淺談天然氣制氫工藝現(xiàn)狀及發(fā)展

天然氣制氫；工藝；現(xiàn)狀；發(fā)展

1、傳統(tǒng)天然氣制氫工藝

      天然氣制氫的工藝流程由原料氣處理、蒸汽轉(zhuǎn)化、CO變換和氫氣提純四大單元組成。（1）原料氣處理單元主要是天然氣的脫硫，采用MnO和ZnO脫硫劑脫去H₂S和SO₂。原料氣的處理量較大，因此在壓縮原料氣時(shí)，選擇較大的離心式壓縮機(jī)。（2）蒸汽轉(zhuǎn)化單元。水蒸氣為氧化劑，在鎳催化劑的作用下將烴類(lèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)化，得到制取氫氣的轉(zhuǎn)化氣。轉(zhuǎn)化爐的型式、結(jié)構(gòu)各有特點(diǎn)，上、下集氣管的結(jié)構(gòu)和熱補(bǔ)償方式以及轉(zhuǎn)化管的固定方式也不同。雖然對(duì)流段換熱器設(shè)置不同，在蒸汽轉(zhuǎn)化單元都采用了高溫轉(zhuǎn)化和相對(duì)較低水碳比的工藝操作參數(shù)設(shè)置有利于轉(zhuǎn)化深度的提高，從而節(jié)約原料消耗。（3）CO變換單元。轉(zhuǎn)化爐送來(lái)的原料氣，含一定量的CO，變換的作用是使CO在催化劑存在的條件下，與水蒸汽反應(yīng)而生成CO₂和H₂。按照變換溫度分，變換工藝可分為高溫變換（350～400℃）和中溫變換（低于300～350℃）。近年來(lái)，由于注重對(duì)資源的節(jié)約，在變換單元的工藝設(shè)置上，開(kāi)始采用CO高溫變換加低溫變換的兩段變換工藝設(shè)置，以近一步降低原料的消耗。（4）氫氣提純單元。各制氫公司在工藝中已采用能耗較低的變壓吸附（PSA）凈化分離系統(tǒng)代替了能耗高的脫碳凈化系統(tǒng)和甲烷化工序，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和簡(jiǎn)化流程的目標(biāo)，在裝置出口處可獲得純度高達(dá)99.9%的氫氣。

2、傳統(tǒng)天然氣制氫工藝存在的問(wèn)題

      對(duì)于傳統(tǒng)制氫工藝目前還存在一些問(wèn)題，這些問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）經(jīng)濟(jì)效益比較差，傳統(tǒng)的制氫工業(yè)成本過(guò)高，燃料成本過(guò)高，這也直接制約天然氣制氫的進(jìn)展，經(jīng)濟(jì)效益差，很多企業(yè)不愿意去做。（2）余熱收集再利用不高，在制氫過(guò)程中煙道出口溫度過(guò)高，導(dǎo)致很多熱量浪費(fèi)，煙道氣出口溫度仍然很高，浪費(fèi)了大量熱能。（3）制氫需要高溫反應(yīng)，這就需要比較昂貴的設(shè)備，否則不能滿足制氫需求，同時(shí)還需要大量的燃料氣，這就讓企業(yè)制氫成本大增。（4）造成一定的污染，在制氫過(guò)程中會(huì)殘生大量的二氧化碳，這不僅會(huì)帶來(lái)資源浪費(fèi)，甚至二氧化碳過(guò)量直接會(huì)影響環(huán)境。采取高效、低耗能已經(jīng)成為天然氣制氫發(fā)展的大趨勢(shì)，大型的設(shè)備和穩(wěn)定的工藝水平對(duì)工廠提出了較高的要求。當(dāng)前我國(guó)在關(guān)鍵設(shè)備加大型轉(zhuǎn)化爐及其關(guān)鍵配套設(shè)備、大型壓縮機(jī)、大型PSA設(shè)備以及高效耐用催化劑等方面，與國(guó)際水平還有很大差距。為了縮小這個(gè)差距，我國(guó)制氫公司應(yīng)該在以下幾個(gè)方面發(fā)展，首先是開(kāi)發(fā)相應(yīng)的配套設(shè)施和工藝流程；其次大力發(fā)展科技水平，提高催化劑的利用率；再次還需要提高其他貴金屬的催化劑研究水平；最后在硬件設(shè)施方面加大投入，更好地提供大型化爐和相關(guān)設(shè)備的公關(guān)。

3、天然氣制氫技術(shù)發(fā)展方向

3.1高溫裂解制氫技術(shù)

      天然氣高溫裂解制氫是天然氣經(jīng)高溫催化分解為氫和碳該過(guò)程由于不產(chǎn)生二氧化碳，被認(rèn)為是連接化石燃料和可再生能源之間的過(guò)渡工藝過(guò)程。遼河油田對(duì)于天然氣高溫催化裂解制氫，廣泛開(kāi)展了大量研究工作，所產(chǎn)生的碳能夠具有特定的重要用途和廣闊的市場(chǎng)前景。

3.2自熱重整制氫

      這個(gè)工藝流程轉(zhuǎn)變了由外部供熱到內(nèi)部自己提供熱源，對(duì)能源利用比較合理，這個(gè)過(guò)程主要是在反應(yīng)產(chǎn)生的熱量能夠被其他反應(yīng)需要熱量所利用，實(shí)現(xiàn)自身供熱。這個(gè)技術(shù)的工作原理就是在反應(yīng)器中耦合了一些熱量，這些熱量主要是天然氣燃燒反應(yīng)所產(chǎn)生，同時(shí)還可以天然氣水蒸氣進(jìn)行反應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)的自供熱。另外，由于自熱重整反應(yīng)器中強(qiáng)放熱反應(yīng)和強(qiáng)吸熱反應(yīng)分步進(jìn)行，這個(gè)過(guò)程仍然需要一些高端抗高溫的儀器，這些儀器主要有不銹鋼管，在也就增加了天然氣制氫的成本，同時(shí)還有生產(chǎn)力低下等一下缺點(diǎn)。

3.3絕熱轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)

      絕熱轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)在當(dāng)前比較先進(jìn)，這種技術(shù)最大的特點(diǎn)就是其反應(yīng)原料為部分氧化反應(yīng)，能夠提高天然氣制氫裝置的能力，可以更好地控制速度步驟。天然氣轉(zhuǎn)化制氫工藝主要采用的是空氣癢源，設(shè)計(jì)的含有氧分布器的反應(yīng)器可解決催化劑床層熱點(diǎn)問(wèn)題及能量的合理分配，催化材料的反應(yīng)穩(wěn)定性也因床層熱點(diǎn)降低而得到較大提高，天然氣絕熱轉(zhuǎn)化制氫在加氫站小規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)制氫更能體現(xiàn)其生產(chǎn)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，并且該新工藝具有流程短和操作單元簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)該工藝能夠降低投資成本和制氫成本，能夠提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

3.4天然氣部分氧化制氫技術(shù)

      天然氣氧化制氫技術(shù)和傳統(tǒng)的蒸汽重整方法相比，其能耗相比較而言是低的，主要采用比較低廉的耐火材料堆砌反應(yīng)，但是這個(gè)過(guò)程也需要純度比較高的氧氣，這也無(wú)形中增加了制氧成本和設(shè)備成本，天然氣催化部分的氧化器主要是采用了高溫?zé)o機(jī)陶瓷，這樣能夠?qū)⒘畠r(jià)制氧和制氫相結(jié)合。

3.5天然氣制氫工藝的價(jià)值分析

      氫作為一種化工產(chǎn)品，再生產(chǎn)生活中應(yīng)用非常廣泛，不僅僅在輕工業(yè)同時(shí)在重工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用也非常廣泛，隨著新能源技術(shù)的發(fā)展及人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，氫作為一種可再生的資源，在生產(chǎn)生活應(yīng)用非常廣泛，比如醫(yī)藥、電子、電氣、精細(xì)化工等眾多行業(yè)之中。但是，傳統(tǒng)的制氫技術(shù)成本高，同時(shí)生產(chǎn)效率低下，還存在一定的污染。

4、結(jié)束語(yǔ)

      化石資源制氫以天然氣制氫最為經(jīng)濟(jì)與合理，世界約一半的氫是通過(guò)天然氣蒸汽重整工藝生產(chǎn)的，該過(guò)程生產(chǎn)技術(shù)較為成熟，但能耗高、生產(chǎn)成本高，設(shè)備投資大，因此研究開(kāi)發(fā)廉價(jià)的天然氣制氫新工藝和新技術(shù)具有重大意義。二十一世紀(jì)的氫氣市場(chǎng)需求特性將決定制氫技術(shù)的發(fā)展走向。隨著世界范圍內(nèi)環(huán)境法規(guī)的日益嚴(yán)格以及社會(huì)對(duì)潔凈的氫能源關(guān)注的加深，氫氣需求將穩(wěn)步增長(zhǎng)，特別是燃料電池汽車(chē)的出現(xiàn)，使氫氣的需求又具有分布廣、小型化的特點(diǎn)。因此我們有理由相信在世界范圍內(nèi)多種制氫方法會(huì)協(xié)同發(fā)展，在電力資源豐富的地區(qū)，電解水制氫會(huì)得到較快的發(fā)展，煤氣化制氫技術(shù)發(fā)展減緩，天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫仍將占主導(dǎo)地位，天然氣催化裂解制氫將會(huì)因燃料電池的興起而受到重視。

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