氫氣生產(chǎn)工藝、環(huán)境影響與成本（二）

傳統(tǒng)蒸汽轉(zhuǎn)化爐中，主要傳熱機(jī)制是輻射，在對(duì)流段貢獻(xiàn)較小（約10%）。由于輻射是效率最低的傳熱機(jī)制，因此可以通過(guò)增加對(duì)流在整個(gè)傳熱過(guò)程中的比例提高轉(zhuǎn)化爐熱效率。對(duì)流轉(zhuǎn)化裝置中，燃燒室為水平燃燒室，頂部是垂直催化管。燃燒室單燃燒器產(chǎn)生的熱煙氣沿管外壁向上流動(dòng)，為反應(yīng)提供對(duì)流熱。反應(yīng)物在充滿(mǎn)催化劑的環(huán)形空間向下流動(dòng)，反應(yīng)產(chǎn)物在內(nèi)管中向上流動(dòng)進(jìn)行聚集。對(duì)流傳熱機(jī)制份額高于傳統(tǒng)SMR中份額，同時(shí)可顯著減少二氧化碳排放。

水煤氣轉(zhuǎn)化裝置水煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)表明，在去除二氧化碳和純化氫氣流前，可通過(guò)一氧化碳與蒸汽反應(yīng)產(chǎn)生更多氫氣。因此，來(lái)自轉(zhuǎn)化爐的過(guò)程氣體被送至發(fā)生水煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)的變換反應(yīng)器。工業(yè)水煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)可以在等溫或絕熱固定床反應(yīng)器中進(jìn)行。在等溫反應(yīng)器中，傳熱裝置埋在催化劑床中，使反應(yīng)器溫度（一般為300～310℃）幾乎恒定。在絕熱反應(yīng)器中，設(shè)備軸溫度升高使氫氣產(chǎn)率降低，通常采用兩級(jí)床間氣體冷卻裝置進(jìn)行冷卻。

第一階段是高溫水煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)，通常在370～400℃的溫度下進(jìn)行，第二階段是低溫水煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)，在約200℃溫度下進(jìn)行。氣流中殘余一氧化碳濃度為0.1%～0.3%。第一階段催化劑是鐵—鉻基催化劑，第二階段催化劑是銅-鋅基催化劑。

變壓吸附（PSA）經(jīng)過(guò)變換反應(yīng)器的粗制氫含有75%～80%的氫氣、0.1%～0.3%的一氧化碳、15%～25%的二氧化碳、1%～5%的甲烷和痕量氮?dú)狻Ｈコ龤湮廴疚镒畛Ｓ玫募兓椒ㄊ荘SA。PSA是一種再生循環(huán)過(guò)程，雜質(zhì)在相對(duì)高壓下選擇性吸附在吸附劑材料上并在低壓下釋放。吸附和解吸最小壓力比通常為4:1，可實(shí)現(xiàn)有效氫氣純化。

PSA裝置包含一系列帶有吸附材料的吸附塔。在進(jìn)料口放置一層活性炭可去除水蒸氣和二氧化碳，在純氫氣出口放置5A沸石可去除一氧化碳和甲烷，氫氣純度可達(dá)99.999%，氫氣回收率約為76%。在凈化循環(huán)中，當(dāng)初始雜質(zhì)達(dá)到預(yù)定水平時(shí)，吸附器從吸附位置切換。當(dāng)再生吸附器被加壓到吸附壓力時(shí)，將切換至吸附步驟，第一個(gè)吸附器開(kāi)始再生。PSA裝置氫氣流被送至最終用戶(hù)，PAS產(chǎn)生的尾氣（包含氫氣、二氧化碳和殘留一氧化碳）留在轉(zhuǎn)化爐輻射箱中作為燃料。

天然氣生產(chǎn)藍(lán)氫現(xiàn)代煉廠(chǎng)氫氣消耗量在4～6萬(wàn)Nm3/h，因此SMR是溫室氣體排放主要來(lái)源。通過(guò)捕集二氧化碳進(jìn)行封存或利用，可減少灰氫對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響。二氧化碳去除可以通過(guò)從過(guò)程蒸汽（燃燒前系統(tǒng)）中去除高壓二氧化碳，或者通過(guò)從煙道氣中去除低壓二氧化碳（燃燒后系統(tǒng)）。

改進(jìn)傳統(tǒng)SMR技術(shù)使其適應(yīng)高壓碳捕集工藝，碳捕集系統(tǒng)位于二氧化碳局部壓力最高的變換反應(yīng)器之后，需要更高分離驅(qū)動(dòng)力。可通過(guò)油氣行業(yè)使用的酸性氣體去除技術(shù)去除高壓二氧化碳，例如烷醇胺（甲基二乙醇胺、二異丙醇胺等）水溶液和物理溶劑（Selexol、Rectisol、Purisol、Flour溶劑）。從高壓碳捕集裝置中提取的氫氣仍含有污染物，包括泄漏的二氧化碳。因此，需要通過(guò)PSA裝置進(jìn)行提純。PSA產(chǎn)生的廢氣可作為SMR燃料。藍(lán)氫生產(chǎn)中大部分二氧化碳可被捕集。但小部分隨著轉(zhuǎn)化爐輻射部分燃燒形成的二氧化碳被排至大氣。總之，該工藝中產(chǎn)生的二氧化碳約45%被捕集。燃燒前碳捕集裝置捕集二氧化碳的成本約為50美元/噸。

二氧化碳也可在轉(zhuǎn)化爐排出的煙道氣中捕集。燃料燃燒產(chǎn)生的煙道氣和PSA尾氣進(jìn)入同一直冷器，冷卻至45℃，并在大氣壓條件下送至后燃燒系統(tǒng)。燃燒后捕集溶劑（例如烷醇胺）易受煙道氣中氧氣、硫氧化物和氮氧化物的影響。因此，必須在溶劑中添加化學(xué)添加劑，使溶劑能避免被氧氣、硫氧化物和氮氧化物降解。此外，由于二氧化碳分壓低，流經(jīng)吸收塔的氣體密度低，工藝需要更大裝置和更高溶劑循環(huán)率，工廠(chǎng)造價(jià)更高。

捕集的二氧化碳可在適當(dāng)情況下被壓縮、脫水，用于生產(chǎn)可銷(xiāo)售化學(xué)品（例如尿素），或永久儲(chǔ)存在地質(zhì)中（枯竭油氣藏、含水層或鹽堿地層），或作為原料合成燃料和建筑材料。目前，大部分捕集二氧化碳出售給石油公司用于提高石油采收率（EOR），實(shí)現(xiàn)了二氧化碳利用和封存。燃燒后碳捕集裝置捕集二氧化碳成本約為80美元/噸。

天然氣價(jià)格仍是灰氫和藍(lán)氫最大成本因素，占45%～75%。將碳捕集、利用和封存（CCUS）系統(tǒng)與SMR工藝結(jié)合后，由于二氧化碳運(yùn)輸和儲(chǔ)存，資本支出增加了約50%，經(jīng)營(yíng)性支出實(shí)現(xiàn)了翻倍。天然氣價(jià)格低廉的中東、俄羅斯和美國(guó)，藍(lán)氫生產(chǎn)成本約為1.4美元/千克。其他國(guó)家藍(lán)氫成本略高于2.4美元千克。

目前，天然氣是生產(chǎn)氫氣主要來(lái)源，SMR是石化工業(yè)中用于化學(xué)合成的成本最低工藝。但每生產(chǎn)1千克氫氣將產(chǎn)生9～10千克二氧化碳，結(jié)合CCUS裝置可降低SMR工藝環(huán)境影響。二氧化碳可以通過(guò)在蒸汽轉(zhuǎn)化爐輻射/對(duì)流末端添加高壓二氧化碳去除裝置（燃燒前系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)碳捕集，也可通過(guò)燃燒后系統(tǒng)去除90%以上的二氧化碳，但燃燒后系統(tǒng)成本遠(yuǎn)高于燃燒前系統(tǒng)。