氫氣生產工藝、環(huán)境影響與成本（二）

傳統(tǒng)蒸汽轉化爐中，主要傳熱機制是輻射，在對流段貢獻較小（約10%）。由于輻射是效率最低的傳熱機制，因此可以通過增加對流在整個傳熱過程中的比例提高轉化爐熱效率。對流轉化裝置中，燃燒室為水平燃燒室，頂部是垂直催化管。燃燒室單燃燒器產生的熱煙氣沿管外壁向上流動，為反應提供對流熱。反應物在充滿催化劑的環(huán)形空間向下流動，反應產物在內管中向上流動進行聚集。對流傳熱機制份額高于傳統(tǒng)SMR中份額，同時可顯著減少二氧化碳排放。

水煤氣轉化裝置水煤氣轉化反應表明，在去除二氧化碳和純化氫氣流前，可通過一氧化碳與蒸汽反應產生更多氫氣。因此，來自轉化爐的過程氣體被送至發(fā)生水煤氣轉化反應的變換反應器。工業(yè)水煤氣轉化反應可以在等溫或絕熱固定床反應器中進行。在等溫反應器中，傳熱裝置埋在催化劑床中，使反應器溫度（一般為300～310℃）幾乎恒定。在絕熱反應器中，設備軸溫度升高使氫氣產率降低，通常采用兩級床間氣體冷卻裝置進行冷卻。

第一階段是高溫水煤氣轉化反應，通常在370～400℃的溫度下進行，第二階段是低溫水煤氣轉化反應，在約200℃溫度下進行。氣流中殘余一氧化碳濃度為0.1%～0.3%。第一階段催化劑是鐵—鉻基催化劑，第二階段催化劑是銅-鋅基催化劑。

變壓吸附（PSA）經過變換反應器的粗制氫含有75%～80%的氫氣、0.1%～0.3%的一氧化碳、15%～25%的二氧化碳、1%～5%的甲烷和痕量氮氣。去除氫污染物最常用的純化方法是PSA。PSA是一種再生循環(huán)過程，雜質在相對高壓下選擇性吸附在吸附劑材料上并在低壓下釋放。吸附和解吸最小壓力比通常為4:1，可實現有效氫氣純化。

PSA裝置包含一系列帶有吸附材料的吸附塔。在進料口放置一層活性炭可去除水蒸氣和二氧化碳，在純氫氣出口放置5A沸石可去除一氧化碳和甲烷，氫氣純度可達99.999%，氫氣回收率約為76%。在凈化循環(huán)中，當初始雜質達到預定水平時，吸附器從吸附位置切換。當再生吸附器被加壓到吸附壓力時，將切換至吸附步驟，第一個吸附器開始再生。PSA裝置氫氣流被送至最終用戶，PAS產生的尾氣（包含氫氣、二氧化碳和殘留一氧化碳）留在轉化爐輻射箱中作為燃料。

天然氣生產藍氫現代煉廠氫氣消耗量在4～6萬Nm3/h，因此SMR是溫室氣體排放主要來源。通過捕集二氧化碳進行封存或利用，可減少灰氫對環(huán)境產生的影響。二氧化碳去除可以通過從過程蒸汽（燃燒前系統(tǒng)）中去除高壓二氧化碳，或者通過從煙道氣中去除低壓二氧化碳（燃燒后系統(tǒng)）。

改進傳統(tǒng)SMR技術使其適應高壓碳捕集工藝，碳捕集系統(tǒng)位于二氧化碳局部壓力最高的變換反應器之后，需要更高分離驅動力。可通過油氣行業(yè)使用的酸性氣體去除技術去除高壓二氧化碳，例如烷醇胺（甲基二乙醇胺、二異丙醇胺等）水溶液和物理溶劑（Selexol、Rectisol、Purisol、Flour溶劑）。從高壓碳捕集裝置中提取的氫氣仍含有污染物，包括泄漏的二氧化碳。因此，需要通過PSA裝置進行提純。PSA產生的廢氣可作為SMR燃料。藍氫生產中大部分二氧化碳可被捕集。但小部分隨著轉化爐輻射部分燃燒形成的二氧化碳被排至大氣。總之，該工藝中產生的二氧化碳約45%被捕集。燃燒前碳捕集裝置捕集二氧化碳的成本約為50美元/噸。

二氧化碳也可在轉化爐排出的煙道氣中捕集。燃料燃燒產生的煙道氣和PSA尾氣進入同一直冷器，冷卻至45℃，并在大氣壓條件下送至后燃燒系統(tǒng)。燃燒后捕集溶劑（例如烷醇胺）易受煙道氣中氧氣、硫氧化物和氮氧化物的影響。因此，必須在溶劑中添加化學添加劑，使溶劑能避免被氧氣、硫氧化物和氮氧化物降解。此外，由于二氧化碳分壓低，流經吸收塔的氣體密度低，工藝需要更大裝置和更高溶劑循環(huán)率，工廠造價更高。

捕集的二氧化碳可在適當情況下被壓縮、脫水，用于生產可銷售化學品（例如尿素），或永久儲存在地質中（枯竭油氣藏、含水層或鹽堿地層），或作為原料合成燃料和建筑材料。目前，大部分捕集二氧化碳出售給石油公司用于提高石油采收率（EOR），實現了二氧化碳利用和封存。燃燒后碳捕集裝置捕集二氧化碳成本約為80美元/噸。

天然氣價格仍是灰氫和藍氫最大成本因素，占45%～75%。將碳捕集、利用和封存（CCUS）系統(tǒng)與SMR工藝結合后，由于二氧化碳運輸和儲存，資本支出增加了約50%，經營性支出實現了翻倍。天然氣價格低廉的中東、俄羅斯和美國，藍氫生產成本約為1.4美元/千克。其他國家藍氫成本略高于2.4美元千克。

目前，天然氣是生產氫氣主要來源，SMR是石化工業(yè)中用于化學合成的成本最低工藝。但每生產1千克氫氣將產生9～10千克二氧化碳，結合CCUS裝置可降低SMR工藝環(huán)境影響。二氧化碳可以通過在蒸汽轉化爐輻射/對流末端添加高壓二氧化碳去除裝置（燃燒前系統(tǒng)）實現碳捕集，也可通過燃燒后系統(tǒng)去除90%以上的二氧化碳，但燃燒后系統(tǒng)成本遠高于燃燒前系統(tǒng)。