氢气生产工艺、环境影响与成本（二）

传统蒸汽转化炉中，主要传热机制是辐射，在对流段贡献较小（约10%）。由于辐射是效率最低的传热机制，因此可以通过增加对流在整个传热过程中的比例提高转化炉热效率。对流转化装置中，燃烧室为水平燃烧室，顶部是垂直催化管。燃烧室单燃烧器产生的热烟气沿管外壁向上流动，为反应提供对流热。反应物在充满催化剂的环形空间向下流动，反应产物在内管中向上流动进行聚集。对流传热机制份额高于传统SMR中份额，同时可显著减少二氧化碳排放。

水煤气转化装置水煤气转化反应表明，在去除二氧化碳和纯化氢气流前，可通过一氧化碳与蒸汽反应产生更多氢气。因此，来自转化炉的过程气体被送至发生水煤气转化反应的变换反应器。工业水煤气转化反应可以在等温或绝热固定床反应器中进行。在等温反应器中，传热装置埋在催化剂床中，使反应器温度（一般为300～310℃）几乎恒定。在绝热反应器中，设备轴温度升高使氢气产率降低，通常采用两级床间气体冷却装置进行冷却。

第一阶段是高温水煤气转化反应，通常在370～400℃的温度下进行，第二阶段是低温水煤气转化反应，在约200℃温度下进行。气流中残余一氧化碳浓度为0.1%～0.3%。第一阶段催化剂是铁—铬基催化剂，第二阶段催化剂是铜-锌基催化剂。

变压吸附（PSA）经过变换反应器的粗制氢含有75%～80%的氢气、0.1%～0.3%的一氧化碳、15%～25%的二氧化碳、1%～5%的甲烷和痕量氮气。去除氢污染物最常用的纯化方法是PSA。PSA是一种再生循环过程，杂质在相对高压下选择性吸附在吸附剂材料上并在低压下释放。吸附和解吸最小压力比通常为4:1，可实现有效氢气纯化。

PSA装置包含一系列带有吸附材料的吸附塔。在进料口放置一层活性炭可去除水蒸气和二氧化碳，在纯氢气出口放置5A沸石可去除一氧化碳和甲烷，氢气纯度可达99.999%，氢气回收率约为76%。在净化循环中，当初始杂质达到预定水平时，吸附器从吸附位置切换。当再生吸附器被加压到吸附压力时，将切换至吸附步骤，第一个吸附器开始再生。PSA装置氢气流被送至最终用户，PAS产生的尾气（包含氢气、二氧化碳和残留一氧化碳）留在转化炉辐射箱中作为燃料。

天然气生产蓝氢现代炼厂氢气消耗量在4～6万Nm3/h，因此SMR是温室气体排放主要来源。通过捕集二氧化碳进行封存或利用，可减少灰氢对环境产生的影响。二氧化碳去除可以通过从过程蒸汽（燃烧前系统）中去除高压二氧化碳，或者通过从烟道气中去除低压二氧化碳（燃烧后系统）。

改进传统SMR技术使其适应高压碳捕集工艺，碳捕集系统位于二氧化碳局部压力最高的变换反应器之后，需要更高分离驱动力。可通过油气行业使用的酸性气体去除技术去除高压二氧化碳，例如烷醇胺（甲基二乙醇胺、二异丙醇胺等）水溶液和物理溶剂（Selexol、Rectisol、Purisol、Flour溶剂）。从高压碳捕集装置中提取的氢气仍含有污染物，包括泄漏的二氧化碳。因此，需要通过PSA装置进行提纯。PSA产生的废气可作为SMR燃料。蓝氢生产中大部分二氧化碳可被捕集。但小部分随着转化炉辐射部分燃烧形成的二氧化碳被排至大气。总之，该工艺中产生的二氧化碳约45%被捕集。燃烧前碳捕集装置捕集二氧化碳的成本约为50美元/吨。

二氧化碳也可在转化炉排出的烟道气中捕集。燃料燃烧产生的烟道气和PSA尾气进入同一直冷器，冷却至45℃，并在大气压条件下送至后燃烧系统。燃烧后捕集溶剂（例如烷醇胺）易受烟道气中氧气、硫氧化物和氮氧化物的影响。因此，必须在溶剂中添加化学添加剂，使溶剂能避免被氧气、硫氧化物和氮氧化物降解。此外，由于二氧化碳分压低，流经吸收塔的气体密度低，工艺需要更大装置和更高溶剂循环率，工厂造价更高。

捕集的二氧化碳可在适当情况下被压缩、脱水，用于生产可销售化学品（例如尿素），或永久储存在地质中（枯竭油气藏、含水层或盐碱地层），或作为原料合成燃料和建筑材料。目前，大部分捕集二氧化碳出售给石油公司用于提高石油采收率（EOR），实现了二氧化碳利用和封存。燃烧后碳捕集装置捕集二氧化碳成本约为80美元/吨。

天然气价格仍是灰氢和蓝氢最大成本因素，占45%～75%。将碳捕集、利用和封存（CCUS）系统与SMR工艺结合后，由于二氧化碳运输和储存，资本支出增加了约50%，经营性支出实现了翻倍。天然气价格低廉的中东、俄罗斯和美国，蓝氢生产成本约为1.4美元/千克。其他国家蓝氢成本略高于2.4美元千克。

目前，天然气是生产氢气主要来源，SMR是石化工业中用于化学合成的成本最低工艺。但每生产1千克氢气将产生9～10千克二氧化碳，结合CCUS装置可降低SMR工艺环境影响。二氧化碳可以通过在蒸汽转化炉辐射/对流末端添加高压二氧化碳去除装置（燃烧前系统）实现碳捕集，也可通过燃烧后系统去除90%以上的二氧化碳，但燃烧后系统成本远高于燃烧前系统。