РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПИРОЛИТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА ИЗ МЕТАНА

Разработана, изготовлена и исследована установка получения водорода из метана путем его пиролиза, включающая реактор и печь, предназначенную для его нагрева. Выполнен тепловой расчет установки с учетом теплоты, затрачиваемой на пиролиз, а также ее потерь через изоляцию и с уходящими газами при сжигании в печи метана, водорода, метано-водородной смеси, получаемой в процессе пиролиза. Выполнены расчеты по определению количества водорода, удельного расхода энергии на его получение, тепловой мощности и КПД установки при использовании в качестве топлива чистых метана и водорода, а также их смесей (70/30, 40/60). Натурные эксперименты на установке показали, что при сжигании смеси газов (60 % водорода и 40 % метана) при охлаждении уходящих газов (включающих углекислый газ и водяной пар) до температуры точки росы водяного пара получаем 0,55 кг дистиллированной воды на 1 м³ сжигаемой смеси. Анализ полученного пиролизного углерода показал       27 %-ное содержание наноматериалов (нановолокон). Для снижения температуры уходящих газов использованы калориферы, охлаждающим агентом в которых является водопроводная вода. После нагрева в калориферах она может быть использована для отопления помещений. Применение катализаторов позволило снизить температуру пиролиза от 1000 до 750 °С при 60 %-ном выходе водорода, что приводит к уменьшению расхода сжигаемой метано-водородной смеси на 40 % по сравнению с пиролизом метана при температуре 1000 °С с таким же количеством получаемого водорода. Применение метано-водородной смеси в качестве топлива газовой печи позволяет уменьшить выбросы углекислого газа в окружающую среду по сравнению с другими методами получения водорода ввиду того, что при его сгорании уходящие газы содержат лишь водяные пары.

1. Chisholm G., Zhao T., Cronin L. Hydrogen from water electrolysis. Storing Energy (Se-cond Edition). Elsevier. 2022;559–591.

2. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-824510-1.00015-5

3. Zhou Y., Li R., Zexuan Lv., Liu J., Zhou H., Xu C. Green hydrogen: A promising way to the carbon-free society. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2022;43:2–13.

4. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2022.02.001

5. Shih, A.J., Monteiro, M.C.O., Dattila, F. et al. Water electrolysis. Nat Rev Methods Primers. 2022;84(2). https://doi.org/10.1038/s43586-022-00164-0

6. Zhang H., Sun Z., Hu Y.H. Steam reforming of methane: Current states of catalyst design and process upgrading. Renewable and Sus-tainable Energy Reviews. 2021;149:111330.

7. https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111330

8. Oni A.O., Anaya K., Giwa T., Di Lullo G., Kumar A. Comparative assessment of blue hydrogen from steam methane reforming, autothermal reforming, and natural gas decomposition technologies for natu-ral gas-producing regions. Energy Conversion and Management. 2022;254:115245.

9. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.115245

10. Szablowski L., Wojcik M., Dybinski O. Review of steam methane reforming as a method of hydrogen production. Energy. 2025;316:134540. https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.134540

11. Midilli A., Kucuk H., Topal M.E., Akbulut U., Dincer I. A comprehensive review on hydrogen production from coal gasification: Challenges and Opportunities. International Journal of Hydrogen Energy. 2021;46(50):25385–25412. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.05.088

12. Kong W. et al. Biological treatment of re-fractory organic compounds in coal gasifica-tion wastewater: A review. Journal of Water Process Engineering. 2024;60:105255. https://doi.org/10.3390/pr11061765

13. Burchart D. et al. Life cycle assessment of hydrogen production from coal gasification as an alternative transport fuel. Energies. 2022;16(1):383. https://doi.org/10.3390/en16010383

14. McConnachie M., Konarova M., Smart S. Literature review of the catalytic pyrolysis of methane for hydrogen and carbon pro-duction. International Journal of Hydrogen Energy. 2023;48(46):25660–25682. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.03.123

15. Pan M., Jin C., Han B., Ye R., Zhang R., Feng G. A theoretical insight about co-pyrolysis reaction of natural gas and coal. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2023;63:220–225. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2023.05.007

16. Okeke I.J., Saville B.A., MacLean H.L. Low carbon hydrogen production in Canada via natural gas pyrolysis. International Journal of Hydrogen Energy. 2023;48(34):12581–12599. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.12.169

17. Moghaddam A. L. et al. Methane pyrolysis for hydrogen production: navigating the path to a net zero future. Energy & Environmen-tal Science. 2025;18(6);2747‒2790.

18. https://doi.org/10.1039/D4EE06191H

19. Scheiblehner D. et al. Hydrogen production by methane pyrolysis in molten binary cop-per alloys. International journal of hydro-gen energy. 2023;48(16):6233‒6243. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.08.115

20. Dinh V.N., Leahy P., McKeogh E., Murphy J., Cummins V. Development of a viability assessment model for hydrogen production from dedicated offshore wind farms. Inter-national Journal of Hydrogen Energy. 2021;46(48):24620–24631. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.04.232

21. Bharathi R.R., Sarathi R., Vinu R. Selective production of hydrogen and solid carbon via methane pyrolysis using a swirl-induced point-plane non-thermal plasma reactor. En-ergy Fuels. 2022;6(2):826–836.

22. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.1c03383

23. Uhlenbruck N., Neele B. et al. Methane py-rolysis in a liquid metal bubble column reac-tor: a model approach combining bubble dynamics with byproduct and soot for-mation. Energy Technology. 2022;10(11):2200654.

24. https://doi.org/10.1002/ente.202200654

25. Пат. RU 217185U1. Устройство для получения водорода путем термического разложения угле-водородов в реакторе с газовым нагревом / И.В. Кудинов, В.А. Кудинов, Ю.В. Великанова, А.В. Пашин, Т.Ф. Амиров, В.Д. Долгих, А.А. Пиме-нов; зарегистр. 29.12.2022; опубл. 22.03.2023.

26. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теп-лопередачи. Москва: Бастет. 2010:343.

27. Кузнецов Н.В., Митор И.Е., Дубовский В.В. Тепловой расчет котельных агрега-тов. Нормативный метод. Москва: Эко-лит. 2020:296.

28. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Москва: Альянс. 2019:576.