CRC丨[日本弘前大学官国清课题组] 结合㶲回收的分离式甲烷自热干重整系统
近日，日本弘前大学官国清课题组与太原理工大学郝晓刚课题组等在期刊Carbon Resources Conversion发表了一篇文章题为：
「A separate-type autothermal CH4 dry reforming system with exergy recuperation」
“
该文章提出了一种结合㶲回收的分离式甲烷自热干重整系统，其㶲效率可达84.7%。与传统甲烷自热干重整系统相比，该系统的二氧化碳转化率能够提升11.3%。
研究背景
近年来，二氧化碳（CO2）造成的温室效应日益严重，全球各地多次出现各种极端气候变化和环境问题。根据国际能源署（IEA）报告称，全球因化石能源消耗而排放的二氧化碳总量约为33.5 Gt/年。解决碳排放问题势在必行。虽然碳捕获与封存（carbon capture and storage, CCS）技术已经相对成熟，但是因其高昂的成本，现阶段还难以在全球全面推广。因此，研究人员已进行多种研究，尝试将二氧化碳捕集后进行再利用以降低工业成本。
目前，作为二氧化碳利用技术之一的甲烷干重整（DRM），越来越受到广泛关注。通过DRM技术，能够将二氧化碳与甲烷转化为H2/CO接近1的高附加值合成气。此外，与其他的甲烷重整工艺相比，DRM技术可以大幅降低操作成本。甲烷干重整是吸热过程，并且当操作温度低于642°C时，会受到热力学阻碍。因此，在连续化且高空速条件下工作的工业装置中保持高温操作环境和维持催化剂活性至关重要。通常的办法是将而甲烷干重整与甲烷部分氧化（POM）相结合，实现甲烷自热干重整（ATDRM）。将CH4、CO2和O2注入同一系统中，通过POM产生热量来推动DRM反应。然而，O2的引入势必会导致CO2转化率降低。
为了消除POM过程的产物对DRM过程产生的负面影响，进一步提高CO2转化率，日本弘前大学官国清课题组提出了一种具有重整和部分氧化过程空间细分的分离式ATDRM系统（S-ATDRM）。该系统通过循环流化床（CFB）来细分和优化POM和DRM过程，并利用橄榄石实现了热量在不同反应器中的传递，提高了传热效率。高温橄榄石不仅能够作为热载体，同时也能够作为催化剂参与到DRM过程中。本文通过对S-ATDRM系统模拟，进行了深入的热力学分析，并结合㶲回收理念，以期进一步提升CO2转化率。
结果及意义
研究结果表明：
（1）随着S-ATDRM系统DRM反应器温度升高，CO2和CH4的转化率增加，但总㶲效率降低。在CO2/CH4比值相对较低的条件下，很容易实现高的CO2转化率和㶲效率，但产物中会残留一些未反应CH4。考虑到CO2和CH4同时完全转化，以及㶲效率的最大化，DRM反应器应在950℃和CO2/CH4=1的操作条件下工作。
（2）该新型S-ATDRM系统的㶲效率可高达84.7%。为了提高㶲效率，在粗合成气冷却过程中回收约1055.7kW的㶲，并重新用于CO2、O2和CH4预热过程。在该系统中，㶲损失最大的单元为POM反应器，约为总㶲损失的45.6%。与传统的ATDRM系统相比，S-ATDRM系统的㶲效率稍低，但CO2转化率可大幅提高约11.3%。
文章信息
文章标题：
A separate-type autothermal CH4 dry reforming system with exergy recuperation
研究团队：
Zhongkai Zhao, Yohanes Andre Situmorang, Ping An, Jingxuan Yang, Xiaogang Hao, Jenny Rizkiana, Abuliti Abudula, Guoqing Guan
期刊期卷号：
Carbon Resources Conversion 2022, 5(4), 310-319
文章路径：
扫描二维码
或
点击页面下方的‘阅读原文’进入文章页面
主要作者简介
赵忠凯
工程师，工学博士
中国成达工程有限公司（原化工部第八设计院）工程师
研究领域：
反应过程及装备开发、工业系统设计、碳基能源转化。
学术背景及成绩：
2015年和2018年，分别取得太原理工大学学士和硕士学位
2021年获得日本弘前大学工学博士学位
曾以第一作者及共同作者身份发表SCI论文十余篇
官国清 教授
日本国立弘前大学教授
工学博士
研究领域：
新能源技术，能源材料与化学，环境催化与环境材料，分离及过程设计等。
学术背景：
分别于1990年，1993年，1995年取得四川大学本科，硕士和博士学位
1998年晋升四川大学副教授
1999年10月-2001年9月在日本九州大学从事博士后研究
2001年10月-2005年3月在日本产业技术综合研究所任特任研究员
2005年4月-2006年8月在德国美因兹做洪堡学者
2006年9月-2009年2月在日本做JSPS外国人特别研究员
2009年3月-2010年9月在东京大学生产技术研究所任特任助理教授
2010年10月日本国立弘前大学副教授
2016年晋升为全职教授
学术成就及社会任职：
已发表SCI研究论文380多篇，多篇入选高被引论文
申请和授权美国、日本专利50余项
多次获得日本化工学会等权威机构奖项
现为东京农工大学，四川大学，太原理工大学，沈阳化工大学，中南林业科技大学及Egypt-Japan University of Science and Technology (E-JUST)客座教授
担任国际期刊 Carbon Resources Conversion 副主编及 Fuel Processing Technology 等期刊编委
World Society of Engineering Thermochemistry (WSETC)委员
郝晓刚 教授
工学博士，博士生导师
山西省化工学会理事长
中国颗粒学会理事
中国化工学会工程热化学专委会委员
中国膜工业协会电驱动膜专委会委员
研究领域：
电活性功能材料、膜分离、流态化、水处理技术。
学术背景：
毕业于四川大学化工系，分别于1987、1990年获学士、硕士学位，1997年获博士学位
2002年~2003年美国华盛顿大学访问学者
2007年~2008年加拿大滑铁卢大学高访
2011年日本东京大学、神户大学访问学者
2013年加拿大西安大略大学高访
学术成就及社会任职：
在国内外学术期刊发表科研论文四百余篇
申请国家发明专利五十余项(已授权四十五项)
出版教材/专著六部。国际期刊Carbon Resources Conversion、《水处理技术》及《煤炭转化》编委、《太原理工大学学报》副主编，及国内外八十余种主流学术期刊审稿人
山西省新世纪学术技术带头人“333人才工程”省级人选，山西省教学名师、省级师德标兵，山西省“三晋英才”支持计划拔尖骨干人才
现主持国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项、国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点项目各一项，已负责完成多项国家自然科学基金、省基金、国际合作项目和回国留学人员基金项目
杨景轩 副教授
工学博士
研究领域：
多相流动、传递、反应过程及装备开发。
学术成就及荣誉：
入选山西省“三晋英才”支持计划青年优秀人才
担任山西省化工学会秘书，负责专业委员会工作
山西省化工学会流态化专业委员会秘书长
曾主持国家自然基金青年项目一项、作为骨干成员参与国家重点研发计划项目两项、科技部国际科技合作项目一项、国家自然基金面上项目两项、省级项目三项
发表SCI论文二十余篇
授权发明专利五项
期刊介绍
Carbon Resources Conversion (CRC) 是一本专注于碳资源转化的国际学术期刊。
沈阳化工大学校长许光文教授和希腊雅典农业大学食品科学与人类营养学系Seraphim Papanikolaou教授担任主编。
期刊自2018年创刊以来，致力于推广碳资源基础研究和工业发展方向的优质学术文章，主要发表包括化石资源、生物质、有机废弃物、碳基平台化合物等各种碳资源清洁、高效、增值、低碳利用相关的基础研究和工业开发成果。期刊编委成员包括来自中国、美国、英国、法国、日本、韩国等多个国家的知名学者。
目前，期刊入选2021年中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目；2022年CiteScore高达9.7, 位列所在学科的前10%
同时被EI Compendex、DOAJ、INSPEC、Scopus、CAS等重要数据库收录。
主编介绍
主编：许光文 教授，博士生导师
沈阳化工大学学科带头人
资源与化工教育部重点实验室主任、校长
学术成就及荣誉：
在Applied Catalysis B、AIChE J.、Chem. Eng. J.、Chem. Eng. Sci.、Applied Energy、Environ. Sci. Technol.、Bioresource Technol.，以及《中国科学》《化工学报》等期刊发表论文400余篇
中科院“百人计划”入选者
“十三五”国家重点研发计划煤炭清洁利用与先进节能技术重点专项总体专家组专家
国家973计划项目首席科学家
“十二五”国家863计划先进能源技术领域洁净煤技术主题专家组专家
首批国家黄大年式教师团队
主编：
Seraphim Papanikolaou 教授
微生物技术领域专家
希腊雅典农业大学食品科学与人类营养学系
主要研究领域：
发酵生物技术
农业工业废弃物和残留物的生物技术定量化
由酵母、真菌和细菌合成的微生物代谢化合物的生产
学术成就：
发表同行评议文章200篇
会议文章140余篇
完成专著章节11篇
为超过120本学术期刊审稿
推荐阅读
推荐阅读
点击阅读原文进入文章页面
扫码关注
科爱KeAi
科爱KeAi