การปฏิรูปด้วยไอน้ำหรือการปฏิรูปมีเทนด้วยไอน้ำ ( SMR ) เป็นวิธีการผลิตก๊าซสังเคราะห์ ( ไฮโดรเจนและคาร์บอนมอนอกไซด์ ) โดยการทำปฏิกิริยาของไฮโดรคาร์บอนกับน้ำ โดยทั่วไปแล้วก๊าซธรรมชาติจะเป็นวัตถุดิบ จุดประสงค์หลักของเทคโนโลยีนี้มักจะเป็นการผลิตไฮโดรเจนแม้ว่าก๊าซสังเคราะห์จะมีประโยชน์อื่นๆ อีกมากมาย เช่น การผลิตแอมโมเนียหรือเมทานอลปฏิกิริยานี้แสดงด้วยสมดุลนี้: ^{[ 1 ]}

${\displaystyle {\ce {CH4 + H2O <=> CO + 3 H2}}}$

ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน อย่างมาก (Δ H = 206 kJ/mol)

ไฮโดรเจนที่ผลิตโดยการปฏิรูปไอน้ำเรียกว่าไฮโดรเจน 'สีเทา'เมื่อคาร์บอนไดออกไซด์ที่เป็นของเสียถูกปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ และเรียกว่าไฮโดรเจน 'สีน้ำเงิน'เมื่อคาร์บอนไดออกไซด์ (ส่วนใหญ่) ถูกดักจับและกักเก็บไว้ในชั้นธรณีวิทยา—ดูการดักจับและกักเก็บคาร์บอนไฮโดรเจน 'สีเขียว'ที่ปราศจาก คาร์บอน ผลิตโดยการแยกน้ำด้วยความร้อนทางเคมีโดยใช้พลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ ไฟฟ้าที่มีคาร์บอนต่ำหรือปราศจากคาร์บอน หรือความร้อนเหลือทิ้ง^{[ 2 ]}หรือการแยกด้วยไฟฟ้าโดยใช้ไฟฟ้าที่มีคาร์บอนต่ำหรือปราศจากคาร์บอน ไฮโดรเจน 'สีเทอร์ควอยซ์' ที่ปราศจากการปล่อยคาร์บอนผลิตโดยการไพโรไลซิสมีเทน แบบขั้นตอนเดียว ของก๊าซธรรมชาติ^{[ 3 ]}

การปฏิรูปไอน้ำของก๊าซธรรมชาติผลิตไฮโดรเจนส่วนใหญ่ของโลก ไฮโดรเจนถูกนำไปใช้ในการสังเคราะห์แอมโมเนียและสารเคมีอื่นๆ ในอุตสาหกรรม ^{[ 4 ]}

จลนศาสตร์ปฏิกิริยาการปฏิรูปไอน้ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการใช้ ตัวเร่งปฏิกิริยา นิกเกล - อะลูมินาได้รับการศึกษาอย่างละเอียดตั้งแต่ทศวรรษ 1950 ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

ก่อนการปฏิรูป

จุดประสงค์ของการเตรียมการปฏิรูปเบื้องต้นคือการสลายไฮโดรคาร์บอนที่มีโมเลกุลใหญ่ เช่นโพรเพนบิวเทนหรือแนฟทา ให้กลายเป็นมีเทน (CH₄ ซึ่งจะช่วยให้การปฏิรูปในขั้นตอนถัดไปมีประสิทธิภาพมากขึ้น

ปฏิกิริยาจะดำเนินการใน เครื่องปฏิกรณ์ แบบบรรจุหลายท่อซึ่งเป็นประเภทย่อยของเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลต่อเนื่องเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ประกอบด้วยท่อยาวและแคบจำนวนมาก^{[ 11 ]}ซึ่งตั้งอยู่ภายในห้องเผาไหม้ของเตาเผาอุตสาหกรรม ขนาดใหญ่ โดยให้พลังงานที่จำเป็นในการรักษาอุณหภูมิของเครื่องปฏิกรณ์ให้คงที่ในระหว่างการทำงาน การออกแบบเตาเผาจะแตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าของหัวเผา โดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็นแบบเผาไหม้ด้านบน แบบเผาไหม้ด้านล่าง และแบบเผาไหม้ด้านข้าง การออกแบบที่โดดเด่นคือเครื่องปฏิรูปผนังระเบียงFoster-Wheeler

ภายในท่อ ส่วนผสมของไอน้ำและมีเทนจะสัมผัสกับตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกล^{[ 11 ]} นิยมใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มี อัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรสูงเนื่องจาก ข้อจำกัด ด้านการแพร่กระจายอันเนื่องมาจากอุณหภูมิการทำงาน สูง ตัวอย่างของ รูป ทรงตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ ได้แก่ ล้อซี่ลวด ล้อเฟือง และวงแหวนที่มีรู ( วงแหวน Raschig ) นอกจากนี้ รูปทรงเหล่านี้ยังมี แรงดันตกคร่อมต่ำซึ่งเป็นข้อดีสำหรับการใช้งานนี้^{[ 12 ]}

การปฏิรูปไอน้ำของก๊าซธรรมชาติมีประสิทธิภาพ 65–75% ^{[ 13 ]}

สหรัฐอเมริกาผลิตไฮโดรเจนได้ 9–10 ล้านตันต่อปี ส่วนใหญ่ด้วยการปฏิรูปไอน้ำของก๊าซธรรมชาติ[ ^{14 ] การ}ผลิตแอมโมเนียทั่วโลกโดยใช้ไฮโดรเจนที่ได้จากการปฏิรูปไอน้ำอยู่ที่ 144 ล้านตันในปี 2018 ^{[ 15 ]}การใช้พลังงานลดลงจาก 100 GJ/ตันของแอมโมเนียในปี 1920 เหลือ 27 GJ ในปี 2019 ^{[ 16 ]}

ทั่วโลก ไฮโดรเจนเกือบ 50% ผลิตผ่านการปฏิรูปด้วยไอน้ำ^{[ 10 ]}ปัจจุบันเป็นวิธีการผลิตไฮโดรเจนที่ประหยัดที่สุดในแง่ของต้นทุนการลงทุน^{[ 17 ]}

เพื่อลดการปล่อยคาร์บอนจากการผลิตไฮโดรเจน จึงมีการนำวิธีการดักจับและกักเก็บคาร์บอน (CCS) มาใช้ในอุตสาหกรรม ซึ่งมีศักยภาพในการกำจัด ที่เกิดจากกระบวนการ ได้มากถึง 90% ^{[ 17 ]}อย่างไรก็ตาม การนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้ยังคงมีปัญหา มีค่าใช้จ่ายสูง และทำให้ราคาไฮโดรเจนที่ผลิตได้เพิ่มขึ้นอย่างมาก^{[ 17 ] [ 18 ]}

การปฏิรูปอัตโนมัติด้วยความร้อน (ATR) ใช้ออกซิเจน คาร์บอนไดออกไซด์ หรือไอน้ำทำปฏิกิริยากับมีเทนเพื่อสร้างซินแก๊สปฏิกิริยาเกิดขึ้นในห้องเดียวซึ่งมีเทนถูกออกซิไดซ์บางส่วน ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน เมื่อ ATR ใช้คาร์บอนไดออกไซด์ อัตราส่วน H₂ CO ที่ผลิตได้คือ 1:1 เมื่อ ATR ใช้ไอน้ำ อัตราส่วน H₂ CO ที่ผลิตได้คือ 2.5:1 อุณหภูมิขาออกของซินแก๊สอยู่ระหว่าง 950–1100  °C และความดันขาออกอาจสูงถึง 100 บาร์^{[ 19 ]}

นอกเหนือจากปฏิกิริยา [1] – [3] แล้ว ATR ยังแนะนำปฏิกิริยาต่อไปนี้: ^{[ 20 ]}

${\displaystyle [4]\qquad \mathrm {CH} _{4}+0.5\,\mathrm {O} _{2}\rightleftharpoons \mathrm {CO} +2\,\mathrm {H} _{2}\qquad \Delta H_{R}=-24.5\ \mathrm {kJ/mol} }$

ความแตกต่างหลักระหว่าง SMR และ ATR คือ SMR ใช้อากาศเป็นแหล่งความร้อนในการเผาไหม้เพื่อสร้างไอน้ำ ในขณะที่ ATR ใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์ ข้อดีของ ATR คืออัตราส่วน H2 CO สามารถเปลี่ยนแปลงได้ ซึ่งอาจเป็นประโยชน์สำหรับการผลิตผลิตภัณฑ์พิเศษ เนื่องจากปฏิกิริยาเพิ่มเติมบางอย่างที่เกิดขึ้นภายใน ATR มีลักษณะคายความร้อน กระบวนการนี้จึงสามารถดำเนินการได้ที่เอนทาลปีสุทธิเป็นศูนย์ (ΔH = 0) ^{[ 21 ]}

การออกซิเดชันบางส่วน (POX) เกิดขึ้นเมื่อส่วนผสมเชื้อเพลิง-อากาศที่มีอัตราส่วนต่ำกว่าสัดส่วนที่เหมาะสมถูกเผาไหม้บางส่วนในเครื่องปฏิรูป ทำให้เกิดก๊าซสังเคราะห์ที่มีไฮโดรเจนสูง โดยทั่วไปแล้ว POX จะเร็วกว่าการปฏิรูปด้วยไอน้ำมาก และต้องการภาชนะปฏิกรณ์ขนาดเล็กกว่า POX ผลิตไฮโดรเจนได้น้อยกว่าต่อหน่วยของเชื้อเพลิงที่ป้อนเข้า เมื่อเทียบกับการปฏิรูปด้วยไอน้ำของเชื้อเพลิงชนิดเดียวกัน^{[ 22 ]}

ต้นทุนการลงทุนของโรงงานผลิตไฮโดรเจนด้วยกระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำนั้นถือว่าสูงเกินไปสำหรับการใช้งานขนาดเล็กถึงขนาดกลาง ต้นทุนของโรงงานที่ซับซ้อนเหล่านี้ไม่สามารถลดขนาดลงได้ดี โรงงานผลิตไฮโดรเจนด้วยกระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำแบบดั้งเดิมทำงานที่ความดันระหว่าง 200 ถึง 600 psi (14–40 บาร์) โดยมีอุณหภูมิขาออกอยู่ในช่วง 815 ถึง 925  °C

• ก๊าซชีวภาพ
• ปฏิกิริยาของบูดัวร์
• การปฏิรูปตัวเร่งปฏิกิริยา
• การปฏิรูปวงจรเคมีและการทำให้เป็นแก๊ส
• การแตกตัว (ทางเคมี)
• การบีบอัดไฮโดรเจน
• เทคโนโลยีไฮโดรเจน
• ก๊าซอุตสาหกรรม
• ผู้ผลิตไฮโดรเจนเลน
• การไพโรไลซิสของมีเทน (เพื่อผลิตไฮโดรเจน)
• การออกซิเดชันบางส่วน
• โปรกซ์
• เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลแบบปรับปรุงใหม่
• วงจรเหล็กฟองน้ำรีฟอร์มเมอร์
• ซินแก๊ส
• ลำดับเหตุการณ์ของเทคโนโลยีไฮโดรเจน