天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝研究

張艷峰

（大慶化工集團(tuán)甲醇分公司制氫車間，黑龍江大慶 163712）

當(dāng)前，我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程不斷推進(jìn)，石油資源的稀缺程度日益提升，人們已經(jīng)加強(qiáng)了對(duì)天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝的重視程度，氫氣屬于一種能量載體，其具備清潔優(yōu)勢(shì)及可再生優(yōu)勢(shì)，屬于十分重要的清潔能源，氫氣在工業(yè)之中用途十分廣泛，不僅可以進(jìn)行合成甲醇和合成氨原料氣的制作，也可在煤炭之中直接加入進(jìn)行原料氣的制作，可作為燃料池燃料氣等，本文就天然氣制氫工藝進(jìn)行研究，并分析了相關(guān)工藝流程。

1 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝原理

依靠空氣及天然氣作為制氫工藝的應(yīng)用主要原理，依靠催化劑的催化作用，以更好地實(shí)現(xiàn)種地溫度的變化，在溫度條件一定的情況下，壓力值處于規(guī)定值狀態(tài)下，依靠催化劑開(kāi)展催化處理，以更好地進(jìn)行高低溫的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)有效的脫硫處理，采取甲烷化工序進(jìn)行制造，可使之形成質(zhì)量合格的氫氮?dú)猓瑢⑵湓谡５纳a(chǎn)工序之中應(yīng)用，其屬于天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫最基本的技術(shù)原理[1]。這一工藝應(yīng)用中，必須采取壓縮處理措施開(kāi)展天然氣的處理，并依照脫硫處理方式，將水蒸氣與天然氣相結(jié)合，充分對(duì)二者進(jìn)行混合后，依靠鎳的催化效用，將天然氣轉(zhuǎn)化為氫氣物質(zhì)，以此依靠中低溫變化形式，幫助一氧化碳轉(zhuǎn)化為氫氣，這一氣體也被稱之為編花器，完成后，采取冷卻及分離措施進(jìn)行干預(yù)后，進(jìn)行變壓吸附干預(yù)，并進(jìn)行甲烷的凈化處理，以此獲得純度較高的氫氣氣體。

2 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝流程

2.1 脫硫工藝

脫硫工藝應(yīng)用中，最主要的環(huán)節(jié)就是對(duì)無(wú)機(jī)硫進(jìn)行脫除后，依靠硫化氫與氧化鋅反應(yīng)，使之內(nèi)部形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較高的硫化物，以此對(duì)硫化氫開(kāi)展有效的脫除干預(yù)，這一過(guò)程應(yīng)用中，必須將硫的含量進(jìn)行合理控制，以0.2×10-6以下為宜，反應(yīng)發(fā)生過(guò)程中，成本較低，工業(yè)生產(chǎn)效率較高，必須合理進(jìn)行精細(xì)脫硫劑的選擇，不可將其應(yīng)用于較高比例的脫硫之中，無(wú)法應(yīng)用于較低脫硫之中[2]。

2.2 一段、二段轉(zhuǎn)化單元

在開(kāi)展一段、二段轉(zhuǎn)化過(guò)程中，必須選擇基礎(chǔ)原料，以天然氣為主，若是氧化劑為水蒸氣的情況下，必須采取鎳錫進(jìn)行催化干預(yù)，經(jīng)加熱完成后，使之形成一氧化碳?xì)怏w及二氧化碳?xì)怏w，在開(kāi)展二段轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，必須將富氧空氣加入其中，以此形成燃燒反應(yīng)。在開(kāi)展二段轉(zhuǎn)化干預(yù)過(guò)程中，必須將富氧空氣加入其中，以此形成燃燒反應(yīng)。在這一反應(yīng)發(fā)生過(guò)程中，其自身屬于吸熱反應(yīng)的一種，必須依靠外部熱源供給方式對(duì)熱量方面的需求進(jìn)行滿足[3]。工藝技術(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，氧氣與二段爐轉(zhuǎn)化氣體充分燃燒后，所產(chǎn)生的熱量可以為甲烷進(jìn)行深度轉(zhuǎn)換后形成熱量，此情況下的余熱必須依靠一段爐對(duì)其進(jìn)行供應(yīng)。在此過(guò)程中，轉(zhuǎn)化爐屬于核心部件。從實(shí)際情況分析，公司類型不同，轉(zhuǎn)化爐設(shè)備特征也會(huì)存在一定差異性，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)也會(huì)存在不同程度的差異，所以在進(jìn)行設(shè)備選擇過(guò)程中，必須從生產(chǎn)需求出發(fā)進(jìn)行選擇，包括轉(zhuǎn)化管的固定類型、補(bǔ)償形式及應(yīng)用形式等。當(dāng)前，企業(yè)依靠轉(zhuǎn)化工藝對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，依靠高溫?zé)徂D(zhuǎn)化形式，不僅可以進(jìn)行天然氣原料的節(jié)約，還可以調(diào)整轉(zhuǎn)化溫度，對(duì)水碳比進(jìn)行調(diào)整，一次保障轉(zhuǎn)化爐的深度能夠有所提升，促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的增長(zhǎng)。

2.3 一氧化碳變單元分析

二段轉(zhuǎn)化氣應(yīng)用中，一氧化碳可受到多種催化劑影響，更好地轉(zhuǎn)變中低溫，在中低溫轉(zhuǎn)變過(guò)程中，從工藝需求出發(fā)，對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)整，必須將中溫以及高溫的變換向規(guī)定范圍內(nèi)納入，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益及綜合資源節(jié)約要素進(jìn)行綜合分析，依靠高溫變化工藝及低溫變換工藝，促進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)效益的增長(zhǎng)[4]。

2.4 氫氣提純

脫碳凈化工藝及甲烷化系統(tǒng)工藝均屬于氫氣提純的重要工藝，脫硫干預(yù)后，大量的一氧化碳?xì)怏w與二氧化碳?xì)怏w會(huì)在低變氣中存在，受到綜合催化作用影響，會(huì)產(chǎn)生甲烷化反應(yīng)，在逆行甲烷產(chǎn)品氣體生產(chǎn)過(guò)程中，這一反應(yīng)主要以無(wú)氧反應(yīng)及有氧反應(yīng)兩種形式共同存在。

3 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫特點(diǎn)分析

天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)需要將多種氣體混合到一起，包括天然氣、氧氣含量較高的氣體以及工藝產(chǎn)生的蒸汽等，對(duì)混合氣體進(jìn)行預(yù)熱處理，隨后進(jìn)入加熱爐內(nèi)進(jìn)行處理，使混合氣體達(dá)到脫硫條件，在內(nèi)部進(jìn)行充分混合以后，將混合氣體導(dǎo)入換熱反應(yīng)器內(nèi)，該管式容器內(nèi)含有大量的催化器。在制氫工藝過(guò)程中，需要將混合氣體預(yù)熱到一定條件，然后管內(nèi)的氣體與外部氣體發(fā)生熱量交換，產(chǎn)生一系列的反應(yīng)[5]。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，換熱反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)類型控制較為困難，出口部分氣體甲烷含量為30%左右，通過(guò)與氧氣含量較高的氣體進(jìn)行混合，在二段爐體內(nèi)發(fā)生燃燒，天然氣中的氫氣在濃度較高的氧氣作用下產(chǎn)生大量的熱量，為一二段爐提供所需的熱能，與此同時(shí)，出口部分的甲烷發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)。天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫主要技術(shù)特征包括以下幾點(diǎn)。

3.1 減少燃?xì)庥昧?/h3>

在反應(yīng)過(guò)程中，二段反應(yīng)所產(chǎn)生的剩余熱量能夠?yàn)橐欢畏磻?yīng)所利用，從而可以避免再次進(jìn)行加熱，促進(jìn)了熱量的充分利用，保證了反應(yīng)過(guò)程中整體加熱性能的穩(wěn)定性，可以在工藝流程中大量地減少燃?xì)獾氖褂昧?，降低了工藝的投入成本，保證了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 轉(zhuǎn)化爐具有較小的體積

在天然氣蒸汽進(jìn)行氫氣制造工藝開(kāi)展的過(guò)程中，不需要對(duì)輻射面積提出過(guò)高的要求，從而減少了設(shè)備建造所需要的體積，工藝流程對(duì)引風(fēng)機(jī)和對(duì)流設(shè)備的體積沒(méi)有很高的要求，因此轉(zhuǎn)化爐整體體積較小，可以滿足不同區(qū)域不同條件的生產(chǎn)需求。

3.3 控制過(guò)程較為簡(jiǎn)單

在天然氣蒸汽進(jìn)行制氫轉(zhuǎn)化過(guò)程中，內(nèi)部反應(yīng)過(guò)程較為煩瑣，然而控制過(guò)程較為簡(jiǎn)單，難度較低，設(shè)備開(kāi)始與停止過(guò)程迅速且容易操作。

3.4 減小爐管壁厚度，降低低溫段材質(zhì)

在一段轉(zhuǎn)化反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程中，二段爐出口的熱量可以得到充分利用，熱力氣體溫度的增加可以保證反應(yīng)爐內(nèi)外壓力得到穩(wěn)定控制，因此，轉(zhuǎn)化爐的爐管所需設(shè)計(jì)工藝水平不必過(guò)高，對(duì)于爐管壁的厚度需求較小，尤其是低溫段對(duì)于材質(zhì)的要求較低，因此，該工藝在成本控制方面的優(yōu)勢(shì)較大。

3.5 二段轉(zhuǎn)化所需要的高濃度氧氣，可以通過(guò)PSA裝置獲得

天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫過(guò)程中，需要大量氧氣含量較高的氣體，該部分氣體可以通過(guò)PSA裝置獲取，也可以充分利用空氣設(shè)備。該工藝流程中，PSA設(shè)備進(jìn)行氧氣制造的優(yōu)點(diǎn)較為明顯，在能耗和控制方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，工藝所需的投資成本較低。此外，二段轉(zhuǎn)化過(guò)程中，利用PSA制氧裝置可以制造出工藝流程所需的大量氧氣，生產(chǎn)環(huán)節(jié)銜接緊密，設(shè)備對(duì)于工人的能力要求較低，對(duì)工人的操作水平要求不高，可以充分滿足我國(guó)的工業(yè)環(huán)境和社會(huì)分工，投資可以產(chǎn)生較為可觀的回報(bào)。

3.6 利用套管式換熱器

通過(guò)對(duì)我國(guó)當(dāng)前的換熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，主要分為容器換熱設(shè)備和套管換熱設(shè)備兩種類型。容器換熱設(shè)備主要利用浮頭類型，殼體的膨脹差比較大。套管換熱設(shè)備利用套管，解決了高溫壓力容器的弊端，實(shí)現(xiàn)了高溫密封情況的解決，通過(guò)在套管內(nèi)安裝螺旋翅片設(shè)備進(jìn)行傳熱，不僅提升了換熱效果，而且可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，增加設(shè)備的穩(wěn)定性，滿足各種生產(chǎn)需求。

3.7 安全措施

在二段轉(zhuǎn)化爐內(nèi)進(jìn)行富氧混合燃燒器的配置，由于設(shè)備需要較高的精度和安裝標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際使用過(guò)程中，操作人員要提高自身的操作水平，加深對(duì)設(shè)備的了解，因此，要對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，加強(qiáng)設(shè)備的管理和維護(hù)，保證設(shè)備使用的安全性。

4 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝優(yōu)化策略

隨著我國(guó)煉油加工深度的提高和環(huán)保法律法規(guī)的規(guī)范，氫能源的使用將越來(lái)越多。天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)是未來(lái)最具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的化石能源制氫工藝。在成熟的制氫工藝流程當(dāng)中，轉(zhuǎn)化爐的形式是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。此外，高溫變化相對(duì)于中溫變化，在競(jìng)技性和可靠性方面的優(yōu)勢(shì)較為明顯。通過(guò)對(duì)天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝流程的核算，可以得出優(yōu)化策略[6]。①降低燃燒空氣的預(yù)熱溫度，可以增加副產(chǎn)外送的蒸汽量。②提高轉(zhuǎn)化器的出口溫度，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備投資費(fèi)用的增加。③提高水碳比例，可以保證原料消耗總量的降低。在工藝設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需要根據(jù)實(shí)際情況，比如原料氣體、燃燒氣體的來(lái)源和價(jià)格，以及部分產(chǎn)品的成本等，根據(jù)以上結(jié)論對(duì)制氫工藝進(jìn)行優(yōu)化。

5 結(jié)語(yǔ)

氫作為二次加工產(chǎn)品，在醫(yī)藥領(lǐng)域、電子電器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，是未來(lái)交通和發(fā)電領(lǐng)域重要的動(dòng)力來(lái)源，具有廣闊的市場(chǎng)前景，是未來(lái)能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分。傳統(tǒng)的制氫工藝進(jìn)行氫氣的制造過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)品，造成能源的浪費(fèi)，為社會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。通過(guò)天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝，可以保證副產(chǎn)品氣體的減少，有效降低能源的消耗。天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝是較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)應(yīng)用最為廣泛，最具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的氫氣制造方法，應(yīng)對(duì)天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝進(jìn)行優(yōu)化，保證經(jīng)濟(jì)效益的最大化。