通过天然气等离子体热解生产氢气的建模与仿真

《Canadian Journal of Chemical Engineering》：Modelling and simulation of hydrogen production via natural gas plasma pyrolysis

氢能生产技术。通过Aspen HYSYS建立甲烷等离子体裂解模拟模型，分析温度、压力、等离子气体体积对产氢、碳黑及能耗的影响。验证模型与Monolith工业数据（21.54 kWh/kg H?）吻合，指出2000-3000°C为最优反应温度区，热整合可降低能耗32.7%。天然气杂质对性能影响较小，需开发更精细反应模型提升预测精度。

　　氢气作为清洁能源的潜力近年来备受关注，特别是在交通和能源生产领域。与传统的化石燃料相比，氢气如果以低碳排放的方式生产，可以成为更加可持续的选择。其中，甲烷热解技术因其能够直接从甲烷中生成氢气和固态碳而不产生二氧化碳，而备受瞩目。这项技术不仅减少了碳排放，还能够产生有价值的碳黑副产品，从而提升其经济可行性。目前，该技术仍处于研究和试验阶段，但其商业化的前景非常广阔，特别是在拥有丰富天然气资源的国家如加拿大。

本文探讨了甲烷热解技术在商业化规模下的模拟和优化。研究团队采用Aspen HYSYS软件开发了一个过程模拟模型，用于分析该技术在实际工业应用中的表现。该模型结合了非等温化学平衡和文献中的动力学模型，以更贴近现实的方式模拟热解过程。模型首先基于实验室规模的实验数据进行验证，然后扩展至商业规模，使用天然气作为原料。研究结果显示，尽管理论上为了最大化氢气产量并减少副产物如焦炭的生成，热解反应的温度应接近3000°C，但实际工业应用中由于技术和经济限制，温度通常控制在约2000°C。在商业可行的条件下，该过程的单位能量需求（SER）估计为20.12 kWh/kg H?，与已知工业设施报告的21.54 kWh/kg H?基本一致，这表明模型在实际应用中的可靠性。

甲烷热解技术相较于其他热解方式（如催化和热解）具有明显的优势。催化热解技术面临催化剂快速失活的问题，而热解技术则由于传热效率低和反应器内碳沉积导致操作困难。相比之下，等离子体热解技术能够提供均匀且高效的加热，使甲烷分子中的C-H键断裂，从而生成氢气和碳黑。这种技术还能够通过调节反应条件来生产不同等级的碳黑，为工业应用提供了更大的灵活性。此外，等离子体热解技术的碳强度比传统的蒸汽甲烷重整（SMR）低88.3%至90.8%，这使得其在碳减排方面具有显著优势，即使与配备碳捕集与封存（CCS）的SMR技术相比，也具备更小的环境影响。

在现有研究中，甲烷等离子体热解的模拟模型主要依赖于实验室数据，而这些数据往往无法准确反映商业规模的实际情况。因此，本研究尝试通过构建一个系统化的模型，将实验室规模的研究结果扩展到商业应用中。该模型考虑了天然气的复杂成分，包括甲烷、乙烷、丙烷以及其他轻质烃类，以及微量的氮气、氧气、氢气和二氧化碳。这些成分在热解过程中对反应路径和产物分布产生影响，因此必须被纳入模型中以确保预测的准确性。此外，模型还考虑了热解过程中产生的多环芳香烃（PAHs）以及等离子体气体条件对整体性能的影响，这些都是之前研究中被忽视的重要因素。

模型的构建过程分为两个阶段。第一阶段是基于实验室规模数据的通用测试模型，通过对比模拟结果与实验数据，验证了模型的有效性。第二阶段则是将测试模型扩展为商业规模模型，引入了更多实际工业过程中的参数和条件，如热能回收、尾气循环利用、氢气压缩和冷却等。这些改进使得模型更接近实际工业操作环境，从而提升了其预测能力。通过热能回收，可以显著降低等离子体火炬的能量需求，提高整体效率。同时，模型还考虑了尾气的回收和处理，以减少未转化的甲烷和副产物的排放，从而进一步优化氢气和碳黑的产量。

在商业规模模型的模拟中，研究团队分析了反应器入口温度、压力以及等离子体气体体积对过程性能的影响。结果显示，当反应温度接近3000°C时，氢气和碳黑的产量达到最大化，而焦炭的生成几乎可以忽略不计。然而，由于实际工业应用中难以达到如此高的温度，商业可行的温度通常为2000°C左右。在这种条件下，尽管氢气和碳黑的产量仍然较高，但需要额外的分离能力来去除副产物，从而增加了操作的复杂性。此外，提高反应压力会降低甲烷的转化率和氢气的产量，同时增加能量消耗，因此不建议在较高压力下运行该过程。另一方面，增加等离子体气体的体积虽然可以提高氢气的产量，但也会导致能量需求的增加，因此需要在能量消耗和产品分布之间找到最佳平衡点。

模型的验证结果显示，模拟结果与实验数据高度一致，尤其是在氢气和碳黑的产量预测方面。这表明模型能够有效模拟等离子体热解过程，为后续的优化和规模化提供可靠的数据支持。然而，由于目前缺乏完整的工业数据，模型的全面验证仍有待进一步完善。此外，模型的参数设置也需要根据实际工业条件进行调整，以确保其在真实环境中的适用性。

本研究的结论表明，等离子体热解技术在商业化应用中具有显著的潜力，特别是在氢气生产方面。然而，要实现这一目标，仍需克服一系列技术和经济挑战。首先，提高反应温度以实现更高的氢气产量需要大量的能量投入，这在经济上可能不可行。其次，尽管等离子体气体的体积增加可以改善产品分布，但同时也增加了能耗，因此需要优化等离子体气体与原料的比例。此外，热能回收和尾气再利用对于降低整体能耗至关重要，应作为未来研究的重点方向。最后，天然气中的杂质对热解过程的影响相对较小，因此在实际操作中不需要对原料进行复杂的预处理，这降低了操作成本。

未来的研究方向应包括开发更复杂的反应模型，以更精确地捕捉甲烷热解的化学反应机制，提高模型的预测能力。此外，还需要进一步研究等离子体热解技术在不同条件下的经济可行性，以及如何优化反应条件以实现更高的氢气产量和更低的能耗。随着技术的不断进步和成本的降低，等离子体热解有望成为一种高效、环保的氢气生产方式，为全球能源转型提供重要的技术支持。