天然氣蒸汽轉化制氫工藝研究

張艷峰

（大慶化工集團甲醇分公司制氫車間，黑龍江大慶 163712）

當前，我國現代化進程不斷推進，石油資源的稀缺程度日益提升，人們已經加強了對天然氣蒸汽轉化制氫工藝的重視程度，氫氣屬于一種能量載體，其具備清潔優勢及可再生優勢，屬于十分重要的清潔能源，氫氣在工業之中用途十分廣泛，不僅可以進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行研究，并分析了相關工藝流程。

1 天然氣蒸汽轉化制氫工藝原理

依靠空氣及天然氣作為制氫工藝的應用主要原理，依靠催化劑的催化作用，以更好地實現種地溫度的變化，在溫度條件一定的情況下，壓力值處于規定值狀態下，依靠催化劑開展催化處理，以更好地進行高低溫的轉變，實現有效的脫硫處理，采取甲烷化工序進行制造，可使之形成質量合格的氫氮氣，將其在正常的生產工序之中應用，其屬于天然氣蒸汽轉化制氫最基本的技術原理[1]。這一工藝應用中，必須采取壓縮處理措施開展天然氣的處理，并依照脫硫處理方式，將水蒸氣與天然氣相結合，充分對二者進行混合后，依靠鎳的催化效用，將天然氣轉化為氫氣物質，以此依靠中低溫變化形式，幫助一氧化碳轉化為氫氣，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行干預后，進行變壓吸附干預，并進行甲烷的凈化處理，以此獲得純度較高的氫氣氣體。

2 天然氣蒸汽轉化制氫工藝流程

2.1 脫硫工藝

脫硫工藝應用中，最主要的環節就是對無機硫進行脫除后，依靠硫化氫與氧化鋅反應，使之內部形成結構穩定性較高的硫化物，以此對硫化氫開展有效的脫除干預，這一過程應用中，必須將硫的含量進行合理控制，以0.2×10-6以下為宜，反應發生過程中，成本較低，工業生產效率較高，必須合理進行精細脫硫劑的選擇，不可將其應用于較高比例的脫硫之中，無法應用于較低脫硫之中[2]。

2.2 一段、二段轉化單元

在開展一段、二段轉化過程中，必須選擇基礎原料，以天然氣為主，若是氧化劑為水蒸氣的情況下，必須采取鎳錫進行催化干預，經加熱完成后，使之形成一氧化碳氣體及二氧化碳氣體，在開展二段轉化的過程中，必須將富氧空氣加入其中，以此形成燃燒反應。在開展二段轉化干預過程中，必須將富氧空氣加入其中，以此形成燃燒反應。在這一反應發生過程中，其自身屬于吸熱反應的一種，必須依靠外部熱源供給方式對熱量方面的需求進行滿足[3]。工藝技術轉換時，氧氣與二段爐轉化氣體充分燃燒后，所產生的熱量可以為甲烷進行深度轉換后形成熱量，此情況下的余熱必須依靠一段爐對其進行供應。在此過程中，轉化爐屬于核心部件。從實際情況分析，公司類型不同，轉化爐設備特征也會存在一定差異性，其技術優勢也會存在不同程度的差異，所以在進行設備選擇過程中，必須從生產需求出發進行選擇，包括轉化管的固定類型、補償形式及應用形式等。當前，企業依靠轉化工藝對其進行設置，依靠高溫熱轉化形式，不僅可以進行天然氣原料的節約，還可以調整轉化溫度，對水碳比進行調整，一次保障轉化爐的深度能夠有所提升，促進企業經濟效益的增長。

2.3 一氧化碳變單元分析

二段轉化氣應用中，一氧化碳可受到多種催化劑影響，更好地轉變中低溫，在中低溫轉變過程中，從工藝需求出發，對溫度進行調整，必須將中溫以及高溫的變換向規定范圍內納入，對經濟效益及綜合資源節約要素進行綜合分析，依靠高溫變化工藝及低溫變換工藝，促進企業生產經營效益的增長[4]。

2.4 氫氣提純

脫碳凈化工藝及甲烷化系統工藝均屬于氫氣提純的重要工藝，脫硫干預后，大量的一氧化碳氣體與二氧化碳氣體會在低變氣中存在，受到綜合催化作用影響，會產生甲烷化反應，在逆行甲烷產品氣體生產過程中，這一反應主要以無氧反應及有氧反應兩種形式共同存在。

3 天然氣蒸汽轉化制氫特點分析

天然氣蒸汽轉化制氫技術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生的蒸汽等，對混合氣體進行預熱處理，隨后進入加熱爐內進行處理，使混合氣體達到脫硫條件，在內部進行充分混合以后，將混合氣體導入換熱反應器內，該管式容器內含有大量的催化器。在制氫工藝過程中，需要將混合氣體預熱到一定條件，然后管內的氣體與外部氣體發生熱量交換，產生一系列的反應[5]。在實際應用過程中，換熱反應器內的反應類型控制較為困難，出口部分氣體甲烷含量為30%左右，通過與氧氣含量較高的氣體進行混合，在二段爐體內發生燃燒，天然氣中的氫氣在濃度較高的氧氣作用下產生大量的熱量，為一二段爐提供所需的熱能，與此同時，出口部分的甲烷發生轉化反應。天然氣蒸汽轉化制氫主要技術特征包括以下幾點。

3.1 減少燃氣用量

在反應過程中，二段反應所產生的剩余熱量能夠為一段反應所利用，從而可以避免再次進行加熱，促進了熱量的充分利用，保證了反應過程中整體加熱性能的穩定性，可以在工藝流程中大量地減少燃氣的使用量，降低了工藝的投入成本，保證了企業的經濟效益。

3.2 轉化爐具有較小的體積

在天然氣蒸汽進行氫氣制造工藝開展的過程中，不需要對輻射面積提出過高的要求，從而減少了設備建造所需要的體積，工藝流程對引風機和對流設備的體積沒有很高的要求，因此轉化爐整體體積較小，可以滿足不同區域不同條件的生產需求。

3.3 控制過程較為簡單

在天然氣蒸汽進行制氫轉化過程中，內部反應過程較為煩瑣，然而控制過程較為簡單，難度較低，設備開始與停止過程迅速且容易操作。

3.4 減小爐管壁厚度，降低低溫段材質

在一段轉化反應進行過程中，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爐內外壓力得到穩定控制，因此，轉化爐的爐管所需設計工藝水平不必過高，對于爐管壁的厚度需求較小，尤其是低溫段對于材質的要求較低，因此，該工藝在成本控制方面的優勢較大。

3.5 二段轉化所需要的高濃度氧氣，可以通過PSA裝置獲得

天然氣蒸汽轉化制氫過程中，需要大量氧氣含量較高的氣體，該部分氣體可以通過PSA裝置獲取，也可以充分利用空氣設備。該工藝流程中，PSA設備進行氧氣制造的優點較為明顯，在能耗和控制方面具有較強的優勢，工藝所需的投資成本較低。此外，二段轉化過程中，利用PSA制氧裝置可以制造出工藝流程所需的大量氧氣，生產環節銜接緊密，設備對于工人的能力要求較低，對工人的操作水平要求不高，可以充分滿足我國的工業環境和社會分工，投資可以產生較為可觀的回報。

3.6 利用套管式換熱器

通過對我國當前的換熱器結構進行分析，主要分為容器換熱設備和套管換熱設備兩種類型。容器換熱設備主要利用浮頭類型，殼體的膨脹差比較大。套管換熱設備利用套管，解決了高溫壓力容器的弊端，實現了高溫密封情況的解決，通過在套管內安裝螺旋翅片設備進行傳熱，不僅提升了換熱效果，而且可以實現結構的簡化，增加設備的穩定性，滿足各種生產需求。

3.7 安全措施

在二段轉化爐內進行富氧混合燃燒器的配置，由于設備需要較高的精度和安裝標準，在實際使用過程中，操作人員要提高自身的操作水平，加深對設備的了解，因此，要對設備的設計進行深入研究，加強設備的管理和維護，保證設備使用的安全性。

4 天然氣蒸汽轉化制氫工藝優化策略

隨著我國煉油加工深度的提高和環保法律法規的規范，氫能源的使用將越來越多。天然氣蒸汽轉化制氫技術是未來最具有經濟價值的化石能源制氫工藝。在成熟的制氫工藝流程當中，轉化爐的形式是關鍵環節，需要根據實際情況進行調整。此外，高溫變化相對于中溫變化，在競技性和可靠性方面的優勢較為明顯。通過對天然氣蒸汽轉化制氫工藝流程的核算，可以得出優化策略[6]。①降低燃燒空氣的預熱溫度，可以增加副產外送的蒸汽量。②提高轉化器的出口溫度，會導致設備投資費用的增加。③提高水碳比例，可以保證原料消耗總量的降低。在工藝設計環節，需要根據實際情況，比如原料氣體、燃燒氣體的來源和價格，以及部分產品的成本等，根據以上結論對制氫工藝進行優化。

5 結語

氫作為二次加工產品，在醫藥領域、電子電器等領域具有廣泛的應用，是未來交通和發電領域重要的動力來源，具有廣闊的市場前景，是未來能源結構的重要組成部分。傳統的制氫工藝進行氫氣的制造過程中，會產生大量的副產品，造成能源的浪費，為社會帶來嚴重的環境問題。通過天然氣蒸汽轉化制氫工藝，可以保證副產品氣體的減少，有效降低能源的消耗。天然氣蒸汽轉化制氫工藝是較長時間內應用最為廣泛，最具經濟價值的氫氣制造方法，應對天然氣蒸汽轉化制氫工藝進行優化，保證經濟效益的最大化。