甲烷与CO2/H2O混合重整的热力学分析与反应机理研究：面向碳中和的碳资源高效转化

为解决全球能源危机与碳中和目标下碳资源高效利用难题，研究人员通过热力学平衡计算与ReaxFF分子动力学模拟，系统研究了温度、压力及原料组成对甲烷混合重整（SRM/DRM）产物分布的影响，揭示了CO2在蒸汽重整中的调控机制与H2O在干重整中的协同效应，为工业废气资源化提供了理论依据与技术优化窗口。

　　

在全球能源结构转型与碳中和目标的双重驱动下，如何高效利用富含甲烷的工业废气（如焦炉煤气、冶金炉顶气）成为关键挑战。甲烷蒸汽重整（SRM）和干重整（DRM）虽能生产合成气（H₂/CO），但面临催化剂积碳失活、产物比例调控困难等问题。尤其对于钢铁行业直接还原铁工艺（如HYL和Midrex），其炉顶气成分复杂（含CH₄、CO₂、H₂O等），传统单一重整技术难以适配。为此，北京科技大学的研究团队通过热力学计算与反应力场（ReaxFF）模拟相结合，首次系统解析了甲烷-CO₂-H₂O三元混合体系的反应机制，相关成果发表于《Journal of the Energy Institute》。

研究采用热力学平衡计算确定温度（600-1400 K）、压力（1-10 atm）和原料配比（CH₄:H₂O:CO₂=1:0.2-0.9:0.1-0.8）对产物分布的影响，通过ReaxFF模拟追踪关键中间体（如CH_x、H_xO）的反应路径，并利用神经网络分析轨迹数据量化反应路径频率。

热力学计算与反应路径分析
温度是影响目标气体（H₂+CO）产率的核心因素：低于1200 K时，增加CO₂会降低H₂/CO比（从4.5降至1.2）并促进积碳；高于1200 K时，CO₂和H₂O的引入可协同抑制积碳（降幅达80%）。压力升高会抑制CO₂转化，但对H₂O的影响较小。

分子机制解析
ReaxFF模拟显示：在SRM中，CO₂通过消耗H⁺生成COOH^*中间体，最终转化为CO；在DRM中，H₂O仅在高温（>1200 K）下参与C+H₂O→CO+H₂反应。关键发现是CO₂与H₂O存在动态竞争——低温下二者相互抑制，高温时则协同提升碳转化率。

工业应用窗口
针对HYL工艺，推荐1000 K、1 atm、CH₄:H₂O:CO₂=1:0.9:0.1的工况，此时H₂/CO比为5.1且积碳量最低；Midrex工艺则适配1100 K、1 atm、配比1:0.2:0.8的条件。

该研究首次阐明三元混合体系中CO₂/H₂O的协同机制，为工业废气定制化重整提供了理论模型。通过精准调控操作参数，既可实现CO₂资源化（转化为CO），又能延长镍基催化剂寿命，对推动钢铁行业低碳转型具有重要实践意义。