生产管理-天然气制氢生产原理及流程

会计实操文库1/4生产管理-天然气制氢生产原理及流程一、生产原理（一）蒸汽重整反应天然气的主要成分是甲烷（CH₄），在高温及催化剂作用下，甲烷与水蒸气发生蒸汽重整反应。反应方程式为：CH₄+H₂O⇌CO+3H₂。此反应为吸热反应，通常在800-900℃的高温下进行。催化剂一般选用镍基催化剂，它能降低反应的活化能，加快反应速率，使甲烷与水蒸气在相对较低的温度下高效转化为一氧化碳（CO）和氢气（H₂）。例如，在某天然气制氢工厂，通过优化镍基催化剂的配方与制备工艺，在850℃时，甲烷的转化率可达80%以上。（二）水煤气变换反应蒸汽重整反应产生的一氧化碳与水蒸气进一步发生水煤气变换反应，反应方程式为：CO+H₂O⇌CO₂+H₂。该反应为放热反应，在不同温度条件下，可使用不同的催化剂。中温变换反应一般在350-500℃，采用铁铬系催化剂；低温变换反应在200-280℃，使用铜锌系催化剂。通过水煤气变换反应，可将一氧化碳进一步转化为氢气，提高氢气的产量。例如，在中温变换阶段，使用铁铬系催化剂，一氧化碳的转化率可达90%左右，有效增加了氢气的生成量。二、生产流程（一）原料预处理脱硫：天然气中常含有少量的硫化氢（H₂S）等含硫化合物，这些杂质会使后续反应中使用的催化剂中毒失活，因此需进行脱硫处理。常用的脱硫方法有干法脱硫和湿法脱硫。干法脱硫采用氧化锌（ZnO）、活性炭等脱硫剂，硫化氢与脱硫剂发生化学反应，生成硫化锌等物质被脱除。例如，在天然气流量为1000m³/h的情况下，使用氧化锌脱硫剂，可将天然气中的硫化氢含量从100ppm降低至1ppm以下。湿法脱硫则采用醇胺类等溶液吸收硫化氢，如甲基二乙醇胺（MDEA）溶液，通过气液吸收的方式脱除硫化氢，适用于硫化氢含量较高的天然气。脱氯：天然气中可能含有微量的氯化物，氯化物也会对催化剂产生毒害作用。一般采用吸附法脱氯，使用专用的脱氯剂，如氧化铝基脱氯剂。脱氯剂能吸附天然气中的氯化物，使天然气中的氯含量降低至0.1ppm以下，确保后续反应的顺利进行。（二）转化反应转化炉：经过预处理的天然气与水蒸气混合后，进入转化炉进行蒸汽重整反应。转化炉一般采用管式炉，炉内装有催化剂。混合气体在炉管内流动，在催化剂作用下发生反应。转化炉的加热方式有多种，常见的是使用燃料气燃烧产生高温，为反应提供热量。例如，某天然气制氢装置的转化炉，采用天然气作为燃料气，通过控制燃烧器的燃烧量，将转化炉内温度稳定控制在850℃左右，保证蒸汽重整反应的高效进行。反应条件控制：除了温度控制，还需精确控制水蒸气与天然气的比例（水碳比）。一般水碳比控制在3-4之间，合适的水碳比既能保证甲烷的充分转化，又能避免因水蒸气过多导致能耗增加。同时，控制反应压力，一般在2-3MPa，压力的升高有利于提高反应速率和设备的生产能力，但过高的压力会增加设备投资和运行成本。（三）变换反应中温变换：从转化炉出来的含有一氧化碳、氢气、二氧化碳等的混合气体，先进入中温变换反应器。在中温变换反应器内，在铁铬系催化剂作用下，一氧化碳与水蒸气发生中温变换反应，降低一氧化碳含量，增加氢气产量。例如，在某制氢装置中，中温变换反应器出口气体中一氧化碳含量可降至3%-5%。低温变换（可选）：对于对氢气纯度要求较高的情况，中温变换后的气体可进入低温变换反应器。在铜锌系催化剂作用下，进一步降低一氧化碳含量，使一氧化碳含量降至0.3%-0.5%，提高氢气的纯度。低温变换反应器的操作温度较低，可减少副反应的发生，提高氢气的选择性。（四）氢气提纯变压吸附（PSA）：经过变换反应后的气体中，除了氢气，还含有二氧化碳、一氧化碳、氮气等杂质。采用变压吸附技术进行氢气提纯。变压吸附装置内装有多种吸附剂，如活性炭、分子筛等。在高压下，杂质气体被吸附剂吸附，氢气则通过吸附床层流出，从而实现氢气与杂质的分离。通过周期性地改变吸附床的压力，进行吸附、解吸操作，实现吸附剂的再生和连续生产。例如，某变压吸附装置，可将氢气纯度提高至99.9%以上，回收率可达90%-95%。膜分离（可选）：膜分离技术也可用于氢气提纯。利用特殊的高分子膜对不同气体分子的渗透