制氫和合成氣裝置的脫碳技術(shù)

文/Ahlam Rais

增強型環(huán)形轉(zhuǎn)化管制氫技術(shù)，可以幫助制氫和合成氣工廠實現(xiàn)脫碳化—— 一項名為“EARTH?”的新技術(shù)被用于熱回收重整轉(zhuǎn)化工藝，有助于降低CO2排放并生產(chǎn)高效能的氫氣。科萊恩催化劑業(yè)務(wù)單元的的Stefan Gebert和德希尼布能源（Technip Energies）的Stéphane Walspurger共同闡釋了他們的新技術(shù)。

PROCESS：科萊恩和德希尼布能源的創(chuàng)新技術(shù)“EARTH?”聲稱可以生產(chǎn)高效能的藍氫。該技術(shù)是如何實現(xiàn)提供低碳氫的呢？

Gebert和Walspurger：科萊恩和德希尼布能源的EARTH?基于熱回收蒸汽甲烷重整技術(shù)，將一套組裝在蒸汽甲烷重整轉(zhuǎn)化管中的中心管組件和裝填在外部環(huán)形空間中的規(guī)整型催化劑相結(jié)合。與傳統(tǒng)重整技術(shù)相比，這一突破性的解決方案通過利用高階熱量進行蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)，從而降低生產(chǎn)氫氣的單位凈比能耗。

與使用傳統(tǒng)催化劑的標(biāo)準(zhǔn)重整裝置性能相比，在相同的氫產(chǎn)量下，EARTH?能夠減少高達10%的能耗和CO2排放。因此，在二氧化碳利用或儲存并行時，EARTH?是實現(xiàn)低能耗的藍氫生產(chǎn)的卓越技術(shù)選擇，可以實現(xiàn)高碳捕獲。通過降低燃燒功率，EARTH?可有效降低轉(zhuǎn)化煙氣中二氧化碳含量，同時有助于在相對較高的壓力下從重整裝置中捕獲CO2。

EARTH? 技術(shù)在土耳其的AkkimHyco工廠中的應(yīng)用

EARTH?是“增強型環(huán)形轉(zhuǎn)化管制氫”的首字母縮寫（Enhanced Annular Reforming Tube for Tydrogen），是一種可應(yīng)用于現(xiàn)有重整裝置或新項目的直接替代型解決方案。催化劑加載在外部環(huán)形空間中，這種獨特的設(shè)計實現(xiàn)了卓越的熱量回收，更高的產(chǎn)能，并且與傳統(tǒng)催化劑和催化管布局相比，顯著降低了壓降。

新型催化劑設(shè)計實現(xiàn)了較低的壓降、最大程度上提高活性和更佳的熱量轉(zhuǎn)移。盡管在蒸汽轉(zhuǎn)化過程中存在熱應(yīng)力和機械應(yīng)力，且EARTH 催化劑床的體積有所減小，但由于其出色的穩(wěn)定性和機械強度，該催化劑仍展現(xiàn)出了極為優(yōu)異的性能。

PROCESS：一些專家研究表明，藍氫的總二氧化碳當(dāng)量排放僅比灰氫低9%～12%。EARTH?技術(shù)如何幫助改變這種現(xiàn)狀？

Gebert和Walspurger：幾十年來，利用化石燃料制氫已經(jīng)被廣泛用于多個應(yīng)用領(lǐng)域，特別是化肥生產(chǎn)中的氨合成、甲醇合成以及諸多煉油加氫工藝。除天然氣之外，附加值低的干氣通常被選擇用作實現(xiàn)最低氫氣生產(chǎn)成本的制氫裝置原料。在工業(yè)脫碳化過程中，化石燃料和干氣重整過程二氧化碳排放量成為影響氫氣單位成本的重要參數(shù)。

此外，當(dāng)天然氣用于制氫時，在量化氫氣的碳排放時，需要考量與整個制氫過程中的上游生產(chǎn)、運輸和天然氣轉(zhuǎn)化以及下游壓縮工段及氫氣和二氧化碳運輸相關(guān)的排放。基于實際的生產(chǎn)和運輸基礎(chǔ)設(shè)施的排放測量數(shù)據(jù)的表明，在天然氣制氫生產(chǎn)過程中只要制定適當(dāng)?shù)姆ㄒ?guī)和激勵措施，碳排放仍然保持較低水平。

通過使用EARTH?這樣的熱回收技術(shù)，蒸汽轉(zhuǎn)化器的設(shè)計可以實現(xiàn)最大的碳氫化合物到氫的轉(zhuǎn)化，同時確保沒有過多的蒸汽產(chǎn)生。換句話說，EARTH?使我們能夠在每單位生產(chǎn)的氫氣中實現(xiàn)非常低的化石原料消耗，并因此有助于減少每單位氫氣產(chǎn)生的二氧化碳排放。

考慮到上游的能量消耗，EARTH?技術(shù)可以幫助運營商通過最大化的降低化石原料的消耗、生產(chǎn)過程中的碳排放以及CC（U）S所需能量等來減少制氫過程中的碳足跡。回收性重整技術(shù)是蒸汽重整器工藝中的關(guān)鍵技術(shù)之一，可實現(xiàn)高達99%的CO2捕獲率。

PROCESS：EARTH?技術(shù)還有哪些優(yōu)勢？

Gebert和Walspurger：EARTH?是一種可應(yīng)用于現(xiàn)有重整裝置或新項目設(shè)計的直接替代型解決方案。對于現(xiàn)有的蒸汽重整裝置而言，生產(chǎn)商可在最大程度上減少能源消耗和二氧化碳排放的同時，通過保持當(dāng)前的成本和工藝條件，將工廠的產(chǎn)量和能力提升達20%。這種產(chǎn)能增加可以與在蒸汽重整裝置上實施二氧化碳捕集策略相結(jié)合，目的是減少轉(zhuǎn)化裝置運行中的二氧化碳排放，并生產(chǎn)額外的低碳氫。

另一個好處是實現(xiàn)了更低強度的點火要求，減輕了轉(zhuǎn)化管材料和出口系統(tǒng)中的機械應(yīng)力。這些關(guān)鍵組件暴露在相對更溫和的溫度條件下，從而延長了使用壽命，降低了維護和更換成本。由于轉(zhuǎn)化爐出口系統(tǒng)通常限制了轉(zhuǎn)化的強度，EARTH?技術(shù)提供的較低溫度可實現(xiàn)高轉(zhuǎn)化率（低甲烷出口濃度）和低蒸汽碳比方面質(zhì)的提升,從而顯著降低運營成本，提高蒸汽重整過程的能源效率。

PROCESS：EARTH?技術(shù)在使用輸入材料方面的靈活性如何？

Gebert和Walspurger：EARTH?技術(shù)被設(shè)計為一種直接替代型解決方案，可與新建或現(xiàn)有的蒸汽轉(zhuǎn)化管良好兼容，爐內(nèi)的進口和出口部分位于爐體的相對兩端，因此無需對轉(zhuǎn)化催化劑管進行任何修改造。其安裝不需要額外的空間，并且安裝時間與典型的催化劑更換相當(dāng)。這些管道可以根據(jù)要求預(yù)先裝填催化劑。這使得EARTH?比U型回?zé)徂D(zhuǎn)化管更具靈活性，后者在現(xiàn)有的轉(zhuǎn)化爐中受到諸多限制。

此外，內(nèi)部布局和催化劑的分布可以根據(jù)工廠特定的工藝條件和生產(chǎn)目標(biāo)進行定制，從而在設(shè)計和運行條件方面提供了高度的靈活性。

綜上，EARTH?催化劑壽命將明顯優(yōu)于常規(guī)形狀的陶瓷基轉(zhuǎn)化催化劑，主要歸功于新的催化劑與EARTH?列管及管內(nèi)件的有機耦合。在轉(zhuǎn)化裝置事后分析來看，床層壓降及列管收縮易導(dǎo)致常規(guī)轉(zhuǎn)化催化劑破碎。但使用EARTH?特殊結(jié)構(gòu)的催化劑后，不會出現(xiàn)隨著時間的推移而壓降增加的現(xiàn)象。

PROCESS：將EARTH?技術(shù)整合到現(xiàn)有工廠的投資成本是多少？ 集成到新工廠的成本又是多少？您對攤銷期有何看法？

Gebert和Walspurger：對于一個新的工廠，EARTH?技術(shù)沒有額外的成本，因為該技術(shù)既可以減小蒸汽重整裝置的尺寸，同時又可以減少碳捕獲技術(shù)（包含過程氣體和/或煙氣碳捕獲）的投資，以及減少實現(xiàn)無蒸汽出口的制氫裝置的投資。

總的來說，由于EARTH?技術(shù)可以根據(jù)客戶的需求進行高度定制，因此通常在1～2年內(nèi)可以實現(xiàn)成本回收。EARTH?不單純是一種催化劑技術(shù)，因此無法與其他的催化劑技術(shù)進行一對一比較。還在降低運營成本以及降低烴消耗和碳足跡方面帶來了額外的效益。

當(dāng)EARTH?技術(shù)進一步與脫碳裝置結(jié)合時，其優(yōu)勢會顯著增加，因為裝置內(nèi)燃燒量的減少還將減少與脫碳相關(guān)的額外投資。對于提高產(chǎn)能的場景下，EARTH?技術(shù)還可以對裝置的其余部分以最少的修改以實現(xiàn)翻新，因此與其他替代方案相比，回報期非常短。

PROCESS：是否可以將催化劑與Technip Energies以外的其他蒸汽轉(zhuǎn)化技術(shù)結(jié)合使用？

Gebert和Walspurger：可以的，由于EARTH?設(shè)計可以根據(jù)特定客戶需求進行優(yōu)化，因此它可以作為直接替代型解決方案，應(yīng)用于現(xiàn)有所有轉(zhuǎn)化管使用內(nèi)徑大于4英寸（100 mm）的轉(zhuǎn)化裝置，其中氣體進口位于頂部，出口位于底部。更小的直徑也是可行的，只需要進行一些額外的檢查和確認。

EARTH?技術(shù)的實施與重整裝置的燃燒類型無關(guān)（頂燃式、底燃式、側(cè)燃式或臺階式壁燃式）。在考慮到提高產(chǎn)能或改用藍氨或藍色甲醇的氨或甲醇生產(chǎn)裝置中，EARTH?技術(shù)可能為一段轉(zhuǎn)化裝置與下游的二段轉(zhuǎn)化或自熱轉(zhuǎn)化裝置帶來非常顯著的附加價值。

PROCESS：藍氫項目正在尋找有效的技術(shù)以進一步減少其碳排放。您是否正在與任何公司或項目就您的技術(shù)進行洽談？

Gebert和Walspurger：前兩個大型項目已經(jīng)成功完成，分別是在歐洲一家現(xiàn)有裝置的產(chǎn)能提升以及西班牙卡塔赫納的Repsol煉油廠擴建項目的一部分的新建裝置。我們正在尋找多個藍氫的商業(yè)機會，并與客戶討論EARTH?技術(shù)這一充滿吸引力的解決方案。這是一個在短期到中期內(nèi)可能增長的市場。目前，涉及這些商業(yè)機會的公司和項目是保密的，但其中包括了一些重要的行業(yè)參與者。

EARTH?技術(shù)正在被考慮用于基層應(yīng)用的藍氫工廠以及對現(xiàn)有的灰氫資產(chǎn)進行改造，以轉(zhuǎn)換為藍氫。對于基層應(yīng)用，這項技術(shù)能夠降低碳氫化合物的消耗，從而減少捕獲的二氧化碳流量，降低了下游碳捕獲利用和儲存CC（U）S所需的投資。它可以實現(xiàn)高達99%的碳捕獲率。

在改造應(yīng)用中，預(yù)計EARTH?技術(shù)將在分階段的投資中發(fā)揮作用，以實現(xiàn)高碳捕獲率。顯然，EARTH?技術(shù)可以通過快速實施并對裝置中的其余部分影響最小的條件下，迅速減少多達10%的碳足跡。同時，通過應(yīng)用協(xié)同設(shè)計變更以及增加碳捕獲裝置，可以實現(xiàn)高達99%以上的碳捕獲率。EARTH?技術(shù)通過降低總體碳氫化合物的消耗，既降低了進一步的投資成本，也降低了運營成本。

PROCESS：您是否觀察到市場對EARTH?技術(shù)的需求較高？

Gebert和Walspurger：我們深信，EARTH?技術(shù)是一項充滿吸引力的技術(shù)，它可用于現(xiàn)有制氫和合成氣裝置以及新興的藍氫應(yīng)用的脫碳。目前其市場接受度非常積極，這使得科萊恩和德希尼布能源公司能夠?qū)嵤┖徒⑵鹕a(chǎn)能力和供應(yīng)鏈，以滿足后續(xù)更多客戶的需求。此外，我們已經(jīng)交付了兩套商業(yè)業(yè)績，完美驗證了EARTH?技術(shù)的價值主張。

隨著低碳氫市場的發(fā)展，現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施和諸如煉油和石化裝置中的蒸汽重整裝置等重要資產(chǎn)將有眾多機會通過EARTH?技術(shù)進一步發(fā)掘干氣和天然氣原料的脫碳潛力。我們預(yù)計EARTH?技術(shù)將迅速在全球制氫行業(yè)中占據(jù)重要地位。在未來幾年內(nèi)，我們可以利用這一創(chuàng)新技術(shù)為眾多工廠提供服務(wù)，無論是小型還是世界級的蒸汽重整裝置。

增強型環(huán)形轉(zhuǎn)化管制氫（EARTH?技術(shù)）