蒸汽重整
蒸汽重整（英語：steam reforming），也稱作水蒸氣轉化、蒸汽重組，是一種從烴類燃料（如天然氣）中生產氫、一氧化碳或其他產物的方法。該過程是在稱為重整爐或重整器的裝置中，令蒸汽在高溫下與化石燃料反應而實現。甲烷的蒸汽重整在工業中被廣泛用於製取氫氣。小尺寸重整爐的開發也是目前熱門的研發課題，用類似的技術來製取氫氣，作為燃料電池的原料[1]；這種供應燃料電池的小型蒸汽轉化單位通常使用甲醇，但其他燃料如丙烷、汽油、液化石油氣、柴油和乙醇等也在考慮範圍內[2][3]。
工業重整
[編輯]天然氣的蒸汽重整，有時被稱為蒸汽甲烷重整（steam methane reforming，SMR），是工業中大量生產氫氣最常用的方法，大約占世界總產量（1998年為5000億立方米[4]）的95%[5][6]。在工業中，氫氣被用於合成氨和其他化學品[7]。在高溫（700－1100 °C）和金屬基催化劑（鎳）催化的條件下，水蒸氣與甲烷反應產生一氧化碳和氫氣。
催化劑應當具有高的比表面積，因為在高的工作溫度下反應氣體的擴散是限制速率的因素。常見的催化劑載體形狀包括有輻條的車輪、齒輪、有孔的環等。除了表面積較大，這些形狀設計所帶來的壓降也較小，這是在反應爐環境中有利的。[8]
在較低溫度下（以及銅或鐵催化劑的催化下），一氧化碳和水蒸氣會發生「水煤氣變換」（water-gas shift）反應，可以得到更多的氫氣：
- CO + H2O ⇌ CO2 + H2
第一個反應是強烈吸熱的（ΔHr=206kJ/mol），第二個反應是輕度放熱的（ΔHr=-41kJ/mol）。
美國每年生產的900萬噸的氫，大多是通過天然氣的蒸汽重整。在2014年，全世界氨產量為1.44億公噸，其使用的氫大多數來自蒸汽重整。[9]
這個蒸汽重整過程與煉油廠中石腦油的催化重整是相當不同的，不可混淆，後者也會生成大量的氫，但同時還有高辛烷值的汽油。
天然氣蒸汽重整的效率約為65至75%。[10]
內燃機的燃料重整
[編輯]火炬氣和揮發性有機物的排放，是海上和岸上的石油和天然氣行業的已知問題，因為排放了不必要的溫室氣體進入大氣[11]。內燃機的燃料重整就是使用蒸汽重整技術，將上述的「廢氣」轉化為能源的過程[12]。
在該過程中，低質量的非甲烷烴類（NMHCs）氣體先轉化為合成氣（H2 + CO），最終變為甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）和氫（H2），從而改善氣體燃料質量（所謂「甲烷數」）。[13]
與傳統的蒸汽重整不同，該過程的工作溫度較低、蒸汽供量較少，因此在產物氣體中能有較高含量的甲烷（CH4）。主要的反應為：
蒸汽重整：
CnHm + nH2O ⇌ nCO + (n+m⁄2)H2
甲烷化：
CO + 3H2 ⇌ CH4 + H2O
水煤氣變換：
CO + H2O ⇌ CO2 + H2
燃料電池的燃料重整
[編輯]優勢
[編輯]氣態碳氫化合物的蒸汽重整是一種給燃料電池提供燃料的方式。車載重整的基本思路是，用甲醇（或其他燃料）罐和一個蒸汽重整單位，取代現有的大體積、高壓的氫氣箱。這可能會減少氫動力汽車現有的分配問題[14]；但市場上的主要廠家都放棄了車載重整的思路，因為太不切實際（重整反應溫度過高，見上文）。
缺點
[編輯]重整爐-燃料電池系統仍處於研究階段，因此在短期內，汽車等動力類能源需求將繼續使用現有的燃料（天然氣、汽油、柴油等）。在全球變暖的現狀下，使用這些燃料製取氫是否有益，是一個火熱的辯論話題。化石燃料的重整並不能完全避免二氧化碳排放到大氣中，但是相比燃燒傳統燃料，提高了能源效率，減少了二氧化碳排放，並且幾乎消除了一氧化碳的排放（水煤氣轉化成為氫氣，或者在SOFC中本身就是反應物）[15]。重要的是，通過把二氧化碳的排放集中到少數的「點」（蒸汽重整廠）而不是分散在社會各處，碳捕集與封存成為可能，真正防止二氧化碳排放到大氣中，雖然這將增加生產成本。
通過重整化石燃料生產的氫氣的成本，取決於其生產規模、重整器的固定成本和單位的效率，因此儘管氫氣在工業規模的成本可能只有每公斤幾美元，但在燃料電池所需的較小的規模下，仍可能較為昂貴。[16]
當前的挑戰
[編輯]目前，該技術面臨如下幾個挑戰：
- 重整的反應發生在高溫下，因此啟動緩慢，並需要昂貴的高溫的材料。
- 燃料中的含硫化合物會鈍化某些催化劑，使得普通汽油難以作為這種系統的原料。一些新研發的耐硫的催化劑可以克服這一困難。
- 低溫聚合物燃料電池膜中可能會被重整產生的一氧化碳（CO）鈍化，使得必須包括複雜的去除系統。固態氧化物燃料電池（SOFC）以及熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）沒有這個問題，但在較高的溫度下工作，啟動時間長，並需要昂貴的材料和龐大的隔熱結構。
- 該過程的熱力效率在70%和85%之間（低熱值），取決於氫的純度。
參見
[編輯]參考文獻
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