石油与天然气化工第50卷第4期CHEMICAL ENGINEERING OF OIL GAS53天然气制氢技术及经济性分析常宏岗中国石油西南油气田公司天然气研究院天然气及具凝液的利用摘要：数能是当前最有前景的清洁能源之一，天然气制数是目前全球最主要的制数方式，重点介绍和分析了主要制数技术路线天然气水蒸气转化制数，该工艺主要包括水蒸汽重整转化、合成气变换及变压吸附三个单元：同时还介绍了非水蒸气转化制数路线，包括甲烷部分氧化法制数、天然气催化裂解制数及CH,/CO2千重整制数。比较了几种制数技术的经济性。目前，虽然煤制数的成本优于天然气制数，但随着天然气开采技术的进步，未来天然气制数有可能成为国内最主要的制数技术路线。D0I:10.3969/j.issn.1007-3426.2021.04.008Technical and economic analysis of hydrogen production from natural gasChang HonggangResearch Institute of Natural Gas Technology,PetroChina SouthwestOil Gasfield Com pany,Chengdu,Sichuan,ChinaAbstract:Hydrogen energy is one of the most promising clean energy,hydrogen production fromnatural gas is the most important way of hydrogen production in the world at present.This paperemphatically introduces and analyzes the main technical route of hydrogen production from steamreforming,which mainly includes three units:water steam reforming transformation,synthesis gastransformation and pressure swing adsorption(PSA),and also introduces hydrogen production routefrom the non-water steam transformation,including partial oxidation of methane,catalytic crackingof natural gas and dry reforming of CH,/CO2.The economy of several hydrogen productiontechnologies are compared.The cost of hydrogen production from coal is currently better than thatfrom natural gas.However,with the progress of natural gas extraction technology,hydrogenproduction from natural gas may become the most important route of hydrogen production technologyin the future.Keywords:hydrogen energy;hydrogen production technology;hydrogen production from naturalgas;technical economy氢气作为一种优良的清洁能源载体，其能量密度中加工提取，富含氢原子的化石燃料和水是制氢的主超过140M/kg,是汽油的3倍，加大氢能利用是我国要原料。全球及中国的氢气生产结构见表1四。中国实现碳达峰、碳中和的重要对策门。氢气是宇宙中最是全球最大的氢气生产和消费国家，2019年氢气产量主要和最轻的物质，氢原子聚合是宇宙的能量来源，由约为2000×10t,化石能源加工业副产提纯制氢占于地球引力不足以吸引住氢气，地球大气圈中氢气含97%，电解水等工艺占比低于3%，氢气消费结构中量低于1×10-6()，我们使用的氢气必须从含氢物质99%用于合成氨、甲醇及炼油化工行业，其中包括相当作者简介：常宏岗，1965年生，研究生学历（工程硕士），教授级高级工程师，本科毕业于浙江大学化学工程专业，研究生毕业于四川大学化学工程专业，长期从事油气田开发，地面集输与净化及标准化领城科研工作，获国家和省部级奖励12项，授权发明专利9项，主编专著4部，发表论文40余篇，制修订国际和国家标准25项。E-mail:chang hg@petrochina.com.cn54常宏岗天然气制氢技术及经济性分析2021部分低浓度氢气作为燃料或不加利用直接排放，而作锅炉产生蒸汽回收热量，中温下合成气中的CO进一为新能源使用的比例很低，氢能源汽车的占比不超过步通过水蒸气变换得到H2和CO2,变换气经换热冷凝1%,多为示范项目。除去水，再经过变压吸附(pressure swing adsorption,PSA)分离提纯得到产品氢气。该技术成熟可靠，其工表1全球及中国的氢气生产结构艺流程框图见图1。以下分别介绍该工艺的主要单国内国内制氢原料及方式全球统计统计元：水蒸气重整转化、合成气变换和变压吸附分离。口径1口径2自产水蒸气煤制氢18%43%62%化石能源制氢天然气重整制氢48%16%19%石油制氢30%13%18%工业副产提纯制氢焦炉煤气、氯碱尾气等28%外补燃料电解水制氢4%微量1%解吸气其他方式产氢生物质、光催化等微量微量氢燃料电池直接将化学能转化为电能，具有无污图1天然气水蒸气转化制氢工艺流程简图染、无噪声、能量转换效率高等优点，可广泛用于各类1.1水蒸气重整转化交通运输工具。近年来，氢燃料电池产业发展迅速，对天然气蒸汽转化制氢由原料天然气通过粗脱硫反氢气的需求量逐年增加，但由于氢气成本较高，导致氢应器后，经高温加氢及氧化锌脱除有机硫，总硫质量分燃料汽车与现有燃料相比缺乏竞争优势。数降至0.1×10-6以下与水蒸气混合后，进入转化炉，化石燃料制取氢气是目前使用最广泛的制氢方在镍基催化剂(NiO-A12O3,w(NiO)>14%)作用下，式，其制氢技术成熟，主要过程是化石能源先与过量水天然气于800~900℃下裂解形成碳化镍，碳化镍继续反应得到H2、CO和水蒸气为主的合成气，合成气再与高温水蒸气反应生成合成气（也称转化气），主要反经过水蒸气变换将CO进一步转化为CO2和H:,经应式见式(I),转化气主要成分为H2、CO2、CO、分离后得到氢气产品。煤制氢成本最低，不足之处是CH、H2O。水蒸气与甲烷比例一般大于3，以防止碳废水、废气量大，还产生大量固废。天然气在各类化合化镍析碳导致催化剂失活)，但过量水蒸气会导致过物中氢原子质量占比最大，储氢量为25%，天然气为程的高能耗。天然气水蒸气重整是分子数增加的过程，原料的制氢技术耗水量小、CO:排放量低、氢气产率低压有利于反应向产物方向移动，但加压有利于分子扩高，对环境的影响相对较小，是化石原料制氢路线中理散，缩小反应器体积，转化炉压力为1.5~2.5MPa。想的制氢方式。世界上天然气制氢占比最高，而我国因富煤少气，煤制氢成本低于天然气，因而国内煤制氢位反应是强吸热过程，298K时自由能变△G8=列第一。随着国家天然气发展战略的实施，天然气产供142.1kJ/mol,嫡变△S88=214.7J/(mol·K),反应储销产业链的完善，天然气开采成本必将进一步降低，不能自发进行。但随着温度的增加，自由能变△G逐迎来天然气的大发展时期，届时将体现出天然气制氢的渐变负，温度越高越有利于反应进行，CH,转化率也技术经济优势。本文着重介绍了天然气制氢技术的几越高。由于该反应是强吸热反应，需要外界供热来维个主要工艺，并对比分析了几种制氢技术的经济性。持转化炉温度。假设水蒸气重整反应温度为850℃，按Gibbs公1天然气水蒸气转化制氢式，该温度下△G可按照式(1)估算：由于CH化学结构稳定，在高温下才具有反应活性，且水蒸气使宜易得，因此天然求蒸气转化制氢成nic Publishing Hou2oig9235.247:/www.cnki.net为国内外普遍采用的天然气制氢路线。其主要流程为=-35,0 kJ/mol(1)天然气预处理后与水蒸气高温重整制合成气，经废热由式(1)计算得到反应平衡常数为42.5。