作者：商欢涛、徐⼴坡；单位：中国平煤神马集团
随着能源消耗地加剧，寻新的能源已经成为当前的⼀个重要任务。氢作为现今最具有发展潜⼒的⼀种能源，来源⼴泛，⼏乎不产⽣污染，转化效率⾼，应⽤前景⼴泛。利⽤天然⽓制取氢⽓，可以在⼀定程度上缓解我国能源危机，进⼀步促进我国能源利⽤结构的转变。 本⽂将重点就天然⽓制氢的原理、天然⽓制氢⼯艺和技术、天然⽓制氢技术的分类天然⽓制氢的成本核算等⼏个⽅⾯进⾏详细的研究和探讨。
1天然⽓制氢的原理和流程
1.1天然⽓制氢原理
天然⽓制氢⼯艺的原理就是先对天然⽓进⾏预处理，然后在转化炉中将甲烷和⽔蒸汽转化为⼀氧化碳和氢⽓等，余热回收后，在变换塔中将⼀氧化碳变换成⼆氧化碳和氢⽓的过程，这⼀⼯艺技术的基础是在天然⽓蒸汽转化技术的基础上实现的。在变换塔中，在催化剂存在的条件下，控制反应温度，转化⽓中的⼀氧化碳和⽔反应，⽣成氢⽓和⼆氧化碳。 天然⽓中的烷烃在适当的压⼒和温度下，就会发⽣⼀系列化学反应⽣成转化⽓，转化⽓再经过热换、冷凝等过程，使⽓体在⾃动化的控制下通过装有多种吸附剂的 PAS 装置后，⼀氧化碳、⼆氧化碳等杂质被吸附塔吸附，氢⽓送往⽤⽓单位，吸附了杂质的吸附剂，经解吸后，解析⽓可送往变换炉作为燃料，吸附剂也完成再⽣。
其主要反应式如下：
天然⽓和⽔在 800~900℃⾼温和氧化镍催化剂的条件下反应⽣成⼀氧化碳和氢⽓。
反应式为：CH4+H2O → CO+H2-Q
⼀氧化碳和⽔在 300-400℃条件下和三氧化⼆铁催化剂的条件下反应⽣成⼆氧化碳和氢⽓。
反应式为： CO+H2O → CO2+H2+Q
反应式为： CO+H2O → CO2+H2+Q
另外，在制取过程相关的技术指标要求如下：
压⼒⼀般在 1.5~2.5 MPa，天然⽓单耗为 0.4~0.5 m3/m3氢⽓；运⾏时间：>8000h ；⼯业规模：1000 m3/h~100000 m3/h。
1.2 天然⽓制氢流程
天然⽓的制取氢流程主要包括四个：原料⽓预处理、天然⽓蒸汽转化、⼀氧化碳变换、氢⽓提纯。
⾸先是原料预处理步骤，这⾥的预处理主要指的就是原料⽓的脱硫，实际⼯艺运⾏当中⼀般采⽤天然⽓钴钼加氢串联氧化锌作为脱硫剂将天然⽓中的有机硫转化为⽆机硫再进⾏去除。这⾥处理的原料天然⽓的流量较⼤，所以可采⽤压⼒较⾼的天然⽓⽓源或者在选择天然⽓压缩机的时候考虑较⼤的余量。
其次就是进⾏天然⽓蒸汽转化的步骤，在转化炉中采⽤镍系催化剂，将天然⽓中的烷烃转化成为主要成分是⼀氧化碳和氢⽓的原料⽓。
然后就是⼀氧化碳变换，使其在催化剂存在的条件下和⽔蒸⽓发⽣反应，从⽽⽣成氢⽓和⼆氧化碳，得到主要成分是氢⽓和⼆氧化碳的变换⽓。根据变换温度的不同可以将⼀氧化碳的变换⼯艺分为两种：中温变换、⾼温变换。其中⾼温变换的温度⼤概在 360℃左右，中温变换的⼯艺⼤概在320℃左右。随着技术对策发展，近年来开始采⽤⼀氧化碳⾼温变换加低温变换的两段⼯艺设置，这样可以近⼀步节省对资源的消耗，但对于转化⽓中⼀氧化碳含量不⾼的情况，可只采⽤中温变换。
最后⼀个步骤就是提纯氢⽓，现在最常⽤的⼀种氢⽓提纯系统就是 PAS 系统，⼜叫变压吸附净化分离系统，这种系统能耗低、流程简单、制取氢⽓的纯度较⾼，最⾼时氢⽓的纯度可达 99.99%。
2 天然⽓制氢⼯艺和技术
2.1 绝热条件下，天然⽓制氢
公交车线路牌
这种天然⽓制氢⽅式更适⽤于⼩规模的制取氢。天然⽓绝热转化制氢将空⽓作为氧⽓来源，同时利⽤含氧分布器可以有效解决催化剂床层热点问题和能量的分配，随着床层热点的降低，催化材料的反应稳定性也得到较⼤的提⾼。天然⽓绝热转化制氢⼯艺流程简单、操作⽅便，当制氢规模较⼩的时候可以降低制氢成本和相应的制氢设备的投资。
2.2 天然⽓部分氧化制氢
天然⽓部分氧化制氢的反应器采⽤的是⾼温⽆机陶瓷透氧膜，与传统的蒸汽重整制氢的⽅式相⽐较来说，天然⽓部分氧化制氢⼯艺所消耗的能量更加少，因为它采⽤的是⼀些价格低廉的耐⽕材料组成的反应器。这种天然⽓制氢⼯艺⽐⼀般的⽣产⼯艺在设备投资⽅⾯的成本降低了 25% 左右，⽣产的成本降低了 40% 左右，可以在⼀定程度上降低投资成本。
信号调理模块2.3 天然⽓⾼温裂解制氢
天然⽓⾼温裂解制氢主要在⾼温条件下，天然⽓催化分解成为碳和氢，但是在这⼀过程中并不产⽣任何⼆氧化碳，所以⼀般将其认为是从化⽯燃料使⽤到可再⽣能源利⽤的过渡⼯艺。这种⼯艺⽬前还在研究当中，但是可以预见的是这种天然⽓制氢⼯艺具有良好的应⽤前景。
2.4 天然⽓⾃热重整制氢
天然⽓⾃热重整制氢的原理就是在反应器中进⾏放热的天然⽓燃烧反应和强吸热的天然⽓⽔蒸汽重整反应的耦合，这样⼀来，反应器本⾝就要可以实现供热，⽆需外界供热，这在⼀定程度上降低了⼯艺成本。与传统的重整⼯艺的外界供热相⽐，它变成了⾃供热，实现了反应热量的科学利⽤。
3 天然⽓制氢⼯艺的改进
通过对转化炉、热量回收系统等进⾏改造可以实现成本节约、降低对天然⽓原料的消耗，这种技术通过对天然⽓加氢脱硫和在转化炉中放置适量的特殊催化剂进⾏裂解重整，⽣成⼆氧化碳、氢⽓和⼀氧化碳的转化⽓，之后再进⾏热量回
硫和在转化炉中放置适量的特殊催化剂进⾏裂解重整，⽣成⼆氧化碳、氢⽓和⼀氧化碳的转化⽓，之后再进⾏热量回收，经⼀氧化碳变换降低转化⽓中⼀氧化碳的含量、再通过PSA 变压吸附提纯就可以得到纯净的氢⽓。
天然⽓制氢装置中氢⽓提纯⼯艺主要是在适当条件下，将硅胶、活性炭、氧化铝等组成吸附床，并⽤吸附床将变换⽓中各杂质组分在适当的压⼒条件下进⾏吸附，不易被吸附的氢⽓就从吸附塔的出⼝输出，从⽽实现氢⽓的提纯。这⼀⼯艺的主要性能指标和技术指标如下：
1）⽣产能⼒⼀般在500~100000 m3/h，氢⽓产品的纯度可达 99.99%，产品的压⼒在 1.5 MPa 左右；
2）处理原料的量在 20-5000 m3/h，氢⽓纯度⼀般在 99.9%左右，氢⽓的提取率在 80% 左右。
4 天然⽓制氢⼯艺的成本分析
天然⽓制氢成本主要包括两个⽅⾯：⼀个是可变成本，这种可变成本主要指的就是电费、冷却⽔费⽤、去离⼦⽔费⽤等等；另⼀个就是不可变成本，这主要包括维护费、办公费、⼯资等等，下⾯本⽂将进⾏具体的介绍。
4.1 可变成本
4.1.1 去离⼦⽔费⽤
这主要就是根据实际的运⾏情况来确定去离⼦⽔费⽤，以某⼯⼚为例，此⼯⼚每产⽣ 1⽴⽅⽶氢⽓就会消耗 1.4 Kg 去离⼦⽔，然后根据当前的市场价知道每千克去离⼦⽔为 0.05 元，那么该⼯⼚每⽣产1⽴⽅⽶的氢⽓就要耗去离⼦⽔的费⽤为0.07 元。
4.1.2 冷却⽔费⽤
冷却⽔费⽤也是根据实际的运⾏情况来确定的，以某⼯⼚为例，此⼯⼚每产⽣ 1 ⽴⽅⽶氢⽓就会消耗5Kg 冷却⽔，然后根据当前的市场价知道每千克冷却⽔的价格为0.003 元，那么该⼯⼚每⽣产 1⽴⽅⽶氢⽓就要耗冷却⽔的费⽤为0.015元。
4.1.3 电费
以某⼯⼚为例，根据实际的运⾏情况，此⼯⼚每产⽣ 1⽴⽅⽶氢⽓就会消耗 0.34kW·h 的电，电价按照0.6 元/kW·h 取，那么该⼯⼚每⽣产 1 ⽴⽅⽶氢⽓就要耗电的费⽤为 0.204 元。
4.1.4 天然⽓费⽤
以某⼯⼚为例，根据实际的运⾏情况，此⼯⼚每产⽣ 1⽴⽅⽶氢⽓就会消耗 0.49 ⽴⽅⽶的天然⽓，该⼯⼚⽣产 1⽴⽅⽶氢⽓要耗的天然⽓的费⽤的计算公式如下：C1=0.49*P
其中，C1表⽰标准⼯况下，单位量的氢⽓所消耗的天然⽓的费⽤，P表⽰单位体积天然⽓的价格。
最后，将上述⼏个⽅⾯的花费相加，可以得到总的可变成本的公式：
C变=0.07+0.015+0.204+0.49P
=0.289+0.49P氨气生成一氧化氮
多肽修饰4.2 不可变成本
4.2.1 折旧费
还是以上⾯的⼯⼚为例，假设此⼯⼚的总投资 I 为50,000,000元，运⾏时间 t 为 18 年，折现率 i 取5%，总的折旧费可以根据下述公式进⾏计算：
C3=I（1+i）n/t
C3=I（1+i）n/t
通过上式⼦，再代⼊计算公式，得到每年折旧费为292 万元。
4.2.2 维修费
每⽣产单位量的氢⽓所需的维护费是 0.005 元，根据下述公式对每年的维护费进⾏计算：C4=0.005V
其中V 是每年⼯⼚所产的氢⽓量（⽴⽅⽶/年）。
4.2.3 员⼯⼯资
假设该项⽬需要 15 ⼈，每个⼈每年的总⼯资包括奖⾦⼤约为 100.000 元，那么这⼀年的员⼯⼯资为1,500,000元。4.2.4 营销费和管理费太阳能安全帽
营销费为可变成本的 0.025，管理费为 0.035。所以，每年的管理费和营销费的计算公式如下：
C5=0.06（0.289+0.49P）V
所以，不可变成本就为：
多媒体集中控制器
C固=4,420,000+0.005V+0.06（0.289+0.49P）V
总成本为C总，C总=C变+C固=0.289+0.49P+C固/V
从上⾯的公式中看出，氢⽓的总成本和⼯⼚每年的产⽓量及天然⽓的价格有关系。
综上所述，天然⽓制氢⽓的综合成本和项⽬的运⾏年限、天然⽓的价格、年产能有关，所以，相关⼯程在进⾏天然⽓制氢项⽬时要充分了解天然⽓的价格、氢的需求量等情况。
