天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝研究

張艷峰

摘 要：天然氣屬于新能源的一種，天然氣的應(yīng)用，可極大程度降低石油及煤炭的應(yīng)用量，解決環(huán)境污染問題。由于天然氣屬于清潔能源的一種，天然氣的應(yīng)用，可縮減粉塵及二氧化硫的排放量，天然氣屬于高效環(huán)保制氫原料的一種，其在生產(chǎn)生 活中廣泛應(yīng)用。天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝應(yīng)用中，必須開展天然氣的脫硫干預(yù)，并將其制成一氧化碳、氫氣及二氧化碳，最終 對氫氣進(jìn)行提純，主要對天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝展開論述分析。

關(guān)鍵詞：天然氣 ；蒸汽轉(zhuǎn)化 ；制氫工藝

     當(dāng)前，我國現(xiàn)代化進(jìn)程不斷推進(jìn)，石油資源的稀缺程度日益提升，人們已經(jīng)加強(qiáng)了對天然氣蒸汽轉(zhuǎn)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(yōu)勢及可再生優(yōu)勢，屬于十分重要的清潔能源，氫氣在工業(yè)之中用途十分廣泛，不僅可以進(jìn)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(jìn)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(jìn)行研究，并分析了相關(guān)工藝流程。

1 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝原理

     依靠空氣及天然氣作為制氫工藝的應(yīng)用主要原理，依靠催化劑的催化作用，以更好地實現(xiàn)種地溫度的變化，在溫度條件一定的情況下，壓力值處于規(guī)定值狀態(tài)下，依靠催化劑開展催化處理，以更好地進(jìn)行高低溫的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)有效的脫硫處理，采取甲烷化工序進(jìn)行制造，可使之形成質(zhì)量合格的氫氮氣，將其在正常的生產(chǎn)工序之中應(yīng)用，其屬于天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫最基本的技術(shù)原理 ^[1]。這一工藝應(yīng)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(jié)合，充分對二者進(jìn)行混合后，依靠鎳的催化效用，將天然氣轉(zhuǎn)化為氫氣物質(zhì)，以此依靠中低溫變化形式，幫助一氧化碳轉(zhuǎn)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(jìn)行干預(yù)后，進(jìn)行變壓吸附干預(yù)，并進(jìn)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(zhuǎn)化制氫工藝流程

2.1 脫硫工藝

     脫硫工藝應(yīng)用中，最主要的環(huán)節(jié)就是對無機(jī)硫進(jìn)行脫除后，依靠硫化氫與氧化鋅反應(yīng)，使之內(nèi)部形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較高的硫化物，以此對硫化氫開展有效的脫除干預(yù)，這一過程應(yīng)用中，必須將硫的含量進(jìn)行合理控制，以0.2×10^-6以下為宜， 反應(yīng)發(fā)生過程中，成本較低，工業(yè)生產(chǎn)效率較高，必須合理進(jìn)行精細(xì)脫硫劑的選擇，不可將其應(yīng)用于較高比例的脫硫之中，無法應(yīng)用于較低脫硫之中 ^[2]。

2.2 一段、二段轉(zhuǎn)化單元

     在開展一段、二段轉(zhuǎn)化過程中，必須選擇基礎(chǔ)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(jìn)行催化干預(yù)，經(jīng)加熱完成后，使之形成一氧化碳?xì)怏w及二氧化碳?xì)怏w，在開展二段轉(zhuǎn)化的過程中，必須將富氧空氣加入其中，以此形成燃燒反應(yīng)。在開展二段轉(zhuǎn)化干預(yù)過程中，必須將富氧空氣加入其中，以此形成燃燒反應(yīng)。在這一反應(yīng)發(fā)生過程中，其自身屬于吸熱反應(yīng)的一種，必須依靠外部熱源供給方式對熱量方面的需求進(jìn)行滿足 ^[3]。工藝技術(shù)轉(zhuǎn)換時，氧氣與二段爐轉(zhuǎn)化氣體充分燃燒后，所產(chǎn)生的熱量可以為甲烷進(jìn)行深 度轉(zhuǎn)換后形成熱量，此情況下的余熱必須依靠一段爐對其進(jìn)行供應(yīng)。在此過程中，轉(zhuǎn)化爐屬于核心部件。從實際情況分析，公司類型不同，轉(zhuǎn)化爐設(shè)備特征也會存在一定差異性，其技術(shù)優(yōu)勢也會存在不同程度的差異，所以在進(jìn)行設(shè)備選擇過程中，必須從生產(chǎn)需求出發(fā)進(jìn)行選擇，包括轉(zhuǎn)化管的固定類型、 補償形式及應(yīng)用形式等。當(dāng)前，企業(yè)依靠轉(zhuǎn)化工藝對其進(jìn)行設(shè)置，依靠高溫?zé)徂D(zhuǎn)化形式，不僅可以進(jìn)行天然氣原料的節(jié)約，還可以調(diào)整轉(zhuǎn)化溫度，對水碳比進(jìn)行調(diào)整，一次保障轉(zhuǎn)化爐的深度能夠有所提升，促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的增長。

2.3 一氧化碳變單元分析

     二段轉(zhuǎn)化氣應(yīng)用中，一氧化碳可受到多種催化劑影響， 更好地轉(zhuǎn)變中低溫，在中低溫轉(zhuǎn)變過程中，從工藝需求出發(fā)，對溫度進(jìn)行調(diào)整，必須將中溫以及高溫的變換向規(guī)定范圍內(nèi)納入，對經(jīng)濟(jì)效益及綜合資源節(jié)約要素進(jìn)行綜合分析，依靠 高溫變化工藝及低溫變換工藝，促進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)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(tǒng)工藝均屬于氫氣提純的重要工藝，脫硫干預(yù)后，大量的一氧化碳?xì)怏w與二氧化碳?xì)怏w會在低變氣中存在，受到綜合催化作用影響，會產(chǎn)生甲烷化反應(yīng)，在逆行甲烷產(chǎn)品氣體生產(chǎn)過程中，這一反應(yīng)主要以無氧反應(yīng) 及有氧反應(yīng)兩種形式共同存在。

3 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫特點分析

     天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)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(chǎn)生的蒸汽等，對混合氣體進(jìn)行預(yù)熱處理，隨后進(jìn)入加熱爐內(nèi)進(jìn)行處理，使混合氣體達(dá)到脫硫條件，在內(nèi)部進(jìn)行充分混合以后，將混合氣 體導(dǎo)入換熱反應(yīng)器內(nèi)，該管式容器內(nèi)含有大量的催化器。在制氫工藝過程中，需要將混合氣體預(yù)熱到一定條件，然后管內(nèi)的氣體與外部氣體發(fā)生熱量交換，產(chǎn)生一系列的反應(yīng)^[5]。在實際應(yīng)用過程中，換熱反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)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(jìn)行混合，在二段爐體內(nèi)發(fā)生燃燒，天然氣中的氫氣在濃度較高的氧氣作用下產(chǎn)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(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)。天然 氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫主要技術(shù)特征包括以下幾點。

3.1 減少燃?xì)庥昧?/strong>

     在反應(yīng)過程中，二段反應(yīng)所產(chǎn)生的剩余熱量能夠為一段反應(yīng)所利用，從而可以避免再次進(jìn)行加熱，促進(jìn)了熱量的充分利用，保證了反應(yīng)過程中整體加熱性能的穩(wěn)定性，可以在工藝流程中大量地減少燃?xì)獾氖褂昧?，降低了工藝的投入成本，保證了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 轉(zhuǎn)化爐具有較小的體積

     在天然氣蒸汽進(jìn)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(shè)備建造所需要的體積，工藝流程對引風(fēng)機(jī)和對流設(shè)備的體積沒有很高的要求，因此轉(zhuǎn)化爐整體體積較小，可以滿足不同區(qū)域不同條件的生 產(chǎn)需求。

3.3 控制過程較為簡單

     在天然氣蒸汽進(jìn)行制氫轉(zhuǎn)化過程中，內(nèi)部反應(yīng)過程較為煩瑣，然而控制過程較為簡單，難度較低，設(shè)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(zhì)

     在一段轉(zhuǎn)化反應(yīng)進(jìn)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(yīng)爐內(nèi)外壓力得到穩(wěn)定控制，因此，轉(zhuǎn)化爐的爐管所需設(shè)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(zhì)的要求較低，因此，該工藝在成本控制方面的優(yōu)勢較大。

3.5 二段轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)備。該工藝流程中，PSA 設(shè)備進(jìn)行氧氣制造的優(yōu)點較為明顯，在能耗和控制方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，工藝所需的投 資成本較低。此外，二段轉(zhuǎn)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(chǎn)環(huán)節(jié)銜接緊密，設(shè)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(yè)環(huán)境和社會分工，投資可以產(chǎn)生較 為可觀的回報。

3.6 利用套管式換熱器

     通過對我國當(dāng)前的換熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，主要分為容器換熱設(shè)備和套管換熱設(shè)備兩種類型。容器換熱設(shè)備主要利用浮頭類型，殼體的膨脹差比較大。套管換熱設(shè)備利用套管，解決了高溫壓力容器的弊端，實現(xiàn)了高溫密封情況的解決，通 過在套管內(nèi)安裝螺旋翅片設(shè)備進(jìn)行傳熱，不僅提升了換熱效果，而且可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的簡化，增加設(shè)備的穩(wěn)定性，滿足各種生產(chǎn)需求。

3.7 安全措施

     在二段轉(zhuǎn)化爐內(nèi)進(jìn)行富氧混合燃燒器的配置，由于設(shè)備需要較高的精度和安裝標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)備的了解，因此，要對設(shè)備的設(shè)計進(jìn)行深入研究，加強(qiáng)設(shè)備的管理和維護(hù)，保證設(shè)備使用的安全性。

4 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝優(yōu)化策略

     隨著我國煉油加工深度的提高和環(huán)保法律法規(guī)的規(guī)范，氫能源的使用將越來越多。天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)是未來最具有經(jīng)濟(jì)價值的化石能源制氫工藝。在成熟的制氫工藝流程當(dāng)中，轉(zhuǎn)化爐的形式是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)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(yōu)勢較為明顯。通過對天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝流程的核算，可以得出優(yōu)化策略^[6]。①降低燃燒空氣的預(yù)熱溫度，可以增加副產(chǎn)外送的蒸汽量。②提高轉(zhuǎn)化器的出口溫度，會導(dǎo)致設(shè)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(shè)計環(huán)節(jié)，需要根據(jù)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(chǎn)品的成本等，根據(jù)以上結(jié)論對制氫工藝進(jìn)行優(yōu)化。

5 結(jié)語

     氫作為二次加工產(chǎn)品，在醫(yī)藥領(lǐng)域、電子電器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，是未來交通和發(fā)電領(lǐng)域重要的動力來源，具有廣闊的市場前景，是未來能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分。傳統(tǒng)的制氫工藝進(jìn)行氫氣的制造過程中，會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)品， 造成能源的浪費，為社會帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題。通過天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝，可以保證副產(chǎn)品氣體的減少，有效降低能源的消耗。天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝是較長時間內(nèi)應(yīng)用最為廣泛，最具經(jīng)濟(jì)價值的氫氣制造方法，應(yīng)對天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝進(jìn)行優(yōu)化，保證經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

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