浅谈天然气制氢工艺现状及发展

关键词：天然气制氢；工艺；现状；发展

1、传统天然气制氢工艺

天然气制氢的工艺流程由原料气处理、蒸汽转化、CO变换和氢气提纯四大单元组成。（1）原料气处理单元主要是天然气的脱硫，采用MnO和ZnO脱硫剂脱去H2S和SO2。原料气的处理量较大，因此在压缩原料气时，选择较大的离心式压缩机。（2）蒸汽转化单元。水蒸气为氧化剂，在镍催化剂的作用下将烃类物质转化，得到制取氢气的转化气。转化炉的型式、结构各有特点，上、下集气管的结构和热补偿方式以及转化管的固定方式也不同。虽然对流段换热器设置不同，在蒸汽转化单元都采用了高温转化和相对较低水碳比的工艺操作参数设置有利于转化深度的提高，从而节约原料消耗。（3）CO变换单元。转化炉送來的原料气，含一定量的CO，变换的作用是使CO在催化剂存在的条件下，与水蒸汽反应而生成CO2和H2。按照变换温度分，变换工艺可分为高温变换（350～400℃）和中温变换（低于300～350℃）。近年来，由于注重对资源的节约，在变换单元的工艺设置上，开始采用CO高温变换加低温变换的两段变换工艺设置，以近一步降低原料的消耗。（4）氢气提纯单元。各制氢公司在工艺中已采用能耗较低的变压吸附（PSA）净化分离系统代替了能耗高的脱碳净化系统和甲烷化工序，实现节能和简化流程的目标，在装置出口处可获得纯度高达99.9%的氢气。

2、传统天然气制氢工艺存在的问题

对于传统制氢工艺目前还存在一些问题，这些问题主要表现在以下几个方面：（1）经济效益比较差，传统的制氢工业成本过高，燃料成本过高，这也直接制约天然气制氢的进展，经济效益差，很多企业不愿意去做。（2）余热收集再利用不高，在制氢过程中烟道出口温度过高，导致很多热量浪费，烟道气出口温度仍然很高，浪费了大量热能。（3）制氢需要高温反应，这就需要比较昂贵的设备，否则不能满足制氢需求，同时还需要大量的燃料气，这就让企业制氢成本大增。（4）造成一定的污染，在制氢过程中会残生大量的二氧化碳，这不仅会带来资源浪费，甚至二氧化碳过量直接会影响环境。采取高效、低耗能已经成为天然气制氢发展的大趋势，大型的设备和稳定的工艺水平对工厂提出了较高的要求。当前我国在关键设备加大型转化炉及其关键配套设备、大型压缩机、大型PSA设备以及高效耐用催化剂等方面，与国际水平还有很大差距。为了缩小这个差距，我国制氢公司应该在以下几个方面发展，首先是开发相应的配套设施和工艺流程；其次大力发展科技水平，提高催化剂的利用率；再次还需要提高其他贵金属的催化剂研究水平；最后在硬件设施方面加大投入，更好地提供大型化炉和相关设备的公关。

3、天然气制氢技术发展方向

3.1高温裂解制氢技术

天然气高温裂解制氢是天然气经高温催化分解为氢和碳该过程由于不产生二氧化碳，被认为是连接化石燃料和可再生能源之间的过渡工艺过程。辽河油田对于天然气高温催化裂解制氢，广泛开展了大量研究工作，所产生的碳能够具有特定的重要用途和广阔的市场前景。

3.2自热重整制氢

这个工艺流程转变了由外部供热到内部自己提供热源，对能源利用比较合理，这个过程主要是在反应产生的热量能够被其他反应需要热量所利用，实现自身供热。这个技术的工作原理就是在反应器中耦合了一些热量，这些热量主要是天然气燃烧反应所产生，同时还可以天然气水蒸气进行反应，能够实现反应的自供热。另外，由于自热重整反应器中强放热反应和强吸热反应分步进行，这个过程仍然需要一些高端抗高温的仪器，这些仪器主要有不锈钢管，在也就增加了天然气制氢的成本，同时还有生产力低下等一下缺点。

3.3绝热转化制氢技术

绝热转化制氢技术在当前比较先进，这种技术最大的特点就是其反应原料为部分氧化反应，能够提高天然气制氢装置的能力，可以更好地控制速度步骤。天然气转化制氢工艺主要采用的是空气痒源，设计的含有氧分布器的反应器可解决催化剂床层热点问题及能量的合理分配，催化材料的反应稳定性也因床层热点降低而得到较大提高，天然气绝热转化制氢在加氢站小规模现场制氢更能体现其生产能力强的特点，并且该新工艺具有流程短和操作单元简单的优点，通过该工艺能够降低投资成本和制氢成本，能够提高企业的经济效益。

3.4天然气部分氧化制氢技术

天然气氧化制氢技术和传统的蒸汽重整方法相比，其能耗相比较而言是低的，主要采用比较低廉的耐火材料堆砌反应，但是这个过程也需要纯度比较高的氧气，这也无形中增加了制氧成本和设备成本，天然气催化部分的氧化器主要是采用了高温无机陶瓷，这样能够将廉价制氧和制氢相结合。

3.5天然气制氢工艺的价值分析

氢作为一种化工产品，再生产生活中应用非常广泛，不仅仅在轻工业同时在重工业领域应用也非常广泛，随着新能源技术的发展及人们环保意识的增强，氢作为一种可再生的资源，在生产活应用非常广泛，比如医药、电子、电气、精细化工等众多行业之中。但是，传统的制氢技术成本高，同时生产效率低下，还存在一定的污染。

4、结束语

化石资源制氢以天然气制氢最为经济与合理，世界约一半的氢是通过天然气蒸汽重整工艺生产的，该过程生产技术较为成熟，但能耗高、生产成本高，设备投资大，因此研究开发廉价的天然气制氢新工艺和新技术具有重大意义。二十一世纪的氢气市场需求特性将决定制氢技术的发展走向。随着世界范围内环境法规的日益严格以及社会对洁净的氢能源关注的加深，氢气需求将稳步增长，特别是燃料电池汽车的出现，使氢气的需求又具有分布广、小型化的特点。因此我们有理由相信在世界范围内多种制氢方法会协同发展，在电力资源丰富的地区，电解水制氢会得到较快的发展，煤气化制氢技术发展减缓，天然气蒸汽转化制氢仍将占主导地位，天然气催化裂解制氢将会因燃料电池的兴起而受到重视。