Piroliza metanu - wpływ wybranych parametrów na przebieg procesu

• Autorzy: Wojtasik Michał , Burnus Zygmunt , Markowski Jarosław , Żak Grażyna , Lubowicz Jan

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2023.07.06

Warianty tytułu

EN

Methane pyrolysis – influence of selected parameters on the course of the process

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Piroliza metanu jest metodą otrzymywania wodoru z metanu, która coraz częściej zyskuje zainteresowanie naukowców oraz inwestorów z sektora gospodarki. Technologia ta jest alternatywą dla reformingu parowego – obecnie najczęściej stosowanej metody produkcji wodoru. Pomimo wielu zalet reforming parowy jest procesem, w trakcie którego powstają znaczne ilości ditlenku węgla. Dlatego trwają poszukiwania nowej, wydajnej metody produkcji wodoru. Oprócz elektrolizy wody, pirolizy biomasy wydaje się, że to właśnie piroliza metanu jest najbardziej obiecującą technologią. Metoda ta ma wiele zalet, jest prosta, szybka, uzyskany wodór cechuje się wysoką czystością, jednak największą jej zaletą jest brak ubocznej produkcji ditlenku węgla, co korzystnie wpływa na ocenę zrównoważenia tego procesu. Rozkład metanu przeprowadza się w reaktorach rurowych w temperaturze 600–1200°C, w zależności od rodzaju procesu. W procesie pirolizy obok wodoru powstają proporcjonalne ilości czystego węgla o różnorodnej morfologii oraz różnym poziomie grafityzacji. W pracy przedstawiono charakterystykę stanowiska do pirolizy metanu zbudowanego w 2022 r. w Zakładzie Zrównoważonych Technologii Chemicznych INiG – PIB. Stanowisko pozwala na prowadzenie prób pirolizy metanu w temperaturze do 1100°C. Maksymalna teoretyczna wydajność tej instalacji to 400 ml H2/minutę. Przeprowadzono wstępne próby działania pieca rurowego, wyposażonego w rurowy reaktor kwarcowy o pojemności 6,8 dm3 . Opisano próby termicznego rozkładu metanu w zakresie temperatur 600–1050°C. Za pomocą metod chromatograficznych zbadano zawartość metanu, wodoru, azotu, tlenu oraz sumy węglowodorów C2 i C3 w gazach poprocesowych. Wytypowano zmienne mogące mieć wpływ na rezultaty pirolizy. Sprawdzono wpływ temperatury, czasu reakcji, strumienia surowca oraz składu mieszanki gazów procesowych w wybranych zakresach. Potwierdzono zależności pomiędzy temperaturą i szybkością przepływu substratu a wydajnością procesu.

EN

Methane pyrolysis is a method of obtaining hydrogen from methane, which is increasingly gaining the interest of scientists and investors. This technology is an alternative to steam reforming – currently the most used method of hydrogen production. Despite its many advantages, steam reforming is a process that generates significant amounts of carbon dioxide. Therefore, the search for a new, efficient method of hydrogen production is underway. Apart from water electrolysis and biomass pyrolysis, methane pyrolysis is the most promising technology. It is method with many advantages; it is simple, fast and the hydrogen obtained by it is characterized by high purity, but its greatest advantage is the lack of carbon dioxide emission, which positively affects the assessment of the sustainability of this process. Methane decomposition is carried out in reactors at a temperature of 600–1200°C, depending on the process type. In the pyrolysis process, in addition to hydrogen, proportional amounts of clean carbon, with various morphologies and levels of graphitisation, are produced. The paper presents the characteristics of the methane pyrolysis installation, built in 2022 at the Department of Sustainable Chemical Technologies INiG – PIB. The installation allows for methane pyrolysis tests at temperatures up to 1100°C. The maximum theoretical capacity is 400 ml H2/minute. A furnace equipped with a tubular quartz reactor with a capacity of 6.8 dm3 was used. Methane decomposition, in the temperature range up to 1050°C, has been described. Using chromatographic methods, the content of methane, hydrogen, nitrogen, oxygen and the C2 + C3 hydrocarbons in post-process gases was examined. Variables that may affect the pyrolysis results were selected. The influence of temperature, reaction time, raw material flow rate and the composition of the process gas mixture in selected ranges was checked. The dependencies between the temperature and flow rate of the substrate and the efficiency of the process were confirmed.

Słowa kluczowe

PL

piroliza metanu; turkusowy wodór; dekarbonizacja metanu

EN

methane pyrolysis; turquoise hydrogen; methane decarbonization

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 79, nr 7
• Strony: 484--489
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys.

Twórcy

autor

Wojtasik Michał

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Burnus Zygmunt

autor

Markowski Jarosław

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Żak Grażyna

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Lubowicz Jan

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Abánades A., Rubbia C., Salmieri D., 2013. Thermal cracking of methane into Hydrogen for a CO2-free utilization of natural gas. International Journal of Hydrogen Energy, 30(20): 8491–8496. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2012.08.138.
• Abánades A., Ruiz E., Ferruelo E.M., Hernández F., Cabanillas A., Martínez-Val J.M., Rubio J.A., López C., Gavela R., Barrera G., Rubbia C., Salmieri D., Rodilla E., Gutiérrez D., 2011. Experimental analysis of direct thermal methane cracking. International Journal of Hydrogen Energy, 36(20): 12877–12886. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2011.07.081.
• Al Alwan B.A., Shah M., Danish M., Al Mesfer M.K., Khan M.I., Natarajan V., 2022. Enhanced methane decomposition over transition metal-based tri-metallic catalysts for the production of COx free hydrogen. Journal of the Indian Chemical Society, 99(4). DOI: 10.1016/j.jics.2022.100393.
• Awadallah A.E., Deyab M.A., Ahmed H.A., 2021. Mo/MgO as an efficient catalyst for methane decomposition into COx-free hydrogen and multi-walled carbon nanotubes. Journal of Environmental Chemical Engineering, 9(5): 106023. DOI: 10.1016/J.JECE.2021.106023.
• Bakenne A., Nuttall W., Kazantzis N., 2016. Sankey-Diagram-based insights into the hydrogen economy of today. International Journal of Hydrogen Energy, 41(19): 7744–7753. DOI: 10.1016/j.ijhydene. 2015.12.216.
• Bui M., Adjiman C.S., Bardow A., Anthony E.J., Boston A., Brown S., Fennell P.S., Fuss S., Galindo A., Hackett L.A., Hallett J.P., Herzog H.J., Jackson G., Kemper J., Krevor S., Maitland G.C., Matuszewski M., Metcalfe I.S., Petit C., Puxty G., Reimer J., Reiner D.M., Rubin E.S., Scott S.A., Shah N., Smit B., Trusler J.P.M., Webley P., Wilcox J., Mac Dowell N., 2018. Carbon capture and storage (CCS): The way forward. Energy and Environmental Science, 11(5): 1062–1176. DOI: 10.1039/c7ee02342a.
• Geng S., Zhang Z., Qian J., Liu J., Yu J., Xu G., 2022. Catalytic behavior in CH4 decomposition of catalysts derived from red mud: Impact of residual Na2O. International Journal of Hydrogen Energy, 47(12): 7836–7845. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.12.149.
• Guéret C., Daroux M., Billaud F., 1997. Methane pyrolysis: Thermodynamics. Chemical Engineering Science, 52(5): 815–827. DOI: 10.1016/S0009-2509(96)00444-7.
• Holewa-Rataj J., Kukulska-Zając E., 2020. The impact of hydrogen addition on the methane number of natural gas. Nafta-Gaz, 76(12):945–950. DOI: 10.18668/NG.2020.12.08.
• Holmen A., Olsvik O., Rokstad O.A., 1995. Pyrolysis of natural gas: chemistry and process concepts. Fuel Processing Technology, 42(2–3): 249–267. DOI: 10.1016/0378-3820(94)00109-7.
• Kazemi S., Alavi S.M., Rezaei M., 2022. Hydrogen production from COx-Free thermocatalytic decomposition of methane over the mesoporous iron aluminate spinel (FeAl2O4) nanopowder supported nickel catalysts. International Journal of Hydrogen Energy, 47(42): 18370–18383. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.04.050.
• Kim S.E., Jeong S.K., Park K.T., Lee K.-Y., Kim H.J., 2021. Effect of oxygen-containing functional groups in metal-free carbon catalysts on the decomposition of methane. Catalysis Communications,148: 106167. DOI: 10.1016/j.catcom.2020.106167.
• Ko D.H., Kang S.Ch., Lee Ch.W., Im J.S., 2022. Effects of support porosity of Co-Mo/MgO catalyst on methane catalytic decomposition for carbon and hydrogen production. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 112: 162–170. DOI: 10.1016/j.jiec.2022.05.008.
• Liu Q., Wu P., He J., Jiang W., Liu Ch., 2022. NiFe/Al2O3/Fe-frame catalyst for COx-free hydrogen evolution from catalytic decomposition of methane: Performance and kinetics. Chemical Engineering Journal, 436: 133366. DOI: 10.1016/j.cej.2021.133366.
• Miziołek M., Filar B., Kwilosz T., 2022. Hydrogen storage in depleted natural gas fields. Nafta-Gaz, 78(3): 219–239. DOI: 10.18668/NG.2022.03.06.
• Muradov N.Z., Veziroǧlu T.N., 2008. «Green» path from fossilbased to hydrogen economy: An overview of carbon-neutral technologies. International Journal of Hydrogen Energy, 33(23): 6804–6839. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2008.08.054.
• Parkinson B., Tabatabaei M., Upham D., Ballinger B., Greig Ch., 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.
• Postels S., Abánades A., von der Assen N., Rathnam R.K., Stückrad S., Bardow A., 2016. Life cycle assessment of hydrogen production by thermal cracking of methane based on liquid-metal technology. International Journal of Hydrogen Energy, 41(48): 23204–23212. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.09.167.
• Shiraishi M., Nakagawa K., Ando T., Nishitani-Gamo M., 2022. The effect of copper on the multiple carbon nanofilaments growths by the methane decomposition over the oxidized diamond-supported nickel–copper bimetallic catalyst. SN Applied Sciences, 4(126). DOI: 10.1007/s42452-022-05015-x.
• 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.
• Steinberg M., 1999. Fossil fuel decarbonization technology for mitigating global warming. International Journal of Hydrogen Energy, 24(8): 771–777. DOI: 10.1016/S0360-3199(98)00128-1.
• Yang X., Yang E., Hu B., Yan J., Shangguan F., Hao Q., Chen H., Zhang J., Ma X., 2022. Nanofabrication of Ni-incorporated threedimensional ordered mesoporous carbon for catalytic methane decomposition. Journal of Environmental Chemical Engineering, 10(3): 107451. DOI: 10.1016/j.jece.2022.107451.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).