天然氣製氫工藝與技術的綜合分析與研究

天然氣作為優質、潔淨的工業能源,在我國能源發展過程中具有重要的戰略意義。因為天然氣不僅是人們日常生活的重要燃料,同tong時shi也ye是shi眾zhong多duo化hua工gong次ci產chan品pin的de基ji礎chu性xing原yuan料liao。利li用yong天tian然ran氣qi製zhi氫qing，存cun在zai成cheng本ben低di，規gui模mo效xiao應ying顯xian著zhu等deng優you點dian
，研yan究jiu和he開kai發fa更geng為wei先xian進jin的de天tian然ran氣qi製zhi氫qing新xin工gong藝yi技ji術shu是shi解jie決jue廉lian價jia氫qing源yuan的de重zhong要yao保bao證zheng。

天(tian)然(ran)氣(qi)製(zhi)氫(qing)就(jiu)是(shi)眾(zhong)多(duo)天(tian)然(ran)氣(qi)產(chan)品(pin)中(zhong)的(de)一(yi)種(zhong)

，遼(liao)河(he)油(you)田(tian)作(zuo)為(wei)全(quan)國(guo)第(di)三(san)大(da)油(you)氣(qi)田(tian)
，本(ben)身(shen)就(jiu)具(ju)有(you)豐(feng)富(fu)的(de)天(tian)然(ran)氣(qi)資(zi)源(yuan)
，特(te)別(bie)是(shi)從(cong)事(shi)油(you)氣(qi)集(ji)中(zhong)處(chu)理(li)企(qi)業(ye)，在(zai)油(you)氣(qi)生(sheng)產(chan)過(guo)程(cheng)中(zhong)，能(neng)夠(gou)生(sheng)產(chan)出(chu)相(xiang)當(dang)規(gui)模(mo)的(de)伴(ban)生(sheng)幹(gan)氣(qi)

，對(dui)於(yu)天(tian)然(ran)氣(qi)深(shen)加(jia)工(gong)具(ju)有(you)得(de)天(tian)獨(du)厚(hou)的(de)條(tiao)件(jian)
，對(dui)於(yu)推(tui)進(jin)天(tian)然(ran)氣(qi)製(zhi)氫(qing)工(gong)藝(yi)的(de)開(kai)發(fa)推(tui)廣(guang)具(ju)有(you)更(geng)為(wei)廣(guang)泛(fan)的(de)實(shi)際(ji)意(yi)義(yi)。

　　1. 天然氣製氫工藝原理

　　A.天然氣的主要加工過程

　　包括常減壓蒸餾、催化裂化、催化重整和芳烴生產。同時，包括天然氣開采、集輸和淨化。在一定的壓力和一定的高溫及催化劑作用下
，天然氣中烷烴和水蒸氣發生化學反應。轉化氣經過費鍋換熱、進入變換爐使CO變換成H2和CO2。再經過換熱、冷凝、汽水分離，通過程序控製將氣體依序通過裝有三種特定吸附劑的吸附塔
，由變壓吸附（PSA）升壓吸附N2、CO、CH4、CO2提取產品氫氣。降壓解析放出雜質並使吸附劑得到再生.

　　B.反應式

　　CH4+H2O→CO+3H2-Q　　CO+H2O→CO2+H2+Q

　　主要技術指標

　　壓力： 1.0-2.5Mpa; 天然氣單耗: 0.5-0.56Nｍ3/ Nｍ3氫氣;電耗:　0.8-1.5/ Nｍ3氫氣; 規模:　1000 Nｍ3/h ~100000 Nｍ3/h;純度:　符合工業氫
、純氫(GB/T7445-1995);年運行時間: 大於8000h 1 　天然氣製氫的選擇理論分析

　　氫作為一種二次化工產品，在醫藥、精細化工、電dian子zi電dian氣qi等deng行xing業ye具ju有you廣guang泛fan的de用yong途tu。特te別bie是shi氫qing作zuo為wei燃ran料liao電dian池chi的de首shou選xuan燃ran料liao，在zai未wei來lai交jiao通tong和he發fa電dian領ling域yu將jiang具ju有you廣guang闊kuo的de市shi場chang前qian景jing，在zai未wei來lai能neng源yuan結jie構gou中zhong將jiang占zhan有you越yue來lai越yue重zhong要yao的de位wei置zhi。采cai用yong傳chuan統tong製zhi氫qing的de方fang法fa,如輕烴水蒸氣轉化製氫、水電解製氫、甲醇裂解製氫、煤汽化製氫、氨分解製氫等,技術相對成熟，但是，存在成本高、產出率低、人工效率低等“一高兩低”的問題。遼河油田在油氣生產過程中
，有幹氣、石腦油等烴類資源伴生,采用此類方法生產氫，可以實現資源的利用率最大化，而且伴生天然氣的主要成分是甲烷,利用烴類蒸汽轉化即可製成氫
，且生產純度高，生產效率高。

　　2.天然氣水蒸汽重整製氫需解決的關鍵問題

　　天然氣水蒸汽重整製氫需吸收大量的熱，製氫過程能耗高，燃料成本占生產成本的50－70％。遼liao河he油you田tian在zai該gai領ling域yu進jin行xing了le大da量liang有you成cheng效xiao的de研yan究jiu工gong作zuo
，在zai油you氣qi集ji輸shu企qi業ye建jian有you大da批pi工gong業ye生sheng產chan裝zhuang置zhi
，考kao慮lv到dao氫qing在zai煉lian廠chang和he未wei來lai能neng源yuan領ling域yu的de應ying用yong
，天tian然ran氣qi水shui蒸zheng氣qi轉zhuan化hua工gong藝yi技ji術shu不bu能neng滿man足zu未wei能neng滿man足zu大da規gui模mo製zhi氫qing的de要yao求qiu。因yin此ci研yan究jiu和he開kai發fa更geng為wei先xian進jin的de天tian然ran氣qi製zhi氫qing新xin工gong藝yi技ji術shu是shi解jie決jue廉lian價jia氫qing源yuan的de重zhong要yao保bao證zheng
，新xin工gong藝yi技ji術shu應ying在zai降jiang低di生sheng產chan裝zhuang置zhi投tou資zi和he減jian少shao生sheng產chan成cheng本ben方fang麵mian應ying有you明ming顯xian的de突tu破po。

　　3.天然氣製氫新工藝和新技術分析

　　A.天然氣絕熱轉化製氫

　　該技術最突出的特色是大部分原料反應本質為部分氧化反應 
，控(kong)速(su)步(bu)驟(zhou)已(yi)成(cheng)為(wei)快(kuai)速(su)部(bu)分(fen)氧(yang)化(hua)反(fan)應(ying)，較(jiao)大(da)幅(fu)度(du)地(di)提(ti)高(gao)了(le)天(tian)然(ran)氣(qi)製(zhi)氫(qing)裝(zhuang)置(zhi)的(de)生(sheng)產(chan)能(neng)力(li)。天(tian)然(ran)氣(qi)絕(jue)熱(re)轉(zhuan)化(hua)製(zhi)氫(qing)工(gong)藝(yi)采(cai)用(yong)廉(lian)價(jia)的(de)空(kong)氣(qi)做(zuo)氧(yang)源(yuan)
，設(she)計(ji)的(de)含(han)有(you)氧(yang)分(fen)布(bu)器(qi)的(de)反(fan)應(ying)器(qi)可(ke)解(jie)決(jue)催(cui)化(hua)劑(ji)床(chuang)層(ceng)熱(re)點(dian)問(wen)題(ti)及(ji)能(neng)量(liang)的(de)合(he)理(li)分(fen)配(pei)
，催(cui)化(hua)材(cai)料(liao)的(de)反(fan)應(ying)穩(wen)定(ding)性(xing)也(ye)因(yin)床(chuang)層(ceng)熱(re)點(dian)降(jiang)低(di)而(er)得(de)到(dao)較(jiao)大(da)提(ti)高(gao)，天(tian)然(ran)氣(qi)絕(jue)熱(re)轉(zhuan)化(hua)製(zhi)氫(qing)在(zai)加(jia)氫(qing)站(zhan)小(xiao)規(gui)模(mo)現(xian)場(chang)製(zhi)氫(qing)更(geng)能(neng)體(ti)現(xian)其(qi)生(sheng)產(chan)能(neng)力(li)強(qiang)的(de)特(te)點(dian)。該(gai)新(xin)工(gong)藝(yi)具(ju)有(you)流(liu)程(cheng)短(duan)和(he)操(cao)作(zuo)單(dan)元(yuan)簡(jian)單(dan)的(de)優(you)點(dian)，可(ke)明(ming)顯(xian)降(jiang)低(di)小(xiao)規(gui)模(mo)現(xian)場(chang)製(zhi)氫(qing)裝(zhuang)置(zhi)投(tou)資(zi)和(he)製(zhi)氫(qing)成(cheng)本(ben)。

　　B.天然氣部分氧化製氫

　　天(tian)然(ran)氣(qi)催(cui)化(hua)部(bu)分(fen)氧(yang)化(hua)製(zhi)合(he)成(cheng)氣(qi)，相(xiang)比(bi)傳(chuan)統(tong)的(de)蒸(zheng)汽(qi)重(zhong)整(zheng)方(fang)法(fa)比(bi)，該(gai)過(guo)程(cheng)能(neng)耗(hao)低(di)
，采(cai)用(yong)極(ji)其(qi)廉(lian)價(jia)的(de)耐(nai)火(huo)材(cai)料(liao)堆(dui)砌(qi)反(fan)應(ying)器(qi)，但(dan)天(tian)然(ran)氣(qi)催(cui)化(hua)部(bu)分(fen)氧(yang)化(hua)製(zhi)氫(qing)因(yin)大(da)量(liang)純(chun)氧(yang)而(er)增(zeng)加(jia)了(le)昂(ang)貴(gui)的(de)空(kong)分(fen)裝(zhuang)置(zhi)投(tou)資(zi)和(he)製(zhi)氧(yang)成(cheng)本(ben)。采(cai)用(yong)高(gao)溫(wen)無(wu)機(ji)陶(tao)瓷(ci)透(tou)氧(yang)膜(mo)作(zuo)為(wei)天(tian)然(ran)氣(qi)催(cui)化(hua)部(bu)分(fen)氧(yang)化(hua)的(de)反(fan)應(ying)器(qi)
，將(jiang)廉(lian)價(jia)製(zhi)氧(yang)與(yu)天(tian)然(ran)氣(qi)催(cui)化(hua)部(bu)分(fen)氧(yang)化(hua)製(zhi)氫(qing)結(jie)合(he)同(tong)時(shi)進(jin)行(xing)。初(chu)步(bu)技(ji)術(shu)經(jing)濟(ji)評(ping)估(gu)結(jie)果(guo)表(biao)明(ming)，同(tong)常(chang)規(gui)生(sheng)產(chan)過(guo)程(cheng)相(xiang)比(bi)，其(qi)裝(zhuang)置(zhi)投(tou)資(zi)將(jiang)降(jiang)低(di)約(yue)25——30％，生產成本將降低30－50％。

　　C.天然氣高溫裂解製氫

　　天然氣高溫裂解製氫是天然氣經高溫催化分解為氫和碳該過程由於不產生二氧化碳,被(bei)認(ren)為(wei)是(shi)連(lian)接(jie)化(hua)石(shi)燃(ran)料(liao)和(he)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)之(zhi)間(jian)的(de)過(guo)渡(du)工(gong)藝(yi)過(guo)程(cheng)。遼(liao)河(he)油(you)田(tian)對(dui)於(yu)天(tian)然(ran)氣(qi)高(gao)溫(wen)催(cui)化(hua)裂(lie)解(jie)製(zhi)氫(qing)

，廣(guang)泛(fan)開(kai)展(zhan)了(le)大(da)量(liang)研(yan)究(jiu)工(gong)作(zuo)，所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)碳(tan)能(neng)夠(gou)具(ju)有(you)特(te)定(ding)的(de)重(zhong)要(yao)用(yong)途(tu)和(he)廣(guang)闊(kuo)的(de)市(shi)場(chang)前(qian)景(jing)。

　　D.天然氣自熱重整製氫

　　該gai工gong藝yi同tong重zhong整zheng工gong藝yi相xiang比bi
，變bian外wai供gong熱re為wei自zi供gong熱re
，反fan應ying熱re量liang利li用yong較jiao為wei合he理li，原yuan理li是shi在zai反fan應ying器qi中zhong耦ou合he了le放fang熱re的de天tian然ran氣qi燃ran燒shao反fan應ying和he強qiang吸xi熱re的de天tian然ran氣qi水shui蒸zheng汽qi重zhong整zheng反fan應ying
，反fan應ying體ti係xi本ben身shen可ke實shi現xian自zi供gong熱re。另ling外wai


，由you於yu自zi熱re重zhong整zheng反fan應ying器qi中zhong強qiang放fang熱re反fan應ying和he強qiang吸xi熱re反fan應ying分fen步bu進jin行xing，因yin此ci反fan應ying器qi仍reng需xu耐nai高gao溫wen的de不bu修xiu鏽xiu鋼gang管guan做zuo反fan應ying器qi，這zhe就jiu使shi得de天tian然ran氣qi自zi熱re重zhong整zheng反fan應ying過guo程cheng具ju有you裝zhuang置zhi投tou資zi高gao

，生sheng產chan能neng力li低di等deng缺que點dian。

　　4．天然氣脫硫製氫技術

　　A.改革創新

　　遼河油田在原合成氨造氣工藝基礎上對轉化爐、脫硫變換、熱量回收係統等進行了大膽改革，采用創新裝置，比老工藝大為減少
，天然氣消耗也降低約1／3。技術特點 ：天然氣加壓脫硫後與水蒸汽在裝填有催化劑的特殊轉化爐裂解重整，生成氫氣
、二氧化碳和一氧化碳的轉化氣
，回收部分熱量後，經變換降低轉化氣中CO含量、變換氣再通過變壓吸附（PSA）提純得到氫氣。

　　B.主要性能指標

　　在一定壓力下，利用活性碳、矽膠
、分子篩、氧化鋁多種吸附劑組成的複合吸附床，將甲醇裂解氣
、合成氨馳放氣、煉油廠的催化裂化幹氣、變換氣、水shui煤mei氣qi和he半ban水shui煤mei氣qi等deng各ge種zhong含han氫qing氣qi源yuan中zhong雜za質zhi組zu分fen在zai較jiao低di壓ya力li下xia選xuan擇ze吸xi附fu，難nan吸xi附fu的de氫qing從cong吸xi附fu塔ta出chu口kou作zuo為wei產chan品pin氣qi輸shu出chu，以yi達da到dao提ti純chun氫qing氣qi目mu的de。

　　生產能力：根據用戶需要一般為400～20000Nm3／h;產品純度：99％～99.999％　（v／v）;　 產品壓力：1.3～2.0MPa-g.

　　C.主要技術指標

　　處理原料量：10～5000Nm／h;吸附壓力：0.8Mpa～2.4Mpa ;氫氣純度：99.9～99.99％;氫氣提取率：75～90％（視原料氣條件和產品氣要求而定）.

　　5. 氫氣分離、提純

　　吸附塔是交替進行吸附、解吸和吸附準備過程來達到連續產出氫氣。氫氣在壓力一定下進入PSA-H2係統.富氫氣自下而上通過裝填有專用吸附劑的吸附塔,從吸附塔頂部收集到的產品氫氣輸出界外.當床層中的吸附劑被CO.CH4.N2飽和後,富氫氣切換到其他吸附塔.在吸附-jiexideguochengzhong
，xifuwanbidetaneirengliuzheyidingyalidechanpinqing
，liyongzhebufenchunqinggeigangjiexiwanbidelingwaijigejunyatafenbiejunyahechongxi，zheyangzuobujinliyonglexifutaneicancundeqingqi，haijianhuanlexifutadeshengyasudu，yejiujianhuanlexifutadepilaochengdu，youxiaodadaolefenliqing,達到氫和雜質組分的分離。

　　參考文獻

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