天然氣制氫工藝設計?天然氣制氫工藝及成本分析商歡濤，徐廣坡，下面我們就來說一說關于天然氣制氫工藝設計?我們一起去了解并探讨一下這個問題吧!

天然氣制氫工藝設計

天然氣制氫工藝及成本分析

商歡濤，徐廣坡

摘要：天然氣作為一種優質、潔淨的工業能源，在我國的能源發展中具有重要的作用和地位，它不僅可以當做燃料使用，同時還是一些化工廠産品的基本原料。其中，将天然氣用作制氫時，整個工藝的成本較低、規模效用顯著，能夠廣泛應用于氫氣的生産當中。

關鍵詞：天然氣；制氫工藝；成本分析

随着能源消耗地加劇，尋找新的能源已經成為當前的一個重要任務。氫作為現今最具有發展潛力的一種能源，來源廣泛，幾乎不産生污染，轉化效率高，應用前景廣泛。利用天然氣制取氫氣，可以在一定程度上緩解我國能源危機，進一步促進我國能源利用結構的轉變。本文将重點就天然氣制氫的原理、天然氣制氫工藝和技術、天然氣制氫技術的分類天然氣制氫的成本核算等幾個方面進行詳細的研究和探讨。

1.1天然氣制氫原理

天然氣制氫工藝的原理就是先對天然氣進行預處理，然後在轉化爐中将甲烷和水蒸氣轉化為一氧化碳和氫氣等，餘熱回收後，在變換塔中将一氧化碳變換成二氧化碳和氫氣的過程，這一工藝技術的基礎是在天然氣蒸汽轉化技術的基礎上實現的。在變換塔中，在催化劑存在的條件下，控制反應溫度，轉化氣中的一氧化碳和水反應，生成氫氣和二氧化碳。

天然氣中的烷烴在适當的壓力和溫度下，就會發生一系列化學反應生成轉化氣，轉化氣再經過熱換、冷凝等過程，使氣體在自動化的控制下通過裝有多種吸附劑的PAS裝置後，一氧化碳、二氧化碳等雜質被吸附塔吸附，氫氣送往用氣單位，吸附了雜質的吸附劑，經解吸後，解析氣可送往變換爐作為燃料，吸附劑也完成再生。其主要反應式如下：

天然氣和水在800~900℃高溫和鎳催化劑的條件下反應生成一氧化碳和氫氣。反應式為：

CH4 H2O→CO H2-Q

一氧化碳和水在300-400℃條件下和鐵催化劑的條件下反應生成二氧化碳和氫氣，反應式為：

CO H2O→CO2 H2 Q

另外，在制取過程相關的技術指标要求如下：壓力一般在1.5~2.5MPa，天然氣單耗為0.4~0.5 m3/m3氫氣；運行時間：>8000h；工業規模：1000~100000 m3/h。

1.2天然氣制氫流程

天然氣的制取氫流程主要包括四個：原料氣預處理、天然氣蒸汽轉化、一氧化碳變換、氫氣提純。

首先是原料預處理步驟，這裡的預處理主要指的就是原料氣的脫硫，實際工藝運行當中一般采用天然氣钴钼加氫串聯氧化鋅作為脫硫劑将天然氣中的有機硫轉化為無機硫再進行去除。這裡處理的原料天然氣的流量較大，所以可采用壓力較高的天然氣氣源或者在選擇天然氣壓縮機的時候考慮較大的餘量。

其次就是進行天然氣蒸汽轉化的步驟，在轉化爐中采用鎳系催化劑，将天然氣中的烷烴轉化成為主要成分是一氧化碳和氫氣的原料氣。

然後就是一氧化碳變換，使其在催化劑存在的條件下和水蒸氣發生反應，從而生成氫氣和二氧化碳，得到主要成分是氫氣和二氧化碳的變換氣。根據變換溫度的不同可以将一氧化碳的變換工藝分為兩種：中溫變換、高溫變換。其中高溫變換的溫度大概在360℃左右，中溫變換的工藝大概在320℃左右。随着技術對策發展，近年來開始采用一氧化碳高溫變換加低溫變換的兩段工藝設置，這樣可以近一步節省對資源的消耗，但對于轉化氣中一氧化碳含量不高的情況，可隻采用中溫變換。

最後一個步驟就是提純氫氣，現在最常用的一種氫氣提純系統就是PAS系統，又叫變壓吸附淨化分離系統，這種系統能耗低、流程簡單、制取氫氣的純度較高，最高時氫氣的純度可達99.99%。

2.1絕熱條件下，天然氣制氫

這種天然氣制氫方式更适用于小規模的制取氫。天然氣絕熱轉化制氫将空氣作為氧氣來源，同時利用含氧分布器可以有效解決催化劑床層熱點問題和能量的分配，随着床層熱點的降低，催化材料的反應穩定性也得到較大的提高。天然氣絕熱轉化制氫工藝流程簡單、操作方便，當制氫規模較小的時候可以降低制氫成本和相應的制氫設備的投資。

2.2天然氣部分氧化制氫

天然氣部分氧化制氫的反應器采用的是高溫無機陶瓷透氧膜，與傳統的蒸汽重整制氫的方式相比較來說，天然氣部分氧化制氫工藝所消耗的能量更加少，因為它采用的是一些價格低廉的耐火材料組成的反應器。這種天然氣制氫工藝比一般的生産工藝在設備投資方面的成本降低了25%左右，生産的成本降低了40%左右，可以在一定程度上降低投資成本。

2.3天然氣高溫裂解制氫

天然氣高溫裂解制氫主要在高溫條件下，天然氣催化分解成為碳和氫，但是在這一過程中并不産生任何二氧化碳，所以一般将其認為是從化石燃料使用到可再生能源利用的過渡工藝。這種工藝目前還在研究當中，但是可以預見的是這種天然氣制氫工藝具有良好的應用前景。

2.4天然氣自熱重整制氫

天然氣自熱重整制氫的原理就是在反應器中進行放熱的天然氣燃燒反應和強吸熱的天然氣水蒸汽重整反應的耦合，這樣一來，反應器本身就要可以實現供熱，無需外界供熱，這在一定程度上降低了工藝成本。與傳統的重整工藝的外界供熱相比，它變成了自供熱，實現了反應熱量的科學利用。

通過對轉化爐、熱量回收系統等進行改造可以實現成本節約、降低對天然氣原料的消耗，這種技術通過對原料的消耗，這種技術通過對天然氣加氫脫硫和在轉化爐中放置适量的特殊催化劑進行裂解重整，生成二氧化碳、氫氣和一氧化碳的轉化氣，之後再進行熱量回收，經一氧化碳變換降低轉化氣中一氧化碳的含量、再通過PSA變壓吸附提純就可以得到純淨的氫氣。

天然氣制氫裝置中氫氣提純工藝主要是在适當條件下，将矽膠、活性炭、氧化鋁等組成吸附床，并用吸附床将變換氣中各雜質組分在适當的壓力條件下進行吸附，不易被吸附的氫氣就從吸附塔的出口輸出，從而實現氫氣的提純。這一工藝的主要性能指标和技術指标如下：1）生産能力一般在500~100000m3/h，氫氣産品的純度可達到99.99%，産品的壓力在1.5MPa左右；2）處理原料的量在20~5000m3/h，氫氣純度一般在99.9%左右，氫氣的提取率在80%左右。

4天然氣制氫工藝的成本分析

天然氣制氫成本主要包括兩個方面：一個是可變成本，這種可變成本主要指的就是電費、冷卻水費用、去離子水費用等等；另一個就是不可變成本，這主要包括維護費、辦公費、工資等等，下面本文将進行具體的介紹。

4.1可變成本

4.1.1去離子水費用

這主要就是根據實際的運行情況來确定去離子水費用，以某工廠為例，此工廠每産生1m3氫氣就會消耗1.4kg去離子水，然後根據當前的市場價知道每千克去離子水為0.05元，那麼該工廠每生産1m3的氫氣就要耗去離子水的費用為0.07元。

4.1.2冷卻水費用

冷卻水費用也是根據實際的運行情況來确定的，以某工廠為例，此工廠每産生1m3氫氣就會消耗5kg冷卻水，然後根據當前的市場價知道每千克冷卻水的價格為0.003元，那麼該工廠每生産1m3的氫氣就要耗冷卻水的費用為0.015元。

4.1.3電費

以某工廠為例，根據實際的運行情況，此工廠每産生1m3氫氣就會消耗0.34kW·h的電，電價按照0.6元/kW·h取，那麼該工廠每生産1m3的氫氣就要耗電的費用為0.204元。

4.1.4天然氣費用

天然氣費用以某工廠為例，根據實際的運行情況，此工廠每産生1m3氫氣就會消耗0.49m3的天然氣，該工廠生産1m3的氫氣要耗的天然氣的費用的計算公式如下：

C1=0.49P1

其中，C1表示标準工況下，單位量的氫氣所消耗的天然氣的費用，P1表示單位體積天然氣的價格。

最後，将上述幾個方面的花費相加，我們可以得到總的可變成本的公式：

C2=0.39 0.49P1

4.2不可變成本

4.2.1折舊費

還是以上面的工廠為例，假設此工廠的總投資I為5×107元，運行時間t為18年，折現率i取5%，總的折舊費可以根據下述公式進行計算：

C3=I（1 i）n/t

通過上式子，再代入計算公式，得到每年折舊費為292萬元。

4.2.2維修費

每生産單位量的氫氣所需的維護費是0.005元，根據下述公式對每年的維護費進行計算

C4=0.005V

其中V是每年工廠所産的氫氣量。

4.2.3員工工資

假設該項目需要15人，每個人每年的總工資包括獎金大約為100000元，那麼這一年的員工工資為1500000元。

4.2.4營銷費和管理費

營銷費為可變成本的0.025，管理費為0.035。所以，每年的管理費和營銷費的計算公式如下：

C5=0.06（0.35 0.48P1）V

所以，不可變成本就為：4400000 0.005V 0.06（0.35 0.48P1）V

從上面的公式中看出，氫氣的總成本和工廠每年的産氣量及天然氣的價格有關系。

綜上所述，天然氣制氫氣的綜合成本和項目的運行年限、天然氣的價格有關，所以，相關工程在進行天然氣制氫項目時要充分了解天然氣的價格、氫的需求量等情況。

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