A.AL-QAHTANI，F. AL-WARTHAN 和 A.KHANI，沙特阿美，宰赫兰，沙特阿拉伯
甲烷 (CH₄ ) 热解过程[也称为甲烷裂化或绿松石氢 (H₂ ) 产生]是 CH₄ 热(高温)分解为 H₂ 气体和固体碳。 在没有氧气的情况下，这个过程通常发生在 800°C 以上。CH₄ 热解过程的主要产物是 H₂ 和固体碳，通常包含 炭黑、石墨和石墨烯。CH4 热解的过程如下:
• CH₄ 进料: CH₄ 气体被送入反应器，并加热到不含氧气的高温。这种热能打破了 CH₄ 分子中碳 和 H₂ 原子之间的强键。
• 热解反应: CH4 的热分解形成 H₂ 气体和固体碳。行动可以表示如下 (Eq:1):
CH₄ –> C + 2H₂ (1)
2CH₄ –> C₂H₂ + 3H₂
• H₂ 生产: CH₄ 热解产生的 H₂ 可以作为清洁和多功能的能源。H₂ 是一种有价值的燃料，可用于各种应 用，包括用于发电、工业流程和运输的燃料电池。
• 固体碳生成: CH₄ 热解过程中产生的固体碳(碳黑、石墨和石墨烯)有几个潜在的用途。它可以用作 橡胶和塑料的增强剂，作为油墨和涂料中的颜料，或作为各种碳基材料的前体(图 1)。
图 1：CH₄ 热解过程的简化框图
CH₄ 热解的类型。CH₄ 热解技术在市场上有三种不同类型:等离子体、热解和催化热解。血浆热解是 最成熟的形式，有两种方法。第一个使用等离子火炬提供热量，第二个使用等离子微波炉直接电离 CH₄ 气体，产生等离子体。在热解中，CH₄ 在 1200°C 以上的温度下被分解为 H₂ 和碳，没有催化剂。这种 非催化过程的主要缺点是 1000°C 以下的⻓时间开裂时间⻓。在催化热解过程中，CH₄ 在 600°C-900°C 之间的 金属催化剂上分解成 H₂ 和碳。包层和流化床反应器通常被考虑用于催化热解。所有热解类型都实现了从 CH₄ 生产H₂ 的相同目标，但使用不同的方法。
基于 CH₄ 热解方法的碳产品。根据热解类型和反应器温度范围，CH₄ 热解生产各种类型的碳材 料。CH₄ 热解产生固体碳，可以作为石墨、石墨烯和炭黑出售给市场，抵消了 H₂ 的生产成本，并防止碳以二
氧化碳 (CO₂) 的形式排放。碳黑和石墨可用于轮胎和电池，而石墨烯可用于电池、电气/光子电路、混凝 土和各种医疗应用 (表 1)。
环境影响。CH₄ 热解利用强效温室气体 (GHG) 作为生产 H₂ 和固体碳的原料，从而带来了潜在的重大 环境效益。通过 CH₄ 热解产生的 H₂ 为传统 H2 生产方法 [例如蒸汽甲烷重整(SMR)] 提供了更清洁的替代品， 该方法将二氧化碳作为副产品释放。CH₄ 热解使 H₂ 生产在没有直接二氧化碳排放的情况下，有助于脱碳工作。
SMR 与 CH₄ 热解。表 2 显示了 CH₄ 重整和 CH₄ 热解之间的差异。碳从 SMR 单元中以 CO₂ 的形式排 放，而在所有类型的热解中，碳以固体形式(石墨、石墨烯和/或碳黑)被捕获。热解消除了碳捕获和储存 (CCS) 来产生无二氧化碳 H₂ 的需要。此外，CH₄ 热解大约是 SMR 过程所需能量的一半，才能以较低的 H₂ 压力输出产生相同数量的 H₂ 。然而，如果 H₂ 被压缩到 30pa 作为输出，SMR 和 CCS (SMR+CCS) 的能量输入等同于热解等离子体微波法 (表 2)。由于压缩的额外能源成本，SMR+CCS 的能量输入与微波等离子体相似。压缩 CH₄ 热解技术的能源成本比为 1 kWhr/kg 的 H₂ 。
此外，随着该领域的不断发展，效率和成本效益有望提高，有可能使 CH₄ 热解成为未来 H₂ 生产更可行和 更具竞争力的选择，以应对气候变化和向低碳环境过渡。然而，值得注意的是，CH₄ 热解是一个不断发展的 研发领域，需要进一步的进步来优化工艺效率、可扩展性和经济可行性。