目前,工业氢气的生产技术仍是沿用传统技术,如蒸汽甲烷重整(SMR),以天然气作为原料,生产过程中会释放出大量的二氧化碳。不过,科学家们对新技术的追求是没有停止过,日前,德国可持续发展高等研究院(IASS)与卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的研究人员宣布,实现了一项从甲烷(CH4)提取氢气(H2)而无二氧化碳(CO2)副产物产生的创新技术——甲烷裂解技术。
甲烷裂解即甲烷的氢与碳分子组分的分离,在高温下(750℃以上)下发生,不会释放出有害气体及二氧化碳。用这项工艺制得的氢气成本约为1.9~3.3欧元/公斤,不包括副产固体碳黑的市场价值。
固体碳黑已广泛地用于生产钢铁、碳纤维和碳基结构材料,日益成为重要的工业大宗商品。由甲烷裂解得到的碳黑质量很好,是纯度特别好的粉末,可作为适销对路的产品,这样也提高了甲烷裂解的效益和经济性。另外,碳黑可以被存储,使用过程比二氧化碳的储存更简单、安全、便宜。
虽然是新近取得了突破,但甲烷裂解本身并不是一个全新的想法:在过去的20年里,许多不同的机构都进行过实验,证明了其技术可行性。但都因为碳堵塞和低转化率等问题的困扰无法开展下去。转机出现在IASS和KIT的团队建立的一个实验性反应器:细小的甲烷气泡在充满熔融锡的塔底部注入,当这些气泡上升到液态金属的表面时发生裂解反应;它们分解时碳在泡沫表面被分离,并在反应器顶端作为粉末被沉积。该反应器可抗腐蚀、可避免堵塞,产生的微细粒碳粉可以很容易地进行分离,可以满足工业规模反应器连续操作所需的技术条件。
新反应器设计的起始点由诺贝尔奖得主、前IASS科学家卡罗?鲁教授提出,是基于液态金属的一项技术。研究人员评估了不同的参数和选项,如温度、建筑材料和停留时间。最终的设计是一个1.2米高、由石英和不锈钢制成的设施,使用纯锡和由石英组成的填充床结构。
与目前工业上常用的蒸汽甲烷重整和用可再生电力的水电解制氢技术相比,生产相同单位的氢气,甲烷裂解的二氧化碳排放可与水电解相媲美,比蒸汽甲烷重整清洁50%以上。实验结果和环境、经济评估表明,甲烷裂解可作为一种制取氢气的清洁的替代方案。