen for fuel cell applications. International Journal of Hydrogen Energy, 22(4): 429–433. DOI: 10.1016/s0360-3199(96)00101-2.
• Sharma P.K., Rapp D., Rahotgi N.K., 1999. Methane Pyrolysis and Disposing off Resulting Carbon. ISRU III Technical Interchange Meeting.
• Steinberg M., 1998. Production of hydrogen and methanol from natural gas with reduced CO2 emission. International Journal of Hydrogen Energy, 23(6): 419–425. DOI: 10.1016/s0360-3199(97)00092-x.
• Wu K.H., Chang Y.C., Yang C.C., Gung Y.J., Yang F.C., 2009. Synthesis, infrared stealth and corrosion resistance of organically modified silicate–polyaniline/carbon black hybrid coatings. European Polymer Journal, 45(10): 2821–2829. DOI:10.1016/j.eurpolymj.2009.07.008.
• Wu X., Ranglack-Klemm Y., Hubálková J., Solarek J., Aneziris C.G., Weidner A., Biermann H., 2021. Impact of high temperature on the compression behavior of carbon-bonded alumina filters with functionalized coatings. Ceramics International, 47(3): 3920–3927. DOI: 10.1016/J.CERAMINT.2020.09.255.
• Xi K., Li J., Guo M., Hu B., Li K., 2020. Characteristics of chemical vapour deposition in micro pore structure in char layer of polymer composites. Polymer Degradation and Stability, 178: 109222. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2020.109222.
• Yee J., Sherwood J.A., Fitzgerald S., 2014. Batted-ball Performance of a Composite Softball Bat as a Function of Ball Type. Procedia Engineering, 72: 465–470. DOI: 10.1016/J.PROENG.2014.06.081.
• Zhu P., Feng X., Liu Z., Huang M., Xie H., Soto M.A., 2021. Reliable packaging of optical fiber Bragg grating sensors for carbon fiber composite wind turbine blades. Composites Science and Technology, 213: 108933. DOI: 10.1016/j.compscitech.2021.108933.
• Zych T., Krasodomski W., 2016. Polyolefin Fibres Used in Cementitious Composites-Manufacturing, Properties and Application. Czasopismo Techniczne, Budownictwo, 3-B(9): 155–177. DOI: 10.4467/2353737XCT.16.223.5972.
• Akty prawne i dokumenty normatywne
• Patent CA3096297A1 Pyrolysis of methane with a molten salt based catalyst system, 4.04.2019.