經(jīng)濟(jì)背景下天然氣制氫技術(shù)的創(chuàng)新及應(yīng)用策略

馬志波 中海油惠州石化有限公司

氫屬于當(dāng)下經(jīng)濟(jì)背景下一種新的高效清潔能源，在各類石油化工及電子行業(yè)的生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，由于現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)及社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展的需求擴(kuò)大，市場對(duì)清晰的需求已經(jīng)呈現(xiàn)出巨大的缺口，目前主要是依靠化石能源來制備氫氣，而天然氣是應(yīng)用于制氫行業(yè)中的主要原料，因?yàn)樘烊粴獾氖袌龀杀据^低且容易開采，所以許多企業(yè)都傾向于選擇天然氣來應(yīng)用制氫技術(shù)，從傳統(tǒng)的天然氣制氫技術(shù)體系中加以創(chuàng)新，以迎合當(dāng)下經(jīng)濟(jì)背景的清潔能源發(fā)展是非常必要的。

一、氫氣能源的重要性

氫氣屬于一種高效燃燒的清潔型能源，在各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域中均有應(yīng)用，尤其是在石油行業(yè)中。氫氣可以成為現(xiàn)代煉油企業(yè)或者化工生產(chǎn)中的重要原料，在其中加入氫氣以后，能夠去除石油腦中的氮化物，可以保護(hù)周圍的環(huán)境，減少石油中的有害物質(zhì)，改善部分化學(xué)品的質(zhì)量，促進(jìn)高質(zhì)量化學(xué)物的增加，可以在化工生產(chǎn)中一次提出石油產(chǎn)品，可見氫氣對(duì)石油加工行業(yè)的作用是非常大的。在電子行業(yè)的生產(chǎn)中，氫氣可以應(yīng)用與晶體的氧化或者外延生產(chǎn)中，能使生產(chǎn)純度變高，比如石英玻璃纖維的制造，加入氫氣能夠促進(jìn)還原，還有一些器材的鍛造也需要將氫氣作為保護(hù)氣使用，以防止金屬在鍛造的過程中與氧氣接觸形成氧化物。氫氣在經(jīng)過處理以后可以起到殺菌的功能，所以在食品加工行業(yè)中也有應(yīng)用，與其他氣體相比，氫氣對(duì)空氣造成的影響最小，也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染[1]。

二、研究制氫技術(shù)的意義

當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐漸發(fā)展成熟，并成為發(fā)展前景十分良好的一項(xiàng)清潔能源，特別是當(dāng)前氫燃料電池汽車進(jìn)入到規(guī)?；l(fā)展的狀態(tài)中，市場上對(duì)于氫氣的需求量必然不斷增長。以此為基礎(chǔ)，雖然采用煤制氫的方式成本較低，且技術(shù)成熟，但是極易導(dǎo)致環(huán)境受到嚴(yán)重污染，而天然氣產(chǎn)業(yè)鏈當(dāng)前已經(jīng)基本處于完善狀態(tài)，且開發(fā)成本不斷下降，所以應(yīng)用天然氣開展制氫工作受到了越來越多的關(guān)注。并且從實(shí)際上來看，天然氣開采技術(shù)應(yīng)用效果良好，且頁巖氣儲(chǔ)量巨大，天然氣制氫技術(shù)的應(yīng)用也就能夠呈現(xiàn)出越來越顯著的優(yōu)勢，所以對(duì)天然氣制氫技術(shù)進(jìn)行深入研究十分重要。

三、經(jīng)濟(jì)背景下天然氣制氫技術(shù)的原理、應(yīng)用與創(chuàng)新

（一）天然氣制氫技術(shù)的原理

天然氣的主要成分是甲烷，在一定高溫或者高壓的環(huán)境中，甲烷會(huì)與水發(fā)生一系列的反應(yīng)，變?yōu)闅錃夂退诮?jīng)過一系列的換熱與冷凝程序以后，可以從二氧化碳與氨氣中得到氫氣。這種制氫的方法與傳統(tǒng)的制氫方法相比，可以有效的降低制氫的成本，并在一定程度上提升了人工產(chǎn)出率，所提取的氫氣純度較高，部分企業(yè)會(huì)選擇用天然氣來制備氫氣。這種制備技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面，以天然氣為主的原料產(chǎn)生氣體，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成過大的影響；另一方面，技術(shù)人員通過變壓吸附的方式對(duì)氫氣進(jìn)行提純，可以使氫氣在產(chǎn)生過程中排除一氧化碳及二氧化碳等氣體，能夠有效的提升氫氣的純度，達(dá)到吸附混合氣體的要求。

（二）天然氣制氫技術(shù)的應(yīng)用

天然氣制氫技術(shù)在合金工業(yè)和氯堿生產(chǎn)中的應(yīng)用最為廣泛，如合金生產(chǎn)過程中，氫氣可以對(duì)氧氣中的水與碳做出很好的控制，因?yàn)楹辖鸺庸み^程中會(huì)產(chǎn)生一些額外的氣體，導(dǎo)致碳的含量并不平衡，所以天然氣制氫技術(shù)在其中的應(yīng)用可以保持物質(zhì)的穩(wěn)定，能夠達(dá)到更好的合金生產(chǎn)效果。如在氯堿制造加工過程中，就會(huì)隨之產(chǎn)生許多氯氣，受到加工條件的限制，這些氯氣難以被妥善的處理。氯堿加工中氯氣的富余量與氫氣的需求量之間具有密切的聯(lián)系，比如離子膜法燒堿在合成氯化氫時(shí)，要根據(jù)一定的分配比例的規(guī)律完成，比如燒堿的年產(chǎn)量為18萬噸，經(jīng)過計(jì)算以后得出氯氣的富余量可以達(dá)到575立方米，則需要?dú)錃獾牧考s為600立方米。加入氫氣以后可以保持整體加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，加工企業(yè)應(yīng)當(dāng)引進(jìn)更高級(jí)的天然氣制氫設(shè)備來提供氫氣，用于保障后續(xù)的施工生產(chǎn)。

（三）天然氣制氫技術(shù)的創(chuàng)新

現(xiàn)代市場的需求擴(kuò)大，傳統(tǒng)的天然氣制氫技術(shù)已經(jīng)難以滿足當(dāng)下市場行情，可見傳統(tǒng)的天然氣制氫技術(shù)已經(jīng)存在落后性，比如傳統(tǒng)技術(shù)的成本較大、能源浪費(fèi)比較明顯，而且制氫過程對(duì)設(shè)備的要求也比較嚴(yán)格，也在一定程度上加重了管理成本的壓力，制氫的同時(shí)也會(huì)排放大量的二氧化碳，不僅會(huì)對(duì)氫氣轉(zhuǎn)化的純度造成影響，還有許多技術(shù)方面的問題需要改造，否則難以適應(yīng)大量的生產(chǎn)需求，這些問題都要求著技術(shù)人員要對(duì)傳統(tǒng)天然氣制氫技術(shù)加以創(chuàng)新和研究，以提升現(xiàn)代制氫行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。在新型天然氣制氫技術(shù)的應(yīng)用過程中，制氫的同時(shí)不會(huì)再排放二氧化碳及其他氣體，可以對(duì)化石能源起到一定的再生作用，在技術(shù)改革之后衍生出絕熱轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)，該天然氣制氫技術(shù)最顯著的特點(diǎn)就是原料成分多數(shù)以氧化物為主，可以顯著提升其生產(chǎn)能力，只要提供空氣就能夠滿足反應(yīng)過程中對(duì)氧氣的需求，也有效的降低了天然氣制氫技術(shù)的成本。新的天然氣制氫技術(shù)采用了更為先進(jìn)的反應(yīng)器用于催化合成氣，要比以往的蒸汽重組法的能耗更低，可以在很大程度上減輕自身的壓力，使天然氣制氫技術(shù)的創(chuàng)新得到良好的應(yīng)用，可以在各行各業(yè)的氫氣制備中體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)天然氣制氫技術(shù)的弊端。

四、制氫技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)于制氫技術(shù)來說，天然氣制氫工藝在全世界范圍內(nèi)的應(yīng)用頻率最高，但是對(duì)于我國來說，天然氣制氫工藝的應(yīng)用頻率為第二，煤制氫為當(dāng)前最主要的制氫工藝，但是隨著各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)的不斷優(yōu)化、催化劑品質(zhì)的持續(xù)提升以及控制工作效果的改善，天然氣制氫工藝的安全性以及可靠性均持續(xù)上升，應(yīng)用范圍也就能夠不斷擴(kuò)大，但其中仍存在工藝復(fù)雜、原料利用率較低以及操作條件過于嚴(yán)格等不足之處，所以對(duì)于相關(guān)工作人員的理論知識(shí)掌握程度以及專業(yè)技能水平均提出了較高的要求。

采用天然氣制氫模式，每生產(chǎn)1m3的氫氣，在0℃以及101.325kPa狀態(tài)下，需要消耗的原材料包括以下：（1）天然氣原料0.48m3；（2）天然氣燃料0.12m3；（3）鍋爐給水1.7kg；（4）電0.2kW·h?？梢?，天然氣制氫工藝適合進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用。

但是，氫能汽車示范加氫站等對(duì)于氫的需求量相對(duì)較小，為了滿足此類型的需求，除了應(yīng)用富余氫氣或是化石能源制氫的模式，還可以采用甲醇裂解制氫模式或是水電解制氫模式。

應(yīng)用甲醇裂解制氫模式的過程，也就是甲醇合成過程的逆過程，該項(xiàng)技術(shù)早在20世紀(jì)50年代中期就已經(jīng)投入應(yīng)用，當(dāng)前該項(xiàng)工藝已經(jīng)十分成熟，整體過程較為簡潔，同時(shí)具有運(yùn)行效果良好、占地面積較少以及原材料利用率較高的特點(diǎn)，每生產(chǎn)1m3的氫氣，在0℃以及101.325kPa狀態(tài)下，需要消耗的原材料包括以下：（1）甲醇0.59—0.62kg；（2）除鹽水0.3—0.45kg；（3）電0.1—0.15kW·h；（4）燃 料11710—17564kJ。相對(duì)于天然氣制氫來說，其成本較高，適合在中小規(guī)模的生產(chǎn)工作中應(yīng)用。

水電解制氫模式的應(yīng)用歷史較為長，在20世紀(jì)50年代我國即已經(jīng)自主研制了初代的水電解槽，相關(guān)的水電解工藝以及設(shè)備至今已經(jīng)發(fā)展至成熟階段，整體上能夠呈現(xiàn)出流程簡潔、操作簡單的優(yōu)勢，同時(shí)運(yùn)行過程穩(wěn)定性較高，氫氣純度也較高，且當(dāng)前已經(jīng)可以開展無人值守的全自動(dòng)操作，每生產(chǎn)1m3的氫氣，在0℃以及101.325kPa狀態(tài)下，需要消耗的原材料包括以下：（1）電4.4—5.5kW·h；（2）除鹽水0.82kg。相對(duì)于甲醇裂解制氫模式來說，其成本較高，適合在小規(guī)模的生產(chǎn)工作中應(yīng)用。

甲醇價(jià)為2280元/t，煤價(jià)為580元/t，電價(jià)為0.55元/（kW·h），天然氣價(jià)為2.75元/m3，將以上三種氫氣生產(chǎn)工藝所需的投資進(jìn)行對(duì)比，主要內(nèi)容如下表1所示：

表1 三種氫氣生產(chǎn)工藝投資對(duì)比

五、結(jié)語

氫氣對(duì)現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)意義非凡，不僅僅在人們的生活中有許多需要應(yīng)用氫氣的地方，在食品加工行業(yè)生產(chǎn)或者化工行業(yè)生產(chǎn)中，都可以應(yīng)用氫氣來完成生產(chǎn)加工，能夠有效的增強(qiáng)加工的純度，減少加工生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響，所以各個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)人員都應(yīng)深入研究天然氣制氫技術(shù)的新內(nèi)容，以促進(jìn)本行業(yè)的新能源應(yīng)用，推動(dòng)天然氣制氫技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，對(duì)天然氣制氫技術(shù)的研究加以重視，使天然氣制氫技術(shù)在現(xiàn)代各個(gè)領(lǐng)域的生產(chǎn)中可以呈現(xiàn)出更大的優(yōu)勢。