本文对国内三个不同天然气制氢成套设备供货商的 1万标 m3/ h 天然气制氢装置工艺技术方案、工艺消耗、装置占地、投资等方面进行了阐述和对比分析。
1 概述
氢气是重要的石油化工原料，随着国内化工项目建设，氢气的缺口也越来越大，目前制氢技术主要包括煤制氢、天然气制氢、电解水制氢、甲醇制氢等。
天然气制氢技术是成熟的工艺技术，本文以 1万标 m3/h 天然气制氢气装置为例，选取国内三个不同供货商，对三家天然气制氢装置的工艺方案、消耗、装置占地及投资等方面进行了对比分析，给项目决策者提供数据支持。以下对三个供货商厂家名称不进行明示，以 A、B、C 供货商代替[1]。
2 天然气制氢工艺技术
天然气制氢工艺由预处理（含脱硫）、转化（包含变换）、PSA 氢气提纯、余热回收等工序组成。
2.1 预处理（含脱硫）工序
为了满足转化工序催化剂对原料中硫含量的要求，需要将原料气进行脱硫预处理，脱硫分两步，加氢和硫化氢的脱除。在温度350 ℃、压力2.5 MPa 下，原料气进入脱硫反应器，与氢气反应，将有机硫转化成无机硫，再通过氧化锌脱硫剂，硫化氢被氧化锌固化，产品气中硫含量低于 0.2 ppm以下，进入后续转化工序，其主要反应为 ：
在预处理工序，A和B供货商采用钴钼系催化剂和氧化锌脱除硫化物，而C 供货商经过多年的研究和实践，打破了传统的天然气加氢预处理使用钴钼系催化剂，采用 TC-1 铁锰锌脱硫剂，造价更低，同时进行有机硫热解和氢解、硫化氢吸收，在天然气制氢行业上应用较好[2]。
2.2 转化部分
脱硫后的天然气与水蒸气混合后在转化炉的对流段预热后进入转化炉转化管，在催化剂床层上主要进行以下反应 ：
整个转化管内的反应是吸热反应，需要炉膛供热维持反应进行。反应过程所需热量由转化炉顶部的气体燃料烧嘴提供，出转化炉850 ℃高温转化气经转化气蒸汽发生器换热后，温度降至350 ℃，进入中温变换部分，后进入变压吸附分离工序。
三家供货商提供技术方案中转化炉均采用顶烧转化炉，燃烧器在上方，也是目前广泛应用的转化炉，转化炉由炉体辐射段（转化管）和对流段（设有盘管，原料天然气预热、烟道气蒸汽发生器、空气预热器等）组成。反应器全部采用热壁结构，筒体采用低铬钼钢材质，转化管由铬镍合金（HP-40Nb）离心浇铸铸造而成，价格较高，焊接难度大，设计及装配水平是影响转化炉使用寿命的关键因素。在炉体设计方面，A和C 供货商有专门的工业炉设计专业，采用 REFORM 和 FRNC-5PC 软件进行模拟设计，利用软件进行热应力计算等，均已建成数套装置，可靠性较高[3]。
三家方案中转化炉管根数及大小不同，B供货商炉管个数更多，由于转化管造价较高，从经济上比较A和C供货商的方案更省钱。
2.3 变换部分
转化气进入中温变换反应器，发生变换反应 ：
中变气经过锅炉给水第二换热器、锅炉给水第一换热器、脱盐水预热器进行热交换回收部分余热后，再经中变气空冷器和水冷却器冷却至40 ℃，经分水后进入 PSA 部分。变换部分三家方案差别不大，均采用铁铬系催化剂，温度 350 ℃中温变换，唯一区别是变换气冷却方式不同，A 供货商采用空冷加水冷结合方式，节约循环水用量，设备占地虽大一些、投资虽高一些，但是运行费用降低也更加节能。
2.4 热回收及产汽系统
锅炉水通过自然循环的方式分别经过转化炉产汽段、转化气蒸汽发生器产生 3.5 MPa蒸汽并与对流段换热过热到 450 ℃。经过减温后外输出装置进入全厂蒸汽管网。三家方案基本一致，A与B 供货商都设置了除氧器、汽提塔和汽包，C供货商没有设置汽提塔，其余与 AB 一致。
2.5 PSA 变压吸附
经过冷却、分水后的中变气，进入PSA 单元，除去氢气中得 CH4、CO、CO2、H2O 等杂质，吸附饱和得吸附床再进行减压、吹扫，使吸附剂得以再生后，再充压吸附，设置自动程控阀门，控制吸附和解析过程全自动化。经过除杂后得氢气纯度大于 99.9%，送出装置。由于吸附塔冲洗需要氢气反吹，本工序产生尾气量约 5 700 Nm3/h（氢气压力1.2 MPa 时），含氢 35.8%，甲烷 6.4%，三家方案都是将此股工艺尾气返回到转化炉，和燃料气混合后燃烧，为转化反应提供热量。
2.6 排污问题
中变气冷凝液中含有大量二氧化碳，酸性水直接外排增大污水处理负荷并造成损失，C 供货商设计常压酸性水汽提塔，可以回收部分工艺凝液，进入除氧器后再进到汽包。汽包定期加药排污，
A供货商设计排污罐，可产生二次低压蒸汽外供。B供货商设计了高压汽提塔，汽提后的蒸汽和二氧化碳又回到了蒸汽系统，对设备及管线的有一定的腐蚀，从工艺角度看不合理。
3 三家供货商技术方案对比分析
3.1 工艺技术方案对比分析
通过表 1 工艺技术对比如下，三家供货商工艺控制不完全相同，各有优缺点。整体看C 供货商的催化剂及吸附剂都是专供产品，后续生产对C供货商的依附较大。
3.2 工艺消耗对比分析
三家供货商工艺消耗对比分析见表 2，可见同等产能情况下，由于工艺控制参数不同，设备配置不同，各消耗也有差别，对比看C供货商有原料消耗少、动力消耗低的优势，其次是A供货商，最后是B供货商。
3.3 装置占地与工程投资对比分析
三家供货商的装置占地与投资对比见表3，这里的投资不包括土建、消防、公用工程等配套的投资，C 供货商占地最大，投资也最高，A 供货商居中，B 供货商的投资与占地优势最大。
4 结论
根据对三家供货商工艺技术、工艺消耗、设备占地和投资对比分析，A与C 供货商原料和公用工程消耗低，氢气的生产成本会低，在生产成本上有优势，但 A与C 供货商装置投资较高，投资回收期也相应加长。B供货商在投资和占地上优势很大，缺点是生产成本高，但B 供货商也是具有一定实力的供货商，国内外已建成多套天然气制氢装置，对于注重一次投资的决策者，可考虑B 供货商。
把我们列为【星标★】才能经常看到我们哦~ 来源：工艺技术 作者：李志娜助力双碳，氢启未来 --- 第五届中国制氢与氢能源产业大会即将召开！为推动氢能在交通领域和工业领域规模化应用，助力国家双碳战略目标实现，由中国煤炭加工利用协会、中国科学院大连化学物理研究所、山东能源集团有限公司联合主办，北京泛地能源咨询中心承办的第五届中国制氢与氢能源产业大会拟于2023年4月在北京召开。
氢，源于自然，回馈社会。面向未来，氢能将成为推动科技革命、促进产业升级、应对气候变化的有力抓手。立足当下，绿电制绿氢、绿氢交通、绿氢化工必须打通规模化、低成本的关键瓶颈。以创新技术为引领，做好一体化工程解决方案，是制氢与氢能源产业的必然使命。
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中国制氢与氢能源产业大会先后在北京、乌海、北京、济南成功举办四届。中国工程院凌文院士、倪维斗院士、金涌院士、刘中民院士、衣宝廉院士、彭苏萍院士，中国科学院李灿院士、谢在库院士、徐春明院士、严纯华院士共10 位院士，国家发改委能源所、清华大学、国家能源、国家电投、中石化、航天科技、东方电气、石油和化学工业规划院、电规总院等领航企业和研究机构的100多位专家学者到会作主旨报告，参会总人数达2000人以上。
助力双碳，氢启未来！第五届中国制氢与氢能源产业大会热忱欢迎您的到来！咨询电话13611027607
2022中国煤炭深加工与新能源耦合发展大会
▌时间：待定
▌地点：新疆?哈密?伊吾
—— 组织架构 ——
主办单位：
中国煤炭加工利用协会
哈密市人民政府
承办单位：
伊吾县人民政府
中国煤炭加工利用协会煤转化分会
中国煤炭加工利用协会兰炭分会
北京泛地能源咨询中心
关于哈密
哈密集丰富的煤炭、油气、风能、光能等能源资源于一地，能源富集且多样化，是全疆乃至全国传统能源（煤炭）与可再生能源（风、光）组合开发条件最为优越的地区之一。
哈密熔盐塔式50兆瓦光热发电站全景
据了解，哈密市煤炭预测资源量5708亿吨，占全国预测资源量的12.5%，占新疆预测资源量的31.7%，居全疆第一位，具有低灰、低硫、低磷、高热值、高含油率、高挥发分三低三高特点，特别是三塘湖、淖毛湖矿区已探明的煤炭资源中大部分为高含油煤，各煤层煤焦油产率平均达10%以上，最高接近20%，是全国乃至全世界罕有的富油煤种，风能、太阳能资源是全疆最好的地区。油气资源储量大，已探明的6个含油区块石油总资源量5.7亿吨，煤层气预测资源量约1.63万亿立方米，页岩气预测资源量约2770亿立方米、油页岩资源预测资源量约41亿吨，被自然资源部确认为亿吨级油田。哈密是全国风资源和光资源最好的地区之一，有全疆九大风区中的三塘湖—淖毛湖风区、十三间房风区及东南部风区，哈密市70米高度风功率密度等级≥每平方米200瓦、≥每平方米250瓦、≥每平方米300瓦和≥每平方米400瓦的技术开发量分别为3.03亿千瓦、2.44亿千瓦、1.9524亿千瓦和1.3亿千瓦；太阳能资源理论蕴藏量22.6万亿千瓦时，资源可开发量达49.38亿千瓦，技术可开发量达32.09亿千瓦，被国家确定为以千万千瓦级风电、百万千瓦级光伏发电示范基地为主的国家级综合能源基地。哈密辖区内新能源建设区域多为荒漠、戈壁地貌，地势平坦，适合大规模基地式集中连片开发建设，具备建设荒漠、戈壁大型风光电基地的土地资源优势。在碳达峰、碳中和战略引领下，哈密能源产业发展迎来了历史性机遇。
关于伊吾
伊吾县位于新疆东北部，天山北麓东段，总面积19519平方千米，户籍人口21218人，有汉族、维吾尔族、哈萨克族等17个民族。下辖4乡3镇1个牧民搬迁开发区、1个自治区级工业园区。辖区内有兵团淖毛湖农场、边防连等十余家驻地单位和部队。先后被国家、自治区评为全国民族团结进步创建活动示范县国家卫生县城国家级园林县城自治区级优秀平安县自治区级生态文明建设示范县自治区文明县等称号。
伊吾县矿产资源十分丰富，现已探明矿产资源有煤、铁、铜、金、煤、石油、芒硝、花岗岩等28种四十余处矿产地，开发利用的有石油、铁、煤、金等。风、光能资源十分丰富，伊吾淖毛湖风区90米高度平均风速7.41m/s-8.49m/s，风功率密度在741-1196瓦/平方米，是新疆风资源最好的地区。光伏规划区年均日照大于6h的天数在300天左右，全年日照时数为3300至3500小时，年平均太阳总辐射量为6214.66兆焦/平方米，是全国太阳能资源最为优越的地区之一，开发利用潜力大。其中，煤炭资源储量大、品种多、易开采，具有低硫、低磷、低灰粉、高发热量三低一高的特点，焦油产率在10%以上，最高可达16.3%，是全国乃至全世界罕有的富油煤种，是煤炭深加工项目的理想原料。已探明煤炭资源储量241.5亿吨，矿区总规修编后，矿井田由6个增加至15个，煤炭规划产能由2900万吨/年提高到1.43亿吨/年，目前已建成煤矿企业2家。
伊吾工业园区规划面积20平方公里，于2016年建成自治区级园区，已建成面积21.23平方公里，2018、2019、2020年度连续三年在全疆开发区土地集约利用评价中名列第一，是哈密现代能源与化工产业示范区发展的重要支撑和承载平台，实行以煤炭清洁高效利用为主的淖毛湖煤化工循环经济产业区、白石湖煤炭高效综合利用产业区和以有机农副产品深加工为重点的盐池特色农产品产业区，一园三区发展格局。近年来，围绕煤炭分级分质利用和煤制甲醇两条产业链，不断延伸产业链条。煤炭分质利用已建成1930万吨/年，在建3100万吨/年；焦油加氢已建成110万吨/年，年可产汽柴油100余万吨，在建100万吨/年；利用富产的荒煤气建成制乙二醇40万吨/年、发电4×5万千瓦机组及2×13.5万千瓦机组等项目，规划建设荒煤气制乙二醇、甲醇、甲缩醛、发电等产业延长项目。煤制甲醇产业链中，已建成甲醇120万吨/年、甲缩醛15万吨/年、多聚甲醛4万吨/年、乌洛托品2万吨/年、聚丙烯20万吨/年项目；十四五规划建设300万吨/年二氧化碳捕集及驱油示范项目、年产50万吨聚乙醇酸项目、风光互补联合制氢捕集二氧化碳合成绿色高值化学品项目、百万千瓦风光多能互补绿色低碳高值煤基化学品新材料项目、400万吨/年煤油共炼项目，发展甲醇制聚烯烃、MMA等产业延长精细化工项目。
