隨著能源消耗地加劇，尋找新的能源已經(jīng)成為當(dāng)前的一個(gè)重要任務(wù)。氫作為現(xiàn)今最具有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N能源，來(lái)源廣泛，幾乎不產(chǎn)生污染，轉(zhuǎn)化效率高，應(yīng)用前景廣泛。利用天然氣制取氫氣，可以在一定程度上緩解我國(guó)能源危機(jī)，進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)能源利用結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。
本文將重點(diǎn)就天然氣制氫的原理、天然氣制氫工藝和技術(shù)、天然氣制氫技術(shù)的分類天然氣制氫的成本核算等幾個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)的研究和探討。
1 天然氣制氫的原理和流程
1.1 天然氣制氫原理
天然氣制氫工藝的原理就是先對(duì)天然氣進(jìn)行預(yù)處理，然后在轉(zhuǎn)化爐中將甲烷和水蒸汽轉(zhuǎn)化為一氧化碳和氫氣等，余熱回收后，在變換塔中將一氧化碳變換成二氧化碳和氫氣的過(guò)程，這一工藝技術(shù)的基礎(chǔ)是在天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。在變換塔中，在催化劑存在的條件下，控制反應(yīng)溫度，轉(zhuǎn)化氣中的一氧化碳和水反應(yīng)，生成氫氣和二氧化碳。
天然氣中的烷烴在適當(dāng)?shù)膲毫蜏囟认拢蜁?huì)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)生成轉(zhuǎn)化氣，轉(zhuǎn)化氣再經(jīng)過(guò)熱換、冷凝等過(guò)程，使氣體在自動(dòng)化的控制下通過(guò)裝有多種吸附劑的 PAS 裝置后，一氧化碳、二氧化碳等雜質(zhì)被吸附塔吸附，氫氣送往用氣單位，吸附了雜質(zhì)的吸附劑，經(jīng)解吸后，解析氣可送往變換爐作為燃料，吸附劑也完成再生。
其主要反應(yīng)式如下 ：
天然氣和水在 800~900℃高溫和氧化鎳催化劑的條件下反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣。
反應(yīng)式為 ：
CH4+H2O → CO+H2-Q
一氧化碳和水在 300-400℃條件下和三氧化二鐵催化劑的條件下反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣。
反應(yīng)式為 ：
CO+H2O → CO2+H2+Q
另外，在制取過(guò)程相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)要求如下：
壓力一般在 1.5~2.5 MPa，天然氣單耗為 0.4~0.5 m3/m3氫氣 ；運(yùn)行時(shí)間 ：>8000h ；工業(yè)規(guī)模 ：1000 m3/h~100000 m3/h。
1.2 天然氣制氫流程
天然氣的制取氫流程主要包括四個(gè) ：原料氣預(yù)處理、天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化、一氧化碳變換、氫氣提純。
首先是原料預(yù)處理步驟，這里的預(yù)處理主要指的就是原料氣的脫硫，實(shí)際工藝運(yùn)行當(dāng)中一般采用天然氣鈷鉬加氫串聯(lián)氧化鋅作為脫硫劑將天然氣中的有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)硫再進(jìn)行去除。這里處理的原料天然氣的流量較大，所以可采用壓力較高的天然氣氣源或者在選擇天然氣壓縮機(jī)的時(shí)候考慮較大的余量。
其次就是進(jìn)行天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化的步驟，在轉(zhuǎn)化爐中采用鎳系催化劑，將天然氣中的烷烴轉(zhuǎn)化成為主要成分是一氧化碳和氫氣的原料氣。
然后就是一氧化碳變換，使其在催化劑存在的條件下和水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，從而生成氫氣和二氧化碳，得到主要成分是氫氣和二氧化碳的變換氣。根據(jù)變換溫度的不同可以將一氧化碳的變換工藝分為兩種 ：中溫變換、高溫變換。其中高溫變換的溫度大概在 360℃左右，中溫變換的工藝大概在320℃左右。隨著技術(shù)對(duì)策發(fā)展，近年來(lái)開(kāi)始采用一氧化碳高溫變換加低溫變換的兩段工藝設(shè)置，這樣可以近一步節(jié)省對(duì)資源的消耗，但對(duì)于轉(zhuǎn)化氣中一氧化碳含量不高的情況，可只采用中溫變換。
最后一個(gè)步驟就是提純氫氣，現(xiàn)在最常用的一種氫氣提純系統(tǒng)就是 PAS 系統(tǒng)，又叫變壓吸附凈化分離系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能耗低、流程簡(jiǎn)單、制取氫氣的純度較高，最高時(shí)氫氣的純度可達(dá) 99.99%。
2 天然氣制氫工藝和技術(shù)
2.1 絕熱條件下，天然氣制氫
這種天然氣制氫方式更適用于小規(guī)模的制取氫。天然氣絕熱轉(zhuǎn)化制氫將空氣作為氧氣來(lái)源，同時(shí)利用含氧分布器可以有效解決催化劑床層熱點(diǎn)問(wèn)題和能量的分配，隨著床層熱點(diǎn)的降低，催化材料的反應(yīng)穩(wěn)定性也得到較大的提高。天然氣絕熱轉(zhuǎn)化制氫工藝流程簡(jiǎn)單、操作方便，當(dāng)制氫規(guī)模較小的時(shí)候可以降低制氫成本和相應(yīng)的制氫設(shè)備的投資。
2.2 天然氣部分氧化制氫
天然氣部分氧化制氫的反應(yīng)器采用的是高溫?zé)o機(jī)陶瓷透氧膜，與傳統(tǒng)的蒸汽重整制氫的方式相比較來(lái)說(shuō)，天然氣部分氧化制氫工藝所消耗的能量更加少，因?yàn)樗捎玫氖且恍﹥r(jià)格低廉的耐火材料組成的反應(yīng)器。這種天然氣制氫工藝比一般的生產(chǎn)工藝在設(shè)備投資方面的成本降低了 25% 左右，生產(chǎn)的成本降低了 40% 左右，可以在一定程度上降低投資成本。
2.3 天然氣高溫裂解制氫
天然氣高溫裂解制氫主要在高溫條件下，天然氣催化分解成為碳和氫，但是在這一過(guò)程中并不產(chǎn)生任何二氧化碳，所以一般將其認(rèn)為是從化石燃料使用到可再生能源利用的過(guò)渡工藝。這種工藝目前還在研究當(dāng)中，但是可以預(yù)見(jiàn)的是這種天然氣制氫工藝具有良好的應(yīng)用前景。
2.4 天然氣自熱重整制氫
天然氣自熱重整制氫的原理就是在反應(yīng)器中進(jìn)行放熱的天然氣燃燒反應(yīng)和強(qiáng)吸熱的天然氣水蒸汽重整反應(yīng)的耦合，這樣一來(lái)，反應(yīng)器本身就要可以實(shí)現(xiàn)供熱，無(wú)需外界供熱，這在一定程度上降低了工藝成本。與傳統(tǒng)的重整工藝的外界供熱相比，它變成了自供熱，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)熱量的科學(xué)利用。
3 天然氣制氫工藝的改進(jìn)
通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)化爐、熱量回收系統(tǒng)等進(jìn)行改造可以實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約、降低對(duì)天然氣原料的消耗，這種技術(shù)通過(guò)對(duì)天然氣加氫脫硫和在轉(zhuǎn)化爐中放置適量的特殊催化劑進(jìn)行裂解重整，生成二氧化碳、氫氣和一氧化碳的轉(zhuǎn)化氣，之后再進(jìn)行熱量回收，經(jīng)一氧化碳變換降低轉(zhuǎn)化氣中一氧化碳的含量、再通過(guò)PSA 變壓吸附提純就可以得到純凈的氫氣。
天然氣制氫裝置中氫氣提純工藝主要是在適當(dāng)條件下，將硅膠、活性炭、氧化鋁等組成吸附床，并用吸附床將變換氣中各雜質(zhì)組分在適當(dāng)?shù)膲毫l件下進(jìn)行吸附，不易被吸附的氫氣就從吸附塔的出口輸出，從而實(shí)現(xiàn)氫氣的提純。這一工藝的主要性能指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)如下：
1）生產(chǎn)能力一般在500~100000 m3/h，氫氣產(chǎn)品的純度可達(dá) 99.99%，產(chǎn)品的壓力在 1.5 MPa 左右 ；
2）處理原料的量在 20-5000 m3/h，氫氣純度一般在 99.9%左右，氫氣的提取率在 80% 左右。
4 天然氣制氫工藝的成本分析
天然氣制氫成本主要包括兩個(gè)方面 ：一個(gè)是可變成本，這種可變成本主要指的就是電費(fèi)、冷卻水費(fèi)用、去離子水費(fèi)用等等 ；另一個(gè)就是不可變成本，這主要包括維護(hù)費(fèi)、辦公費(fèi)、工資等等，下面本文將進(jìn)行具體的介紹。
4.1 可變成本
4.1.1 去離子水費(fèi)用
這主要就是根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行情況來(lái)確定去離子水費(fèi)用，以某工廠為例，此工廠每產(chǎn)生 1立方米氫氣就會(huì)消耗 1.4 Kg 去離子水，然后根據(jù)當(dāng)前的市場(chǎng)價(jià)知道每千克去離子水為 0.05 元，那么該工廠每生產(chǎn)1立方米的氫氣就要耗去離子水的費(fèi)用為 0.07 元。
4.1.2 冷卻水費(fèi)用
冷卻水費(fèi)用也是根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行情況來(lái)確定的，以某工廠為例，此工廠每產(chǎn)生 1 立方米氫氣就會(huì)消耗5Kg 冷卻水，然后根據(jù)當(dāng)前的市場(chǎng)價(jià)知道每千克冷卻水的價(jià)格為0.003 元，那么該工廠每生產(chǎn) 1立方米氫氣就要耗冷卻水的費(fèi)用為 0.015 元。
4.1.3 電費(fèi)
以某工廠為例，根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行情況，此工廠每產(chǎn)生 1立方米氫氣就會(huì)消耗 0.34kW·h 的電，電價(jià)按照0.6 元/kW·h 取，那么該工廠每生產(chǎn) 1 立方米氫氣就要耗電的費(fèi)用為 0.204 元。
4.1.4 天然氣費(fèi)用
以某工廠為例，根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行情況，此工廠每產(chǎn)生 1立方米氫氣就會(huì)消耗 0.49 立方米的天然氣，該工廠生產(chǎn) 1立方米氫氣要耗的天然氣的費(fèi)用的計(jì)算公式如下 ：
C1=0.49*P
其中，C1表示標(biāo)準(zhǔn)工況下，單位量的氫氣所消耗的天然氣的費(fèi)用，P表示單位體積天然氣的價(jià)格。
最后，將上述幾個(gè)方面的花費(fèi)相加，可以得到總的可變成本的公式 ：
C變=0.07+0.015+0.204+0.49P
=0.289+0.49P
4.2 不可變成本
4.2.1 折舊費(fèi)
還是以上面的工廠為例，假設(shè)此工廠的總投資 I 為50,000,000元，運(yùn)行時(shí)間 t 為 18 年，折現(xiàn)率 i 取5%，總的折舊費(fèi)可以根據(jù)下述公式進(jìn)行計(jì)算 ：
C3=I（1+i）n/t
通過(guò)上式子，再代入計(jì)算公式，得到每年折舊費(fèi)為292 萬(wàn)元。
4.2.2 維修費(fèi)
每生產(chǎn)單位量的氫氣所需的維護(hù)費(fèi)是 0.005 元，根據(jù)下述公式對(duì)每年的維護(hù)費(fèi)進(jìn)行計(jì)算
C4=0.005V
其中 V 是每年工廠所產(chǎn)的氫氣量（立方米/年）。
4.2.3 員工工資
假設(shè)該項(xiàng)目需要 15 人，每個(gè)人每年的總工資包括獎(jiǎng)金大約為 100.000 元，那么這一年的員工工資為1,500,000元。
4.2.4 營(yíng)銷費(fèi)和管理費(fèi)
營(yíng)銷費(fèi)為可變成本的 0.025，管理費(fèi)為 0.035。所以，每年的管理費(fèi)和營(yíng)銷費(fèi)的計(jì)算公式如下 ：
C5=0.06（0.289+0.49P）V
所以，不可變成本就為：
C固=4,420,000+0.005V+0.06（0.289+0.49P）V
總成本為C總，
C總=C變+C固=0.289+0.49P+C固/V
從上面的公式中看出，氫氣的總成本和工廠每年的產(chǎn)氣量及天然氣的價(jià)格有關(guān)系。
綜上所述，天然氣制氫氣的綜合成本和項(xiàng)目的運(yùn)行年限、天然氣的價(jià)格、年產(chǎn)能有關(guān)，所以，相關(guān)工程在進(jìn)行天然氣制氫項(xiàng)目時(shí)要充分了解天然氣的價(jià)格、氫的需求量等情況。
