天然气蒸汽转化制氢工艺研究

张艳峰

（大庆化工集团甲醇分公司制氢车间，黑龙江大庆 163712）

当前，我国现代化进程不断推进，石油资源的稀缺程度日益提升，人们已经加强了对天然气蒸汽转化制氢工艺的重视程度，氢气属于一种能量载体，其具备清洁优势及可再生优势，属于十分重要的清洁能源，氢气在工业之中用途十分广泛，不仅可以进行合成甲醇和合成氨原料气的制作，也可在煤炭之中直接加入进行原料气的制作，可作为燃料池燃料气等，本文就天然气制氢工艺进行研究，并分析了相关工艺流程。

1 天然气蒸汽转化制氢工艺原理

依靠空气及天然气作为制氢工艺的应用主要原理，依靠催化剂的催化作用，以更好地实现种地温度的变化，在温度条件一定的情况下，压力值处于规定值状态下，依靠催化剂开展催化处理，以更好地进行高低温的转变，实现有效的脱硫处理，采取甲烷化工序进行制造，可使之形成质量合格的氢氮气，将其在正常的生产工序之中应用，其属于天然气蒸汽转化制氢最基本的技术原理[1]。这一工艺应用中，必须采取压缩处理措施开展天然气的处理，并依照脱硫处理方式，将水蒸气与天然气相结合，充分对二者进行混合后，依靠镍的催化效用，将天然气转化为氢气物质，以此依靠中低温变化形式，帮助一氧化碳转化为氢气，这一气体也被称之为编花器，完成后，采取冷却及分离措施进行干预后，进行变压吸附干预，并进行甲烷的净化处理，以此获得纯度较高的氢气气体。

2 天然气蒸汽转化制氢工艺流程

2.1 脱硫工艺

脱硫工艺应用中，最主要的环节就是对无机硫进行脱除后，依靠硫化氢与氧化锌反应，使之内部形成结构稳定性较高的硫化物，以此对硫化氢开展有效的脱除干预，这一过程应用中，必须将硫的含量进行合理控制，以0.2×10-6以下为宜，反应发生过程中，成本较低，工业生产效率较高，必须合理进行精细脱硫剂的选择，不可将其应用于较高比例的脱硫之中，无法应用于较低脱硫之中[2]。

2.2 一段、二段转化单元

在开展一段、二段转化过程中，必须选择基础原料，以天然气为主，若是氧化剂为水蒸气的情况下，必须采取镍锡进行催化干预，经加热完成后，使之形成一氧化碳气体及二氧化碳气体，在开展二段转化的过程中，必须将富氧空气加入其中，以此形成燃烧反应。在开展二段转化干预过程中，必须将富氧空气加入其中，以此形成燃烧反应。在这一反应发生过程中，其自身属于吸热反应的一种，必须依靠外部热源供给方式对热量方面的需求进行满足[3]。工艺技术转换时，氧气与二段炉转化气体充分燃烧后，所产生的热量可以为甲烷进行深度转换后形成热量，此情况下的余热必须依靠一段炉对其进行供应。在此过程中，转化炉属于核心部件。从实际情况分析，公司类型不同，转化炉设备特征也会存在一定差异性，其技术优势也会存在不同程度的差异，所以在进行设备选择过程中，必须从生产需求出发进行选择，包括转化管的固定类型、补偿形式及应用形式等。当前，企业依靠转化工艺对其进行设置，依靠高温热转化形式，不仅可以进行天然气原料的节约，还可以调整转化温度，对水碳比进行调整，一次保障转化炉的深度能够有所提升，促进企业经济效益的增长。

2.3 一氧化碳变单元分析

二段转化气应用中，一氧化碳可受到多种催化剂影响，更好地转变中低温，在中低温转变过程中，从工艺需求出发，对温度进行调整，必须将中温以及高温的变换向规定范围内纳入，对经济效益及综合资源节约要素进行综合分析，依靠高温变化工艺及低温变换工艺，促进企业生产经营效益的增长[4]。

2.4 氢气提纯

脱碳净化工艺及甲烷化系统工艺均属于氢气提纯的重要工艺，脱硫干预后，大量的一氧化碳气体与二氧化碳气体会在低变气中存在，受到综合催化作用影响，会产生甲烷化反应，在逆行甲烷产品气体生产过程中，这一反应主要以无氧反应及有氧反应两种形式共同存在。

3 天然气蒸汽转化制氢特点分析

天然气蒸汽转化制氢技术需要将多种气体混合到一起，包括天然气、氧气含量较高的气体以及工艺产生的蒸汽等，对混合气体进行预热处理，随后进入加热炉内进行处理，使混合气体达到脱硫条件，在内部进行充分混合以后，将混合气体导入换热反应器内，该管式容器内含有大量的催化器。在制氢工艺过程中，需要将混合气体预热到一定条件，然后管内的气体与外部气体发生热量交换，产生一系列的反应[5]。在实际应用过程中，换热反应器内的反应类型控制较为困难，出口部分气体甲烷含量为30%左右，通过与氧气含量较高的气体进行混合，在二段炉体内发生燃烧，天然气中的氢气在浓度较高的氧气作用下产生大量的热量，为一二段炉提供所需的热能，与此同时，出口部分的甲烷发生转化反应。天然气蒸汽转化制氢主要技术特征包括以下几点。

3.1 减少燃气用量

在反应过程中，二段反应所产生的剩余热量能够为一段反应所利用，从而可以避免再次进行加热，促进了热量的充分利用，保证了反应过程中整体加热性能的稳定性，可以在工艺流程中大量地减少燃气的使用量，降低了工艺的投入成本，保证了企业的经济效益。

3.2 转化炉具有较小的体积

在天然气蒸汽进行氢气制造工艺开展的过程中，不需要对辐射面积提出过高的要求，从而减少了设备建造所需要的体积，工艺流程对引风机和对流设备的体积没有很高的要求，因此转化炉整体体积较小，可以满足不同区域不同条件的生产需求。

3.3 控制过程较为简单

在天然气蒸汽进行制氢转化过程中，内部反应过程较为烦琐，然而控制过程较为简单，难度较低，设备开始与停止过程迅速且容易操作。

3.4 减小炉管壁厚度，降低低温段材质

在一段转化反应进行过程中，二段炉出口的热量可以得到充分利用，热力气体温度的增加可以保证反应炉内外压力得到稳定控制，因此，转化炉的炉管所需设计工艺水平不必过高，对于炉管壁的厚度需求较小，尤其是低温段对于材质的要求较低，因此，该工艺在成本控制方面的优势较大。

3.5 二段转化所需要的高浓度氧气，可以通过PSA装置获得

天然气蒸汽转化制氢过程中，需要大量氧气含量较高的气体，该部分气体可以通过PSA装置获取，也可以充分利用空气设备。该工艺流程中，PSA设备进行氧气制造的优点较为明显，在能耗和控制方面具有较强的优势，工艺所需的投资成本较低。此外，二段转化过程中，利用PSA制氧装置可以制造出工艺流程所需的大量氧气，生产环节衔接紧密，设备对于工人的能力要求较低，对工人的操作水平要求不高，可以充分满足我国的工业环境和社会分工，投资可以产生较为可观的回报。

3.6 利用套管式换热器

通过对我国当前的换热器结构进行分析，主要分为容器换热设备和套管换热设备两种类型。容器换热设备主要利用浮头类型，壳体的膨胀差比较大。套管换热设备利用套管，解决了高温压力容器的弊端，实现了高温密封情况的解决，通过在套管内安装螺旋翅片设备进行传热，不仅提升了换热效果，而且可以实现结构的简化，增加设备的稳定性，满足各种生产需求。

3.7 安全措施

在二段转化炉内进行富氧混合燃烧器的配置，由于设备需要较高的精度和安装标准，在实际使用过程中，操作人员要提高自身的操作水平，加深对设备的了解，因此，要对设备的设计进行深入研究，加强设备的管理和维护，保证设备使用的安全性。

4 天然气蒸汽转化制氢工艺优化策略

随着我国炼油加工深度的提高和环保法律法规的规范，氢能源的使用将越来越多。天然气蒸汽转化制氢技术是未来最具有经济价值的化石能源制氢工艺。在成熟的制氢工艺流程当中，转化炉的形式是关键环节，需要根据实际情况进行调整。此外，高温变化相对于中温变化，在竞技性和可靠性方面的优势较为明显。通过对天然气蒸汽转化制氢工艺流程的核算，可以得出优化策略[6]。①降低燃烧空气的预热温度，可以增加副产外送的蒸汽量。②提高转化器的出口温度，会导致设备投资费用的增加。③提高水碳比例，可以保证原料消耗总量的降低。在工艺设计环节，需要根据实际情况，比如原料气体、燃烧气体的来源和价格，以及部分产品的成本等，根据以上结论对制氢工艺进行优化。

5 结语

氢作为二次加工产品，在医药领域、电子电器等领域具有广泛的应用，是未来交通和发电领域重要的动力来源，具有广阔的市场前景，是未来能源结构的重要组成部分。传统的制氢工艺进行氢气的制造过程中，会产生大量的副产品，造成能源的浪费，为社会带来严重的环境问题。通过天然气蒸汽转化制氢工艺，可以保证副产品气体的减少，有效降低能源的消耗。天然气蒸汽转化制氢工艺是较长时间内应用最为广泛，最具经济价值的氢气制造方法，应对天然气蒸汽转化制氢工艺进行优化，保证经济效益的最大化。