經濟背景下天然氣制氫技術的創新及應用策略

馬志波 中海油惠州石化有限公司

氫屬于當下經濟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的生產中得到了廣泛的應用，由于現代社會經濟及社會生產發展的需求擴大，市場對清晰的需求已經呈現出巨大的缺口，目前主要是依靠化石能源來制備氫氣，而天然氣是應用于制氫行業中的主要原料，因為天然氣的市場成本較低且容易開采，所以許多企業都傾向于選擇天然氣來應用制氫技術，從傳統的天然氣制氫技術體系中加以創新，以迎合當下經濟背景的清潔能源發展是非常必要的。

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，在各個生產領域中均有應用，尤其是在石油行業中。氫氣可以成為現代煉油企業或者化工生產中的重要原料，在其中加入氫氣以后，能夠去除石油腦中的氮化物，可以保護周圍的環境，減少石油中的有害物質，改善部分化學品的質量，促進高質量化學物的增加，可以在化工生產中一次提出石油產品，可見氫氣對石油加工行業的作用是非常大的。在電子行業的生產中，氫氣可以應用與晶體的氧化或者外延生產中，能使生產純度變高，比如石英玻璃纖維的制造，加入氫氣能夠促進還原，還有一些器材的鍛造也需要將氫氣作為保護氣使用，以防止金屬在鍛造的過程中與氧氣接觸形成氧化物。氫氣在經過處理以后可以起到殺菌的功能，所以在食品加工行業中也有應用，與其他氣體相比，氫氣對空氣造成的影響最小，也不會對環境造成污染[1]。

二、研究制氫技術的意義

當前氫能產業已經逐漸發展成熟，并成為發展前景十分良好的一項清潔能源，特別是當前氫燃料電池汽車進入到規模化發展的狀態中，市場上對于氫氣的需求量必然不斷增長。以此為基礎，雖然采用煤制氫的方式成本較低，且技術成熟，但是極易導致環境受到嚴重污染，而天然氣產業鏈當前已經基本處于完善狀態，且開發成本不斷下降，所以應用天然氣開展制氫工作受到了越來越多的關注。并且從實際上來看，天然氣開采技術應用效果良好，且頁巖氣儲量巨大，天然氣制氫技術的應用也就能夠呈現出越來越顯著的優勢，所以對天然氣制氫技術進行深入研究十分重要。

三、經濟背景下天然氣制氫技術的原理、應用與創新

（一）天然氣制氫技術的原理

天然氣的主要成分是甲烷，在一定高溫或者高壓的環境中，甲烷會與水發生一系列的反應，變為氫氣和水，在經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出率，所提取的氫氣純度較高，部分企業會選擇用天然氣來制備氫氣。這種制備技術的優勢主要體現在兩個方面，一方面，以天然氣為主的原料產生氣體，不會對環境造成過大的影響；另一方面，技術人員通過變壓吸附的方式對氫氣進行提純，可以使氫氣在產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，達到吸附混合氣體的要求。

（二）天然氣制氫技術的應用

天然氣制氫技術在合金工業和氯堿生產中的應用最為廣泛，如合金生產過程中，氫氣可以對氧氣中的水與碳做出很好的控制，因為合金加工過程中會產生一些額外的氣體，導致碳的含量并不平衡，所以天然氣制氫技術在其中的應用可以保持物質的穩定，能夠達到更好的合金生產效果。如在氯堿制造加工過程中，就會隨之產生許多氯氣，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系，比如離子膜法燒堿在合成氯化氫時，要根據一定的分配比例的規律完成，比如燒堿的年產量為18萬噸，經過計算以后得出氯氣的富余量可以達到575立方米，則需要氫氣的量約為600立方米。加入氫氣以后可以保持整體加工系統的穩定性與安全性，加工企業應當引進更高級的天然氣制氫設備來提供氫氣，用于保障后續的施工生產。

（三）天然氣制氫技術的創新

現代市場的需求擴大，傳統的天然氣制氫技術已經難以滿足當下市場行情，可見傳統的天然氣制氫技術已經存在落后性，比如傳統技術的成本較大、能源浪費比較明顯，而且制氫過程對設備的要求也比較嚴格，也在一定程度上加重了管理成本的壓力，制氫的同時也會排放大量的二氧化碳，不僅會對氫氣轉化的純度造成影響，還有許多技術方面的問題需要改造，否則難以適應大量的生產需求，這些問題都要求著技術人員要對傳統天然氣制氫技術加以創新和研究，以提升現代制氫行業的經濟效益。在新型天然氣制氫技術的應用過程中，制氫的同時不會再排放二氧化碳及其他氣體，可以對化石能源起到一定的再生作用，在技術改革之后衍生出絕熱轉化制氫技術，該天然氣制氫技術最顯著的特點就是原料成分多數以氧化物為主，可以顯著提升其生產能力，只要提供空氣就能夠滿足反應過程中對氧氣的需求，也有效的降低了天然氣制氫技術的成本。新的天然氣制氫技術采用了更為先進的反應器用于催化合成氣，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，使天然氣制氫技術的創新得到良好的應用，可以在各行各業的氫氣制備中體現出明顯的優勢，彌補了傳統天然氣制氫技術的弊端。

四、制氫技術經濟性分析

對于制氫技術來說，天然氣制氫工藝在全世界范圍內的應用頻率最高，但是對于我國來說，天然氣制氫工藝的應用頻率為第二，煤制氫為當前最主要的制氫工藝，但是隨著各項相關技術的不斷優化、催化劑品質的持續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上升，應用范圍也就能夠不斷擴大，但其中仍存在工藝復雜、原料利用率較低以及操作條件過于嚴格等不足之處，所以對于相關工作人員的理論知識掌握程度以及專業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1m3的氫氣，在0℃以及101.325kPa狀態下，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。可見，天然氣制氫工藝適合進行大規模的應用。

但是，氫能汽車示范加氫站等對于氫的需求量相對較小，為了滿足此類型的需求，除了應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，該項技術早在20世紀50年代中期就已經投入應用，當前該項工藝已經十分成熟，整體過程較為簡潔，同時具有運行效果良好、占地面積較少以及原材料利用率較高的特點，每生產1m3的氫氣，在0℃以及101.325kPa狀態下，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。相對于天然氣制氫來說，其成本較高，適合在中小規模的生產工作中應用。

水電解制氫模式的應用歷史較為長，在20世紀50年代我國即已經自主研制了初代的水電解槽，相關的水電解工藝以及設備至今已經發展至成熟階段，整體上能夠呈現出流程簡潔、操作簡單的優勢，同時運行過程穩定性較高，氫氣純度也較高，且當前已經可以開展無人值守的全自動操作，每生產1m3的氫氣，在0℃以及101.325kPa狀態下，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。相對于甲醇裂解制氫模式來說，其成本較高，適合在小規模的生產工作中應用。

甲醇價為2280元/t，煤價為580元/t，電價為0.55元/（kW·h），天然氣價為2.75元/m3，將以上三種氫氣生產工藝所需的投資進行對比，主要內容如下表1所示：

表1 三種氫氣生產工藝投資對比

五、結語

氫氣對現代工業的生產意義非凡，不僅僅在人們的生活中有許多需要應用氫氣的地方，在食品加工行業生產或者化工行業生產中，都可以應用氫氣來完成生產加工，能夠有效的增強加工的純度，減少加工生產對環境的影響，所以各個領域的技術人員都應深入研究天然氣制氫技術的新內容，以促進本行業的新能源應用，推動天然氣制氫技術的創新與發展，對天然氣制氫技術的研究加以重視，使天然氣制氫技術在現代各個領域的生產中可以呈現出更大的優勢。