制氫和合成氣裝置的脫碳技術

文/Ahlam Rais

增強型環形轉化管制氫技術，可以幫助制氫和合成氣工廠實現脫碳化—— 一項名為“EARTH?”的新技術被用于熱回收重整轉化工藝，有助于降低CO2排放并生產高效能的氫氣。科萊恩催化劑業務單元的的Stefan Gebert和德希尼布能源（Technip Energies）的Stéphane Walspurger共同闡釋了他們的新技術。

PROCESS：科萊恩和德希尼布能源的創新技術“EARTH?”聲稱可以生產高效能的藍氫。該技術是如何實現提供低碳氫的呢？

Gebert和Walspurger：科萊恩和德希尼布能源的EARTH?基于熱回收蒸汽甲烷重整技術，將一套組裝在蒸汽甲烷重整轉化管中的中心管組件和裝填在外部環形空間中的規整型催化劑相結合。與傳統重整技術相比，這一突破性的解決方案通過利用高階熱量進行蒸汽轉化反應，從而降低生產氫氣的單位凈比能耗。

與使用傳統催化劑的標準重整裝置性能相比，在相同的氫產量下，EARTH?能夠減少高達10%的能耗和CO2排放。因此，在二氧化碳利用或儲存并行時，EARTH?是實現低能耗的藍氫生產的卓越技術選擇，可以實現高碳捕獲。通過降低燃燒功率，EARTH?可有效降低轉化煙氣中二氧化碳含量，同時有助于在相對較高的壓力下從重整裝置中捕獲CO2。

EARTH? 技術在土耳其的AkkimHyco工廠中的應用

EARTH?是“增強型環形轉化管制氫”的首字母縮寫（Enhanced Annular Reforming Tube for Tydrogen），是一種可應用于現有重整裝置或新項目的直接替代型解決方案。催化劑加載在外部環形空間中，這種獨特的設計實現了卓越的熱量回收，更高的產能，并且與傳統催化劑和催化管布局相比，顯著降低了壓降。

新型催化劑設計實現了較低的壓降、最大程度上提高活性和更佳的熱量轉移。盡管在蒸汽轉化過程中存在熱應力和機械應力，且EARTH 催化劑床的體積有所減小，但由于其出色的穩定性和機械強度，該催化劑仍展現出了極為優異的性能。

PROCESS：一些專家研究表明，藍氫的總二氧化碳當量排放僅比灰氫低9%～12%。EARTH?技術如何幫助改變這種現狀？

Gebert和Walspurger：幾十年來，利用化石燃料制氫已經被廣泛用于多個應用領域，特別是化肥生產中的氨合成、甲醇合成以及諸多煉油加氫工藝。除天然氣之外，附加值低的干氣通常被選擇用作實現最低氫氣生產成本的制氫裝置原料。在工業脫碳化過程中，化石燃料和干氣重整過程二氧化碳排放量成為影響氫氣單位成本的重要參數。

此外，當天然氣用于制氫時，在量化氫氣的碳排放時，需要考量與整個制氫過程中的上游生產、運輸和天然氣轉化以及下游壓縮工段及氫氣和二氧化碳運輸相關的排放。基于實際的生產和運輸基礎設施的排放測量數據的表明，在天然氣制氫生產過程中只要制定適當的法規和激勵措施，碳排放仍然保持較低水平。

通過使用EARTH?這樣的熱回收技術，蒸汽轉化器的設計可以實現最大的碳氫化合物到氫的轉化，同時確保沒有過多的蒸汽產生。換句話說，EARTH?使我們能夠在每單位生產的氫氣中實現非常低的化石原料消耗，并因此有助于減少每單位氫氣產生的二氧化碳排放。

考慮到上游的能量消耗，EARTH?技術可以幫助運營商通過最大化的降低化石原料的消耗、生產過程中的碳排放以及CC（U）S所需能量等來減少制氫過程中的碳足跡。回收性重整技術是蒸汽重整器工藝中的關鍵技術之一，可實現高達99%的CO2捕獲率。

PROCESS：EARTH?技術還有哪些優勢？

Gebert和Walspurger：EARTH?是一種可應用于現有重整裝置或新項目設計的直接替代型解決方案。對于現有的蒸汽重整裝置而言，生產商可在最大程度上減少能源消耗和二氧化碳排放的同時，通過保持當前的成本和工藝條件，將工廠的產量和能力提升達20%。這種產能增加可以與在蒸汽重整裝置上實施二氧化碳捕集策略相結合，目的是減少轉化裝置運行中的二氧化碳排放，并生產額外的低碳氫。

另一個好處是實現了更低強度的點火要求，減輕了轉化管材料和出口系統中的機械應力。這些關鍵組件暴露在相對更溫和的溫度條件下，從而延長了使用壽命，降低了維護和更換成本。由于轉化爐出口系統通常限制了轉化的強度，EARTH?技術提供的較低溫度可實現高轉化率（低甲烷出口濃度）和低蒸汽碳比方面質的提升,從而顯著降低運營成本，提高蒸汽重整過程的能源效率。

PROCESS：EARTH?技術在使用輸入材料方面的靈活性如何？

Gebert和Walspurger：EARTH?技術被設計為一種直接替代型解決方案，可與新建或現有的蒸汽轉化管良好兼容，爐內的進口和出口部分位于爐體的相對兩端，因此無需對轉化催化劑管進行任何修改造。其安裝不需要額外的空間，并且安裝時間與典型的催化劑更換相當。這些管道可以根據要求預先裝填催化劑。這使得EARTH?比U型回熱轉化管更具靈活性，后者在現有的轉化爐中受到諸多限制。

此外，內部布局和催化劑的分布可以根據工廠特定的工藝條件和生產目標進行定制，從而在設計和運行條件方面提供了高度的靈活性。

綜上，EARTH?催化劑壽命將明顯優于常規形狀的陶瓷基轉化催化劑，主要歸功于新的催化劑與EARTH?列管及管內件的有機耦合。在轉化裝置事后分析來看，床層壓降及列管收縮易導致常規轉化催化劑破碎。但使用EARTH?特殊結構的催化劑后，不會出現隨著時間的推移而壓降增加的現象。

PROCESS：將EARTH?技術整合到現有工廠的投資成本是多少？ 集成到新工廠的成本又是多少？您對攤銷期有何看法？

Gebert和Walspurger：對于一個新的工廠，EARTH?技術沒有額外的成本，因為該技術既可以減小蒸汽重整裝置的尺寸，同時又可以減少碳捕獲技術（包含過程氣體和/或煙氣碳捕獲）的投資，以及減少實現無蒸汽出口的制氫裝置的投資。

總的來說，由于EARTH?技術可以根據客戶的需求進行高度定制，因此通常在1～2年內可以實現成本回收。EARTH?不單純是一種催化劑技術，因此無法與其他的催化劑技術進行一對一比較。還在降低運營成本以及降低烴消耗和碳足跡方面帶來了額外的效益。

當EARTH?技術進一步與脫碳裝置結合時，其優勢會顯著增加，因為裝置內燃燒量的減少還將減少與脫碳相關的額外投資。對于提高產能的場景下，EARTH?技術還可以對裝置的其余部分以最少的修改以實現翻新，因此與其他替代方案相比，回報期非常短。

PROCESS：是否可以將催化劑與Technip Energies以外的其他蒸汽轉化技術結合使用？

Gebert和Walspurger：可以的，由于EARTH?設計可以根據特定客戶需求進行優化，因此它可以作為直接替代型解決方案，應用于現有所有轉化管使用內徑大于4英寸（100 mm）的轉化裝置，其中氣體進口位于頂部，出口位于底部。更小的直徑也是可行的，只需要進行一些額外的檢查和確認。

EARTH?技術的實施與重整裝置的燃燒類型無關（頂燃式、底燃式、側燃式或臺階式壁燃式）。在考慮到提高產能或改用藍氨或藍色甲醇的氨或甲醇生產裝置中，EARTH?技術可能為一段轉化裝置與下游的二段轉化或自熱轉化裝置帶來非常顯著的附加價值。

PROCESS：藍氫項目正在尋找有效的技術以進一步減少其碳排放。您是否正在與任何公司或項目就您的技術進行洽談？

Gebert和Walspurger：前兩個大型項目已經成功完成，分別是在歐洲一家現有裝置的產能提升以及西班牙卡塔赫納的Repsol煉油廠擴建項目的一部分的新建裝置。我們正在尋找多個藍氫的商業機會，并與客戶討論EARTH?技術這一充滿吸引力的解決方案。這是一個在短期到中期內可能增長的市場。目前，涉及這些商業機會的公司和項目是保密的，但其中包括了一些重要的行業參與者。

EARTH?技術正在被考慮用于基層應用的藍氫工廠以及對現有的灰氫資產進行改造，以轉換為藍氫。對于基層應用，這項技術能夠降低碳氫化合物的消耗，從而減少捕獲的二氧化碳流量，降低了下游碳捕獲利用和儲存CC（U）S所需的投資。它可以實現高達99%的碳捕獲率。

在改造應用中，預計EARTH?技術將在分階段的投資中發揮作用，以實現高碳捕獲率。顯然，EARTH?技術可以通過快速實施并對裝置中的其余部分影響最小的條件下，迅速減少多達10%的碳足跡。同時，通過應用協同設計變更以及增加碳捕獲裝置，可以實現高達99%以上的碳捕獲率。EARTH?技術通過降低總體碳氫化合物的消耗，既降低了進一步的投資成本，也降低了運營成本。

PROCESS：您是否觀察到市場對EARTH?技術的需求較高？

Gebert和Walspurger：我們深信，EARTH?技術是一項充滿吸引力的技術，它可用于現有制氫和合成氣裝置以及新興的藍氫應用的脫碳。目前其市場接受度非常積極，這使得科萊恩和德希尼布能源公司能夠實施和建立起生產能力和供應鏈，以滿足后續更多客戶的需求。此外，我們已經交付了兩套商業業績，完美驗證了EARTH?技術的價值主張。

隨著低碳氫市場的發展，現有的基礎設施和諸如煉油和石化裝置中的蒸汽重整裝置等重要資產將有眾多機會通過EARTH?技術進一步發掘干氣和天然氣原料的脫碳潛力。我們預計EARTH?技術將迅速在全球制氫行業中占據重要地位。在未來幾年內，我們可以利用這一創新技術為眾多工廠提供服務，無論是小型還是世界級的蒸汽重整裝置。

增強型環形轉化管制氫（EARTH?技術）