本文是一篇关于甲烷热解在液态金属鼓泡塔反应器（LMBCR）中用于无二氧化碳氢气生产的原创研究论文。该研究由David Neuschitzer、David Scheiblehner、Helmut Antrekowitsch、Stefan Wibner和Andreas Sprung共同完成，他们均来自奥地利莱奥本矿业大学（Montanuniversitaet Leoben）的非铁冶金系。该论文于2023年10月12日发表在《Energies》期刊上，论文标题为《Methane Pyrolysis in a Liquid Metal Bubble Column Reactor for CO2-Free Production of Hydrogen》。

研究背景

随着氢气作为能源载体和还原剂的兴趣日益增长，尤其是钢铁等能源密集型行业对氢气的需求不断增加，氢气的生产规模亟需扩大和改进。然而，目前氢气生产主要依赖于化石燃料，尤其是蒸汽甲烷重整（SMR）技术，该过程会产生大量的二氧化碳排放（每吨氢气约产生10吨二氧化碳）。为了应对这一挑战，甲烷热解技术提供了一种有前景的清洁氢气生产途径。甲烷热解通过将甲烷（CH4）分解为氢气和固体碳，显著降低了碳足迹。

本研究旨在通过改进的实验装置，进一步研究和扩展对液态金属鼓泡塔反应器（LMBCR）中甲烷热解过程的理解。研究的重点是温度和甲烷输入速率对甲烷转化率的影响，并探讨了液态金属表面碳层的影响。此外，研究还对比了LMBCR与空白管式反应器（BTR）的性能。

研究流程

研究流程主要包括以下几个步骤：

1. 实验装置设计：研究使用了一个改进的液态金属鼓泡塔反应器，反应器由石墨制成，内部填充液态锡（Sn）作为热传导介质。甲烷通过一个带有六个毛细管的氧化铝喷枪注入反应器。反应器分为液态金属鼓泡塔部分和管式反应器部分，分别用于甲烷的热解和气体产物的进一步处理。

2. 实验条件：实验在900°C至1250°C的温度范围内进行，甲烷流量范围为1.000至4.000标准升每分钟（slm）。研究还探讨了不同初始碳层对甲烷转化率的影响。

3. 数据采集与分析：通过热电偶测量反应器不同位置的温度，并使用气体分析仪测量产物气体中的氢气和未分解甲烷的含量。甲烷转化率通过计算产物气体中未分解甲烷的体积分数来确定。

主要结果

1. 温度对甲烷转化率的影响：研究发现，温度对甲烷转化率有显著影响。在1150°C时，甲烷转化率为35%，而在1250°C时，转化率提高到74%。这表明高温有利于甲烷的分解。

2. 甲烷流量对转化率的影响：在研究的流量范围内（1.000至4.000 slm），甲烷流量对转化率的影响相对较小。特别是在1.500 slm以上时，流量增加对转化率的影响几乎可以忽略不计。

3. 碳层的影响：研究发现，液态金属表面的碳层对甲烷转化率有积极影响。初始碳层的存在可以提高转化率，但随着实验的进行，这种影响逐渐减弱。此外，使用活性炭作为初始碳层时，转化率在实验初期较高，但随着时间推移逐渐下降。

4. LMBCR与BTR的对比：研究发现，空白管式反应器（BTR）在某些条件下表现出比LMBCR更高的甲烷转化率。然而，LMBCR在碳产物的排放方面具有优势，能够实现连续操作，而BTR中的碳产物容易在反应器壁上形成致密层，阻碍连续操作。

结论

本研究通过改进的液态金属鼓泡塔反应器，成功实现了甲烷的热解，并显著提高了氢气的生产效率。研究结果表明，温度是影响甲烷转化率的关键因素，而甲烷流量的影响相对较小。液态金属表面的碳层对甲烷转化率有积极影响，但其效果随实验时间逐渐减弱。尽管空白管式反应器在某些条件下表现出更高的转化率，但LMBCR在碳产物的连续排放方面具有明显优势。

研究亮点

1. 创新性实验装置：本研究使用了改进的液态金属鼓泡塔反应器，能够有效避免碳沉积对反应器壁和催化剂的负面影响。
2. 温度对甲烷转化率的关键影响：研究明确了温度在甲烷热解中的核心作用，为未来的工艺优化提供了重要参考。
3. 碳层的催化效应：研究发现液态金属表面的碳层对甲烷转化率有积极影响，这为未来的催化剂设计提供了新的思路。

未来展望

未来的研究将重点探讨通过多孔喷枪引入气体的方法，以进一步提高LMBCR的性能。此外，研究还将深入分析甲烷分解的机理，评估碳产物的物理化学性质，并开发更高效的催化剂组合。通过这些努力，LMBCR技术有望在工业规模上实现更高效的氢气生产。

参考文献

论文引用了大量相关文献，涵盖了甲烷热解、液态金属反应器、氢气生产等多个领域的研究成果，为本文的研究提供了坚实的理论基础。