天然气制氢工艺探析

摘要：天然气制氢就是众多天然气产品中的一种，中原油田本身就具有丰富的天然气資源，特别是从事油气集中处理企业，在油气生产过程中，能够生产出相当规模的伴生天然气，对于天然气深加工具有得天独厚的条件，对于推进天然气制氢工艺的开发推广具有更为广泛的实际意义。

关键词：天然气；制氢；工艺

1、天然气制氢工艺原理

天然气制氢的工作原理是建立在蒸馏技术的基础上实现的工艺手法，是通过对天然气进行热加工，在变换炉中使一氧化碳变换成氢气和二氧化碳的过程。其一系列加工过程为常温减压蒸馏一天然气催化一分子裂化一再次催化重整一芳烃生产。现阶段天然气制氢工艺过程已经逐步扩建到与天然气集中开采、集中运输和集中净化等工艺手段合为一体，实现了真正意义上的规模化天然气制氢工艺手段。

2、天然气制氢的选择理论

氢作为一种二次化工产品，在医药、精细化工、电子电气等行业具有广泛的用途。特别是氢作为燃料电池的首选燃料，在未来交通和发电领域将具有广阔的市场前景，在未来能源结构中将占有越来越重要的位置。采用传统制氢的方法，如轻烃水蒸气转化制氢、水电解制氢、甲醇裂解制氢、煤汽化制氢、氨分解制氢等，技术相对成熟，但是，存在成本高、产出率低、人工效率低等“一高两低”的问题。中原油田在油气生产过程中，有干气、石脑油等烃类资源伴生，采用此类方法生产氢，可以实现资源的利用率最大化，而且伴生天然气的主要成分是甲烷，利用烃类蒸汽转化即可制成氢，且生产纯度高，生产效率高。

3、天然气水蒸汽重整制氢需解决的关键问题

天然气在制氢的过程中会发出大量的热量，因为在蒸馏的过程中会产生很多水蒸汽，那么同样在蒸馏的过程中也会吸收很多的热量，这就提升了制氢成本和能量消耗。因此，我国很多天然气制氢企业在进行技术整改的时候，会以成本作为主要难点，致力于研究和开发实现天然气制氢工艺的成本缩小，保障天然气制氢工艺的小成本生产规模，这是最需要解决的关键问题，也是最需要新技术攻破的技术攻关。

4、传统天然气制氢工艺

天然气制氢工艺由四大单元组成，主要是原料气处理、蒸汽转化、CO变换和氢气提纯四个单元，这几个单元在制氢过程中有着自己不同的作用，构成了天然气制氢技术。

4.1原料气处理单元

对于天然气制氢来说原料气处理是第一个阶段，也是初始阶段，这个阶段处理的好坏直接决定着天然气制氢的质量，这个阶段主要是脱硫，采用一些脱硫剂进行原气的脱硫，因为原料气量比较大，这就需要对其进行压缩，选择比较大的离心式压缩机比较合适，对天然气进行蒸馏之后，需要在回炉之前进行脱硫工艺。和传统的工艺制造相比较，新工艺采取了脱硫新技术，消耗原材料比原来的降低近一半的用量。原料气处理过程中蒸馏需要新技术，这种新技术有着自己的特点，在蒸馏过程中会出现催化剂加速反应，增加了脱硫效率，加速了一些特殊分子的排除，同时对对热量的二次回收既经济又环保，保障了热量不会大量流失，变换气工作实现的更加流畅。

4.2蒸汽转化单元

蒸汽转化这个单元是比较复杂的一个阶段，水蒸气是氧化剂，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。转化炉的形式和结构有着不同的特点，同时对于热补偿器及管道的固定有着不同的方式。在这个阶段基本都是采用高温转化和相对较低水炭比的工艺参数设置，能够更好地节约资源，提高企业的经济效益。

4.3 CO变换单元

在第二个单元送来的原料气含有一定量的CO，在这个单元的转化过程中在催化剂的作用下，使CO与水蒸汽反应而生成CO2和H2。在这个单元主要是以高温（350～400℃）和中低温（低于300～350℃）进行。

5、天然气制氢新工艺和新技术

5.1天然气绝热转化制氢

该技术最突出的特色是大部分原料反应本质为部分氧化反应，控速步骤已成为快速部分氧化反应，较大幅度地提高了天然气制氢装置的生产能力。天然气绝热转化制氢工艺采用廉价的空气做氧源，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。

5.2天然气部分氧化制氢

天然气催化部分氧化制合成气，相比传统的蒸汽重整方法比，该过程能耗低，采用极其廉价的耐火材料堆砌反应器，但天然气催化部分氧化制氢因大量纯氧而增加了昂贵的空分装置投资和制氧成本。采用高温无机陶瓷透氧膜作为天然气催化部分氧化的反应器，将廉价制氧与天然气催化部分氧化制氢结合同时进行。初步技术经济评估结果表明，同常规生产过程相比，其装置投资将降低约百分制将降低约25%-30%，生产成本将降低30%-50%。

5.3天然气高温裂解制氢和天然气自热重整制氢

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。中原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。

5.4氢气分离、提纯

吸附塔是交替进行吸附、解吸和吸附准备过程来达到连续产出氢气。氢气在压力一定下进人一系统富氢气自下而上通过装填有专用吸附剂的吸附塔，从吸附塔顶部收集到的产品氢气输出界外当床层中的吸附剂被饱和后，富氢气切换到其他吸附塔在吸附一解吸的过程中，吸附完毕的塔内仍留着一定压力的产品氢，利用这部分纯氢给刚解吸完毕的另外几个均压塔分别均压和冲洗，这样做不仅利用了吸附塔内残存的氢气，还减缓了吸附塔的升压速度，也就减缓了吸附塔的疲劳程度，有效达到了分离氢。

6、结束语

综上所述，天然气制氢技术对于我国来说是一项重要的工作内容，其在整体制氢系统中具有重要的战略位置，并对我国能源供给和能源消耗结构也具有很强的战略性作用。以上通过分析天然气制氢的具体流程为蒸馏、热、冷凝、汽水分离这一系列步骤，其工艺原理便是利用降压解析从而放出杂质让吸附剂得到再生，以及分析了天然气制氢的新工艺和新技术、氢气的分离与提纯等关键技术的应用，为实现天然气制氢技术进一步飞跃发展具有非常广泛的实际意义和应用价值。

参考文献：

[1]加氢制氢工艺研究[J].王培全.化工设计通讯.2017（06）.

[2]天然气催化制氢气的研究进展[J].贾秀荣.河南化工.2010（15）.

[3]大型天然气蒸汽转化制氢工艺全流程模拟及优化[J].谢东升.炼油技术与工程.2017（05）.

（作者单位：新疆美克化工股份有限公司）

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