制氫工藝技術比較

楊金濤

摘要：本文簡要介紹了幾種主要制氫工藝技術方法及生產特點，同時從原材料、經濟用氫規模等方面對幾種主要制氫方法進行了比較，并給出了今后精細化工行業中與特定規模相匹配的制氫工藝技術。

關鍵詞：制氫工藝技術方法 比較 市場

氫氣是一種重要的工業產品，它廣泛用于石油、化工、建材、冶金、電子、醫藥、電力、輕工、氣象、交通等工業部門和服務部門，由于使用要求的不同，這些部門對氫氣的純度、對所含雜質的種類和含量都有不相同的要求，特別是改革開放以來，隨著工業化的進程，大量高精產品的投產，對高純度的需求量正逐步加大，對制氫工藝和裝置的效率、經濟性、靈活性、安全都提出了更高的要求，同時也促進了新型工藝、高效率裝置的開發和投產。

一、主要制氫工藝技術方法

1.電解水制氫

水電解制氫是目前應用較廣且比較成熟的方法之一。水為原料制氫過程是氫氣與氧燃燒生成水的逆過程，因此只要提供一定形式一定的能量，則可使水分解。提供電能使水分解制得氫氣的效率一般在75～85%，其工藝過程簡單，無污染，目前國內經濟規模是300m3/h以下，主要是要求配電的功率太大，單套裝置無法實現大型化，因此其應用受到一定的限制。

2.天然氣轉化制氫

該法是在有催化劑存在下與水蒸氣反應轉化制得氫氣，反應在800～820℃下進行。用該法制得的氣體組成中，氫氣體積含量可達74%，大多數大型合成氨合成甲醇工廠均采用天然氣為原料，催化水蒸氣轉化制氫的工藝，該工藝流程復雜，投資大，能耗高，考慮到這些因素的影響，目前天然氣制氫經濟規模在1000～5000Nm3/h，而后我國曾開發間歇式天然氣蒸汽轉化制氫工藝，制取小型合成氨廠的原料，這種方法不必采用高溫合金轉化爐，裝置投資成本低。其生產成本主要取決于原料來源，我國天然氣分布不均，采用該方法受到限制。

3.煤焦化或煤氣化轉化法制氫

以煤為原料制取含氫氣體的方法主要有兩種：一是煤的焦化（或稱高溫干餾），二是煤的氣化。

3.1焦化是指煤在隔絕空氣條件下，在900～1000℃制取焦炭，副產品為焦爐煤氣，焦爐煤氣組成中含氫氣55～60%（體積）、甲烷23～27%、一氧化碳6～8%等，而后將其中的萘、硫等雜質去除，通過變壓吸附裝置將焦爐煤氣中的氫氣提純，該工藝流程復雜，投資大，規模大能耗高，同時受到焦化行業的制約。

3.2大型工業煤氣化爐如魯奇爐是一種固定床式氣化爐，所制得煤氣組成為氫氣37～39%（體積）、一氧化碳17～18%、二氧化碳32%、甲烷8～10%。我國擁有大型魯奇爐，每臺產氣量可達100000m3/h，另一種新型爐型為氣流床煤氣化爐，稱德士古煤氣化爐，用水煤漿為原料，目前已建有工業生產裝置生產合成氨、合成甲醇原料氣，其煤氣組成為氫氣35～36%（體積）、一氧化碳44～51%、二氧化碳13～18%、甲烷0.1%，甲烷含量低為其特點。采用煤氣化制氫方法，其設備費占投資主要部分，因此水煤氣制氫適合100000 m3/h以上的大型氫氣用戶，一般用于合成氨和甲醇生產中。

4.甲醇水蒸氣轉化制氫

4.1甲醇水蒸氣轉化原理及變壓吸附原理

4.1.1甲醇水蒸氣轉化原理

甲醇與脫鹽水的蒸汽混合物在轉化器中加壓加熱催化和轉化一步完成，生成以氫氣和二氧化碳為主的轉化氣（其組成為氫氣體積74.5%、二氧化碳24.5%、一氧化碳1%）。

4.1.2變壓吸附原理

變壓吸附工作原理是利用吸附劑對不同吸附質的選擇性和吸附劑對吸附質的吸附容量隨壓力變化而有差異的特性，在高壓下吸附原料中的雜質組分、低壓下脫附這些雜質而使吸附劑獲得再生。

4.2 工藝流程簡述

來自用戶的脫鹽水與回收在循環液緩沖罐中未反應的甲醇和水混合，經過循環液升壓泵加壓與來自甲醇緩沖罐經甲醇升壓泵加壓的原料甲醇按1：1的重量比混合后，進入換熱器中，與來自轉化器的轉化氣進行第一次熱交換。完成第一次熱交換后的原料液隨即進入汽化塔，在再沸器中與導熱油進行第二次熱交換完成汽化然后通過過熱器再次被加熱。轉化氣進入到PSA脫碳工序，經八塔七次均壓加抽真空變壓吸附過程，從而得到半產品氣，雜質被排放到大氣中。半產品氣進入到PSA提氫工序進一步被提純，在提氫工序經采用八塔五次均壓加抽真空變壓吸附過程，最終得到純度為99.999%以上的氫氣（一氧化碳+二氧化碳小于10ppm）。

采用甲醇水蒸氣轉化制氫技術，工藝流程簡單，投資少，操作方便靈活，制氫規模在5000～10000 Nm3/h，甲醇的消耗可降至最低，目前山西最具代表的精細化工企業山西三維集團股份有限公司將陸續建設兩套8400Nm3/h甲醇水蒸氣轉化制氫裝置，因此，該工藝技術將成為今后精細化工企業制氫技術的典范。

結論

綜上所述，隨著精細化工的行業的發展，未來市場對氫氣的需求將會日趨增多，制氫原材料的來源將制約精細化工行業的發展，由于我們國家資源、能源分布不均，特別是對于嚴重缺乏煤、石油、天然氣的地區，精細化工企業要發展和生存下去，就必須尋找出適合于企業自身的發展道路，而精細化工企業的用氫量在5000～10000Nm3/h時，甲醇水蒸氣轉化制氫技術表現出很好的技術經濟指標，今后將受到更多精細化工企業的重視，市場前景樂觀。