小型化天然氣制氫技術(shù)的研究進展與探索

王子松，王業(yè)勤，張超祥，葉根銀

(四川亞聯(lián)高科技股份有限公司，成都 610210)

0 引言

氫能被普遍認為是實現(xiàn)21 世紀人類社會低碳化的戰(zhàn)略性二次能源。氫燃料電池作為可實現(xiàn)氫能轉(zhuǎn)換的核心器件，兼具高效清潔發(fā)電與新能源大規(guī)模電解儲能2 種功能屬性，具有重要的戰(zhàn)略意義與市場價值，被包括美、中、日、歐在內(nèi)的世界主要國家和地區(qū)重點關(guān)注，吸引了大量科研資源和資本力量的集聚[1-2]。據(jù)國際氫能委員會預(yù)估，到2050 年，氫燃料電池在全球?qū)崿F(xiàn)普及應(yīng)用，氫能可滿足全球18%的能源總需求，氫能相關(guān)市場規(guī)模將超過2.5 萬億美元[3]。

近幾年，中國燃料電池汽車及加氫站迅速發(fā)展，但同時也暴露出了諸多問題，特別是與燃油汽車相比，燃料電池汽車在百公里運行成本等方面并無競爭優(yōu)勢，最大原因是燃料電池用氫氫源的成本居高不下。目前國內(nèi)普遍使用的是高壓氣態(tài)氫氣的運輸方式，氫氣儲罐壓力為20 MPaG，考慮到加氫站壓縮機的運行效率，放氫壓力僅為5 MPaG，每輛車運輸氫氣的質(zhì)量僅約為280 kg，運氫效率較低，導致單位氫氣的運輸價格居高不下。例如：廣東省佛山市的加氫價格為80 元/kg，從加氫站的運行成本分析，氫氣成本占加氫站運行成本構(gòu)成的70%以上，而氫氣的儲運成本約占氫氣成本的25%～30%[4]。因此，解決氫氣儲運成本等中間成本將有效促進氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前積極探索及示范的氫氣儲運技術(shù)包括金屬氫化物儲氫、有機液體儲氫、低溫液態(tài)儲氫等多種途徑，通過多項技術(shù)的應(yīng)用示范共同探索氫氣儲運的商業(yè)運行模式。

截至2020 年底，全世界已運行的加氫站中，約15%的加氫站采用站內(nèi)制氫的方式[5]。站內(nèi)制氫方式可以節(jié)省氫氣的儲運環(huán)節(jié)及中間成本，是加氫站氫源的主要供應(yīng)方式之一。在中國，由于氫氣屬于《危險化學品目錄》的收錄種類，因此，氫氣生產(chǎn)作為重點監(jiān)管對象，站內(nèi)制氫方式受到一定的限制。但隨著國家相關(guān)政策、行業(yè)標準規(guī)范的健全及示范項目的積極推動，站內(nèi)制氫技術(shù)將積極促進中國加氫站產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

站內(nèi)制氫技術(shù)主要包括天然氣制氫、電解水制氫、甲醇制氫、氨分解制氫，以及可再生能源的光電(化學)制氫、光催化制氫[6-7]等。其中，電解水制氫技術(shù)和氨分解制氫技術(shù)在生產(chǎn)過程中無碳排放；天然氣制氫技術(shù)及甲醇制氫技術(shù)在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生少量的碳排放；可再生能源的光電(化學)制氫、光催化制氫目前尚處于學術(shù)研究階段，暫時還沒有示范項目或者工業(yè)運行。中國的天然氣和液化天然氣(LNG)輸配系統(tǒng)發(fā)達，在沒有解決氫氣存儲問題及大規(guī)模的可再生能源制氫來臨之前，站內(nèi)小型化天然氣制氫是當前最經(jīng)濟的制氫方式[8]。

但目前加氫站主要集中在城市周邊，用地緊張，這對加氫站內(nèi)采用天然氣制氫技術(shù)提出了挑戰(zhàn)[9]。對傳統(tǒng)大型天然氣制氫裝置進行簡單小型化改造無法滿足站內(nèi)制氫的要求，需要從工藝流程、催化劑、重整反應(yīng)器、系統(tǒng)集成及控制等方面進行開發(fā)設(shè)計。本文對國內(nèi)外小型化天然氣制氫技術(shù)進行了梳理與分析，并提出一些有利于站內(nèi)小型化天然氣制氫技術(shù)發(fā)展的突破方向。

1 小型化天然氣制氫技術(shù)

1.1 天然氣制氫技術(shù)分類

天然氣制氫主要工藝單元示意圖如圖1 所示。可以將其工藝單元劃分為2 個大的工段：1)造氣單元，該單元主要完成天然氣向氫氣的轉(zhuǎn)變；2)提純單元，該單元主要實現(xiàn)氫氣的分離，以獲得高純的氫氣。

圖1 天然氣制氫主要工藝單元示意圖Fig. 1 Schematic diagram of main process units of hydrogen production by natural gas

1.1.1 造氣單元

天然氣制氫過程中，造氣單元采用的主要工藝有：天然氣水蒸氣重整反應(yīng)、部分氧化重整反應(yīng)、自熱重整反應(yīng)、等離子體重整反應(yīng)等[10-11]，如表1 所示。由于等離子體重整反應(yīng)目前還在實驗室階段，尚無工業(yè)化裝置應(yīng)用，本文不做詳細論述。

表1 天然氣制氫過程中造氣單元的主要工藝類型Table 1 Main process types of gas generating unit in hydrogen production by natural gas

在眾多工藝中，天然氣水蒸氣重整反應(yīng)是采用最多且技術(shù)最成熟的工藝，該反應(yīng)是天然氣中的烴類物質(zhì)與水蒸氣在催化劑作用下發(fā)生重整反應(yīng)生成一氧化碳、二氧化碳、氫氣等氣體，這一過程為吸熱反應(yīng)，高溫有利于反應(yīng)的進行。根據(jù)熱力學平衡概念，低壓有利于化學反應(yīng)向生成物方向進行。因此，在大規(guī)模的工業(yè)化裝置中，為節(jié)約裝置成本，主要采用高溫高壓反應(yīng)模式；而對于小型制氫裝置，為提高制氫裝置的安全性，普遍會降低制氫裝置的反應(yīng)壓力與溫度，特別是日本、荷蘭等國家采用的小型制氫裝置，均采用0.7 MPaG 的重整壓力[12]；國內(nèi)制氫裝置普遍采用的重整壓力在1.2～2.5 MPaG 之間。如果考慮到加氫站后端的氫氣增壓，制氫的壓力更高更有利于后端加壓的進行并可以節(jié)省能耗。

部分氧化重整反應(yīng)(CPOX 或者POX)是指天然氣與氧氣發(fā)生部分氧化反應(yīng)生成一氧化碳與氫氣，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)過程不需要熱源，同時還可以對外提供熱源。由于一氧化碳含量加大，一般在加氫站后端還需加入水蒸氣進行高溫變換與低溫變換反應(yīng)；每摩爾的甲烷(CH4)產(chǎn)生的氫氣比水蒸氣重整反應(yīng)少1 mol 的氫氣，即氫氣的產(chǎn)率不及水蒸氣重整。目前部分氧化重整技術(shù)還沒有實際工程應(yīng)用案例[13]。

自熱重整反應(yīng)(ATR)是將水蒸氣重整反應(yīng)與部分氧化反應(yīng)耦合的反應(yīng)，整個反應(yīng)系統(tǒng)中無需外部供熱；但是由于反應(yīng)過程復雜，該技術(shù)目前也沒有實際工程應(yīng)用案例[14]。

根據(jù)工藝不同，轉(zhuǎn)化氣內(nèi)的一氧化碳含量是不同的。在天然氣制氫的下游工段中，需要降低一氧化碳含量，普遍采用的是一氧化碳變換工藝。

根據(jù)使用溫度不同，變換反應(yīng)分為：1)中高溫變換反應(yīng)，反應(yīng)溫度為280～500 ℃，通常采用鐵鉻系催化劑，活性組分為四氧化三鐵(Fe3O4)[15]，反應(yīng)出口一氧化碳含量在1%～4%(干基)左右；2)低溫變換反應(yīng)，反應(yīng)溫度為200～250 ℃，通常采用銅系催化劑[16]，反應(yīng)出口一氧化碳含量在0.3%～1.0%(干基)左右。

目前在實際應(yīng)用中，為簡化流程，制氫裝置采用中高溫變換反應(yīng)，反應(yīng)后合成氣中一氧化碳含量在1%(干基)以上。

1.1.2 提純單元

目前中國使用的氫氣標準主要有：GB/T 37244—2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣》，其中對氫氣純度的要求并不高，只需99.97%，但是對某些雜質(zhì)組分的要求非常高，特別是要求一氧化碳含量小于0.2 ppm、硫含量小于4.0 ppb 等。目前市面已有的高純氫的標準指標難以滿足質(zhì)子膜燃料電池用氫的品質(zhì)要求，這也對氫氣提純提出了更高的要求[17]。

工業(yè)上使用的氫氣提純普遍采用的是變壓吸附工藝。變壓吸附是在較高壓力下進行吸附，在較低壓力(甚至真空狀態(tài))下使吸附的組分解析出來，使用的工藝有常壓解析(PSA)和真空解析(VPSA)。每個吸附周期的吸附時間較短，一般在幾分鐘左右，需要多個吸附塔按照一定的時間流程進行切換，以實現(xiàn)整個氫氣的提純。由于需要控制自動閥門的開閉來實現(xiàn)吸附塔的自動切換，因此吸附塔越多，采用的自動閥門也越多。自動閥門數(shù)量多，導致系統(tǒng)設(shè)計較為繁瑣，氫氣提純部分的裝置占地面積大。國外研發(fā)了一種新型的旋轉(zhuǎn)閥門，可以通過1 個閥門360°旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)多個單通道閥門的作用。

近年來，鈀膜/ 管提純一直是研究重點之一。鈀膜一般是指管式或片式的金屬鈀或鈀合金，按照結(jié)構(gòu)的不同，鈀膜可分為2 類：自支撐型和負載型( 又稱復合膜)。致密的鈀膜可以實現(xiàn)氫氣的單一透過性，因此，鈀膜的研究在氫氣提純方面具有重要的意義。另外，由于鈀膜擴散法具有獨特的純化性能，是其他物理方法或化學方法無法比擬的[18]。但鈀膜的價格昂貴，技術(shù)成熟度不高，目前還沒有大規(guī)模的應(yīng)用。

1.2 小型化天然氣制氫技術(shù)的工藝路線

國內(nèi)外主流商業(yè)化的小型化天然氣制氫工藝主要為“甲烷水蒸氣重整+一氧化碳水氣變換+變壓吸附常壓解析氫氣提純”工藝路線。四川亞聯(lián)高科技股份有限公司(下文簡稱為“亞聯(lián)高科”)與華南理工大學、中國科學院大連化學物理研究所合作開發(fā)了天然氣自熱重整耦合膜分離工藝，但目前僅進行了中試測試，技術(shù)成熟度還不能滿足工業(yè)化需求。

以城市管網(wǎng)天然氣為例，目前國內(nèi)城市天然氣管網(wǎng)為中壓管道，輸氣壓力普遍為0.3 MPaG。為防止管道輸送和使用過程中發(fā)生安全風險，燃氣公司會在燃氣天然氣門站向管道中加入具有警示作用的氣體四氫噻吩(C4H8S)。該物質(zhì)極為穩(wěn)定，因此在天然氣制氫過程中需要設(shè)置脫硫單元，把硫的含量降低至0.1 ppm(mol)以下，以免對催化劑及后端氫氣產(chǎn)品造成影響。

從系統(tǒng)反應(yīng)的壓力體系來看，在國內(nèi)，制氫裝置普遍采用的是中壓反應(yīng)，反應(yīng)壓力在1.2 MPaG 以上，中壓型的反應(yīng)器和管道尺寸相對更小，更有利于天然氣制氫小型化。在日本，采用的是小型天然氣制氫裝置，系統(tǒng)反應(yīng)壓力在1.0 MPaG 以下，后端變壓吸附壓力為0.7 MPaG，這主要與日本的監(jiān)管政策有關(guān)，即：當壓力超過1.0 MPaG 時，制氫裝置中的壓力容器屬于高壓容器，需要受到非常嚴格的監(jiān)管。

目前主流的天然氣制氫工藝流程簡圖如圖2所示。

圖2 主流的天然氣制氫工藝流程簡圖Fig. 2 Flow diagram of mainstream hydrogen production process by natural gas

如圖2 所示，城市管網(wǎng)的天然氣通過增壓后進入轉(zhuǎn)化爐的煙氣對流側(cè)進行預(yù)熱，然后進行脫硫；脫硫后的天然氣與水蒸氣混合進一步預(yù)熱，進入轉(zhuǎn)化爐的輻射轉(zhuǎn)化管內(nèi)，在轉(zhuǎn)化管內(nèi)發(fā)生重整反應(yīng)；轉(zhuǎn)化氣降溫后進入一氧化碳變換反應(yīng)，進一步降低一氧化碳的含量；變換后的轉(zhuǎn)化氣通過降溫熱量回收后進行氣液分離，冷凝液循環(huán)使用；氣體進入變壓吸附提純裝置，獲得純氫氣；變壓吸附的尾氣返回轉(zhuǎn)化爐內(nèi)作為燃料為反應(yīng)提供熱量。反應(yīng)所需要的水蒸氣由轉(zhuǎn)化氣的余熱與煙氣余熱產(chǎn)生，系統(tǒng)熱量富裕一般會有水蒸氣對外輸出。

主流的天然氣制氫工藝流程的優(yōu)點主要有：工藝體系成熟；操作性高；設(shè)備布置間距大，便于檢修。但是該工藝流程如果應(yīng)用于站內(nèi)制氫，則存在以下缺點：1)天然氣制氫系統(tǒng)占地大，加氫站內(nèi)的空間難以滿足要求；2)轉(zhuǎn)化爐高度在15 m 以上，會影響加氫站周邊環(huán)境；3)天然氣制氫系統(tǒng)會副產(chǎn)水蒸氣，但水蒸氣在加氫站無使用場景，會造成能量浪費；4)水-水蒸氣系統(tǒng)復雜，控制點多，操作難度高；5)天然氣制氫系統(tǒng)啟動升溫慢，難以滿足加氫站用氫隨機性高、波動性大的要求。

2 小型化天然氣制氫技術(shù)的突破方向

2.1 催化劑

天然氣制氫技術(shù)的催化劑主要包括脫硫劑、重整催化劑、中溫變換催化劑、吸附劑4 大類。

1)脫硫劑主要涉及有機硫及無機硫的脫除，目前采用的方式為：有機硫采用鈷鉬加氫反應(yīng)轉(zhuǎn)化為無機硫，然后通過氧化鋅、氧化錳或氧化銅等化學吸附方式去除。該原料氣需要升溫，同時要加入一定的氫氣，流程復雜。在天然氣制氫系統(tǒng)啟動過程中，由于脫硫設(shè)備的升溫時間較長，導致開機時間較長。

德國及美國等的催化劑公司開發(fā)了常溫系列脫硫劑，在常溫條件下直接可以脫除天然氣中的有機硫及無機硫，簡化了工藝流程。目前日本的ene-farm 家用天然氣燃料電池系統(tǒng)等微型的天然氣重整脫硫裝置采用了常溫脫硫技術(shù)。但此類常溫系列脫硫劑的吸附容量低，使用成本高，需要進一步改進以降低使用成本。在國內(nèi)，太原理工大學的楊超等[19]和南京工業(yè)大學的Qin 等[20]開展了常溫脫硫劑的相關(guān)研究。

2)重整催化劑的活性組分有貴金屬及非貴金屬，貴金屬主要包括銠(Rh)、釕(Ru)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、銥(Ir)等；非貴金屬包括鎳(Ni)、鈷(Co)、銅(Cu)、鐵(Fe)、鋰(Li)等。貴金屬作為活性組分，具有優(yōu)良的催化性能和抗積碳性能；但是非貴金屬具有更好的經(jīng)濟效益，因此對于非貴金屬的研究較多，研究主要集中在重整催化劑內(nèi)加入鑭(La)等金屬來提高催化劑的抗積碳性能。四川大學儲偉教授課題組[21]證實了通過在介孔二氧化硅(SiO2)負載鎳，隨后引入貴金屬鈀，可以形成均勻的氧化鎳(NiO)納米粒子，從而提高催化劑的抗燒結(jié)性能。

工業(yè)應(yīng)用方面，為實現(xiàn)節(jié)能減排目標，催化劑公司通過改進催化劑載體架構(gòu)來提高催化劑的強度和降低反應(yīng)床層助力降。德國某品牌的新型轉(zhuǎn)化催化劑通過改進三維流體仿真，優(yōu)化了催化劑的載體架構(gòu)，實現(xiàn)了床層壓降比傳統(tǒng)催化劑的床層壓降降低1/3。

3)變換催化劑中，中溫變換催化劑主要采用鐵鉻系列催化劑，低溫變換催化劑主要采用銅鋅催化劑。對于燃料電池用氫的項目，由于產(chǎn)品氫氣中對硫的要求為4 ppb(mol)，因此變換催化劑的生產(chǎn)方式需要嚴格控制硫的引入。

傳統(tǒng)的中溫變換催化劑采用硫酸亞鐵(FeSO4)作為生產(chǎn)原料，導致成品催化劑中硫含量高，在使用初期需要進行放硫處理，某些制氫裝置投入運行半年后天然氣制氫系統(tǒng)內(nèi)仍有硫殘留。為了提高變換的效率，嚴莎等[22]開發(fā)了無硫?qū)挏刈儞Q催化劑，該催化劑的使用溫度覆蓋250～450 ℃，通過工藝手段控制反應(yīng)器出口的溫度，提高一氧化碳的平衡轉(zhuǎn)化率，從而降低變換氣中一氧化碳的含量，提高天然氣制氫系統(tǒng)的反應(yīng)收率，并且此種催化劑的生產(chǎn)過程無硫無鉻，可以更有效地控制提純后氫氣中的雜質(zhì)含量。

4)吸附劑主要采用氧化鋁、硅膠、活性炭、13X 及5A 分子篩。吸附劑的性能主要向高吸附容量、易解吸、高選擇性3 個方向發(fā)展。

2.2 重整反應(yīng)器

重整反應(yīng)器是天然氣制氫技術(shù)的核心設(shè)備，構(gòu)建合理的重整反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、優(yōu)化系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)、實現(xiàn)流場及熱場最優(yōu)化布局是天然氣制氫裝置小型化、橇裝化的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的天然氣制氫裝置采用列管式重整反應(yīng)器，受熱方式為輻射傳熱；為充分實現(xiàn)火焰的輻射傳熱，反應(yīng)管較長(基本在10 m 以上)，實現(xiàn)小型化的挑戰(zhàn)較大。目前對重整反應(yīng)器的技術(shù)改進主要分為對傳統(tǒng)的列管式重整反應(yīng)進行改進開發(fā)和采用新型重整反應(yīng)器結(jié)構(gòu)2 種。

1)對傳統(tǒng)的列管式重整反應(yīng)進行改進開發(fā)。例如：德國某公司利用自身在燃燒器上的優(yōu)勢開發(fā)了FLOX?系列重整反應(yīng)器，該系列重整反應(yīng)器的優(yōu)勢在于采用內(nèi)循環(huán)燃燒器將反應(yīng)器燃燒溫度維持在相對均勻的爐內(nèi)溫度；將傳統(tǒng)的水蒸氣發(fā)生系統(tǒng)集成在反應(yīng)管內(nèi)，縮減了大量的設(shè)備及反應(yīng)器高度。丹麥某公司的HTCR 對流加熱轉(zhuǎn)化反應(yīng)器采用高溫煙氣對流傳熱，對反應(yīng)管材質(zhì)要求高。國內(nèi)亞聯(lián)高科通過控制火焰長度、縮短反應(yīng)管長度及耦合高溫煙氣對流傳熱實現(xiàn)重整反應(yīng)器的小型化。

2)采用新型重整反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。例如：西班牙Hydrogen Onsite 公司開發(fā)的膜重整反應(yīng)器、日本Osaka Gas 公司(下文簡稱為“Osaka Gas”)和美國ZTEK 公司開發(fā)的板式重整反應(yīng)器等。這些重整反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)更加緊湊，體積更小，需要開發(fā)專有的催化劑與其匹配[23]。

因為重整反應(yīng)器中涉及到傳質(zhì)、傳熱、化學反應(yīng)，純粹的經(jīng)驗及建模很難滿足設(shè)計要求，需要采用更加科學的方式對重整反應(yīng)器的整個流場、熱場及化學反應(yīng)進行模擬分析，優(yōu)化重整反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)反應(yīng)的最優(yōu)化解。

2.3 工藝流程改進

為實現(xiàn)小型化天然氣制氫，對傳統(tǒng)天然氣制氫系統(tǒng)的工藝流程進行改進。改進主要集中在采用高效的常溫脫硫劑以簡化脫硫工藝、多種熱量的耦合使用、簡化水-水蒸氣流程、高效的變壓吸附系統(tǒng)4 個方面。

1)采用高效的常溫脫硫劑以簡化脫硫工藝。目前工業(yè)化制氫裝置普遍采用的是中高溫脫硫，氣體的升溫需要一定的時間，限制了制氫裝置冷態(tài)啟動的時間。亞聯(lián)高科生產(chǎn)的一體化重整反應(yīng)器將脫硫反應(yīng)器直接置于煙道內(nèi)，雖然有效提高了脫硫反應(yīng)器的升溫時間，但是給脫硫反應(yīng)器等壓力容器的定期維護帶來了困難。采用高效的常溫脫硫劑可以簡化天然氣制氫系統(tǒng)的升溫過程，減少冷啟動過程的氮氣循環(huán)升溫過程。目前采用高效常溫脫硫劑的脫硫工藝普遍應(yīng)用于國外的小規(guī)模天然氣與燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)裝置上。隨著高效常溫脫硫劑的開發(fā)與商業(yè)化，常溫脫硫劑在天然氣制氫裝置上的使用將普遍化。

2)多種熱量的耦合使用。例如：Osaka Gas采用的天然氣制氫工藝是將脫硫與變換反應(yīng)耦合，利用變換反應(yīng)產(chǎn)生的熱量為脫硫提供熱量；亞聯(lián)高科采用控溫變換反應(yīng)器，利用飽和水控制變換反應(yīng)的溫度；希臘Helbio 公司的HIWAR 反應(yīng)系統(tǒng)將催化氧化供熱與重整反應(yīng)耦合于一體。

3)簡化水-水蒸氣流程。提高原料水的處理要求，采用耐腐蝕材質(zhì)的管道簡化原料水的脫氧系統(tǒng)；通過換熱管網(wǎng)優(yōu)化，采用即熱式水蒸氣發(fā)生器，在取消水蒸氣系統(tǒng)的同時實現(xiàn)了天然氣制氫系統(tǒng)的水蒸氣平衡。

4)高效的變壓吸附系統(tǒng)。優(yōu)化變壓吸附流程，采用更加高效的吸附劑、精準的時序控制及智能調(diào)節(jié)閥消除逆放氣，減少了緩沖罐，從而減少了裝置占用空間。由瑞必科凈化設(shè)備(上海)有限公司開發(fā)的旋轉(zhuǎn)式控制閥門，簡化了工藝的控制流程，減少了設(shè)備占用的空間。

2.4 高度集成化設(shè)計

小型化天然氣制氫裝置需要采用模塊化設(shè)計思路，各個工段根據(jù)工藝需要而集成，充分利用縱向空間，實現(xiàn)模塊化組裝，同時還需要滿足設(shè)備檢修維護的需求。

2.5 自動控制系統(tǒng)

由于民用燃料電池車輛的車流量波動性大、隨機性高，加氫站內(nèi)小型化天然氣制氫系統(tǒng)需要滿足頻繁的啟停操作及變負荷操作；同時由于加氫站內(nèi)的值守人員少，且操作人員的化工基礎(chǔ)薄弱、動手操作能力較低，因此需要簡化制氫裝置的操作要求，以面向普通的站內(nèi)操作人員普及，這對制氫裝置的自動化提出了更高的要求。

制氫裝置的自動化控制需要考慮以下2 個方面：

1)系統(tǒng)設(shè)計過程中，要考慮制氫裝置的自適應(yīng)、自我調(diào)節(jié)耦合能力，這需要從整體設(shè)計考慮。例如：制氫裝置的催化劑工作溫度范圍應(yīng)更大，催化劑適用更寬的水碳比，吸熱與放熱過程耦合無需增加控制點等。

2)通過增加控制點實現(xiàn)對制氫裝置的自動調(diào)節(jié)，小型化天然氣制氫系統(tǒng)還要考慮制氫裝置的快速啟動與熱待機功能。例如：Osaka Gas 通過超低負荷運行，將產(chǎn)生的氫氣作為天然氣制氫系統(tǒng)維持熱平衡的熱量，實現(xiàn)制氫裝置的熱待機功能；亞聯(lián)高科采用一體化反應(yīng)器，將所有的高溫區(qū)操作集成在熱盒內(nèi)，通過燃料直接燃燒的煙氣實現(xiàn)制氫裝置的熱待機功能。

2.6 脫碳系統(tǒng)的耦合

天然氣制氫過程本身存在二氧化碳的產(chǎn)生，在碳減排目標的要求下，需要在小型化天然氣制氫系統(tǒng)中耦合二氧化碳捕捉技術(shù)，以實現(xiàn)氫氣的清潔生產(chǎn)，達到碳減排的目標。

目前的脫碳技術(shù)主要有：1)濕法脫碳技術(shù)。該技術(shù)采用溶劑吸收方式將粗氫氣中的二氧化碳脫除并收集，但是該技術(shù)的脫除設(shè)備較多，占地面積大。2)變壓吸附脫碳技術(shù)。該技術(shù)普遍采用硅膠吸附劑，但是由于分離系數(shù)限制，脫碳后副產(chǎn)品二氧化碳的濃度普遍低于95%。3)膜分離技術(shù)。南京某大學正在開發(fā)一種新型的無機膜，可以實現(xiàn)氫氣與二氧化碳的分離，同時可以將該膜與變換反應(yīng)耦合，實現(xiàn)在分離的基礎(chǔ)上進行脫碳。

3 結(jié)語與展望

本文系統(tǒng)介紹了小型化天然氣制氫技術(shù)及典型的天然氣制氫路線，通過對天然氣制氫工藝各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的分析，認為天然氣制氫裝置的撬裝小型化需要對天然氣制氫的工藝、催化劑、核心的反應(yīng)設(shè)備、控制系統(tǒng)等進行優(yōu)化。以高效催化劑技術(shù)開發(fā)為基礎(chǔ)，改進催化劑體系，提高催化劑反應(yīng)的寬溫性、抗積碳性能；根據(jù)催化劑特點，有針對性的對工藝流程進行優(yōu)化與改進，強調(diào)反應(yīng)、傳質(zhì)、傳熱的耦合性，做到“1+1>2”的綜合效果。對核心的重點反應(yīng)器進行技術(shù)創(chuàng)新與開發(fā)，打破固有體系，采用流體模擬軟件對反應(yīng)器建模進行設(shè)計優(yōu)化與模擬，以實現(xiàn)高效緊湊的機構(gòu)空間及高時空產(chǎn)率。系統(tǒng)集成要充分采用模塊理念，充分利用縱向空間。通過優(yōu)化自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)智能操作，實現(xiàn)無人現(xiàn)場值守、遠程集中控制，降低人為操作的失誤率。

目前天然氣制氫還屬于藍氫范疇，應(yīng)對小型的碳捕捉技術(shù)進行研究并與天然氣制氫進行耦合，實現(xiàn)向清潔氫的轉(zhuǎn)變。隨著國內(nèi)氫能示范城市群的有序推進，氫氣需求量穩(wěn)步增長，加氫站內(nèi)小型化天然氣制氫技術(shù)將助力中國氫能產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)步前進。