综述：通过甲烷热解实现低排放氢气生产的直接加热方法的全面综述

氢能生产技术优化研究通过系统分析微波、等离子体、电阻/燃烧和冲击波四种直接加热甲烷热解方法，整合156组实验数据构建多目标优化模型，评估了制氢成本、甲烷转化率和氢气选择性。研究发现冲击波加热在成本与转化率平衡时最优，而微波加热在选择性约束下更具优势，揭示热能传递机制对技术经济指标的关键影响，为工业级蓝氢生产设备选型提供依据。

贝赫鲁兹·阿扎德梅赫尔（Behrouz Azadmehr）| 萨汉德·阿扎德瓦尔（Sahand Azadvar）| 奥米德·塔瓦科利（Omid Tavakoli）

德黑兰大学工程学院化学工程系，伊朗德黑兰14176

摘要

全球范围内对氢生产脱碳的推动重新激发了人们对甲烷热解（Methane Pyrolysis, MP）的兴趣，这是一种“绿松石氢”生产途径，其副产品是固体碳而非二氧化碳（CO₂）。本研究系统地从技术和经济角度评估了甲烷热解中使用的几种直接加热方法（微波、等离子体、电阻/燃烧和冲击波系统），分析了来自26个同行评审来源的156组实验数据。通过多目标优化框架，综合考虑了氢气的平准化成本（LCOH）、甲烷转化率和氢选择性，在不同的成本和性能权重下得出了帕累托最优解。当优先考虑成本和转化率时，冲击波加热方法达到了最佳平衡（甲烷转化率约为92%，氢气的平准化成本约为0.70美元/千克）。当将选择性作为第三个目标时，在选择性受限的情况下，微波加热方法更为优越（甲烷转化率约为91%，氢选择性约为99%，氢气的平准化成本为1.09美元/千克）。由于等离子体和电阻/燃烧方法具有较高的能量强度和/或较低的转化率，它们在帕累托最优解中处于劣势。敏感性分析表明，反应器规模的热传递效率和碳副产物的处理方式是影响技术和经济结果的最关键因素。这些定量分析结果为在工业规模上推广冲击波和微波加热技术提供了坚实基础。未来的研究应致力于降低冲击波设备的能量损耗，并开发连续高功率微波反应器，以实现商业上可行的低碳氢生产。

部分内容摘录

引言

为了减少温室气体（GHG）排放并减缓气候变化，全球能源政策正朝着使用不产生或仅产生微量温室气体的燃料方向发展。政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告（2014年）指出，国际社会已同意将全球平均表面温度升幅控制在“远低于工业化前水平2°C”的范围内，并努力将其控制在1.5°C以内。为实现这一目标，2019年至2030年间全球温室气体排放量需减少43%。

甲烷热解反应的热力学与动力学

甲烷热解是一个吸热反应，即需要能量来打破甲烷（CH₄）分子中的化学键，生成固体碳和氢气（H₂）。该反应在高温下（通常超过1000°C）才能进行。随着温度的升高，反应平衡向生成氢气和碳的方向移动，从而提高产物的产率[22]。压力也会影响反应的热力学特性：根据勒夏特列原理，气体摩尔数的变化（Δν）会影响反应平衡。

甲烷热解的各种加热方法

有多种方法可用于甲烷的热解。下文总结了每种方法及其优缺点。

直接加热

在这种方法中，热能直接通过甲烷气体传递到反应器中，使得热源与反应物直接接触或加热反应区域，无需中间介质[82]。这种方法的优点是热源与气体或反应器直接接触，加热速度快；但缺点也可能包括产生热点和热量分布不均的问题[82]。此外，燃烧加热方式也可能带来相关问题。

从优化角度比较各种加热方法

如上所述，甲烷热解在工业应用中的主要实际挑战在于如何以技术上可行且经济高效的方式提供高温热能（通常需要超过1000°C）。研究目标是在较低温度下实现更高的转化率和选择性。目前已提出多种热能传递方法，包括电阻加热、燃烧加热和微波加热等。

未来研究方向

尽管本文回顾了多种加热方法，但要实现工业应用所需的能量效率和可扩展性，未来研究需要探索更多创新和针对性的能量传递系统。基于本研究的结论，冲击波反应器和连续微波系统在两个最具前景的研究领域具有较大潜力。

结论

本研究表明，高温热能传递到热解反应器的方式是决定“绿松石氢”生产技术和经济效率及可扩展性的关键因素。通过对156组实验数据的分析（在考虑成本、甲烷转化率和氢选择性的双重和三重目标优化框架下），我们发现没有一种加热技术绝对占优；选择哪种加热方法取决于具体应用需求。

CRediT作者贡献声明

奥米德·塔瓦科利（Omid Tavakoli）：撰写、审稿与编辑、验证、项目管理、方法论设计、概念构建。 贝赫鲁兹·阿扎德梅赫尔（Behrouz Azadmehr）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、软件开发、数据分析、概念构思。 萨汉德·阿扎德瓦尔（Sahand Azadvar）：初稿撰写、数据可视化、项目管理、方法论设计、正式分析。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。奥米德·塔瓦科利表示得到了德黑兰大学的行政支持；若论文中有其他作者，他们也声明不存在可能影响研究的已知财务利益或个人关系。