生產(chǎn)管理-天然氣制氫生產(chǎn)原理及流程

會(huì)計(jì)實(shí)操文庫1/4生產(chǎn)管理-天然氣制氫生產(chǎn)原理及流程一、生產(chǎn)原理（一）蒸汽重整反應(yīng)天然氣的主要成分是甲烷（CH?），在高溫及催化劑作用下，甲烷與水蒸氣發(fā)生蒸汽重整反應(yīng)。反應(yīng)方程式為：CH?+H?O?CO+3H?。此反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，通常在800-900℃的高溫下進(jìn)行。催化劑一般選用鎳基催化劑，它能降低反應(yīng)的活化能，加快反應(yīng)速率，使甲烷與水蒸氣在相對(duì)較低的溫度下高效轉(zhuǎn)化為一氧化碳（CO）和氫氣（H?）。例如，在某天然氣制氫工廠，通過優(yōu)化鎳基催化劑的配方與制備工藝，在850℃時(shí)，甲烷的轉(zhuǎn)化率可達(dá)80%以上。（二）水煤氣變換反應(yīng)蒸汽重整反應(yīng)產(chǎn)生的一氧化碳與水蒸氣進(jìn)一步發(fā)生水煤氣變換反應(yīng)，反應(yīng)方程式為：CO+H?O?CO?+H?。該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，在不同溫度條件下，可使用不同的催化劑。中溫變換反應(yīng)一般在350-500℃，采用鐵鉻系催化劑；低溫變換反應(yīng)在200-280℃，使用銅鋅系催化劑。通過水煤氣變換反應(yīng)，可將一氧化碳進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氫氣，提高氫氣的產(chǎn)量。例如，在中溫變換階段，使用鐵鉻系催化劑，一氧化碳的轉(zhuǎn)化率可達(dá)90%左右，有效增加了氫氣的生成量。二、生產(chǎn)流程（一）原料預(yù)處理脫硫：天然氣中常含有少量的硫化氫（H?S）等含硫化合物，這些雜質(zhì)會(huì)使后續(xù)反應(yīng)中使用的催化劑中毒失活，因此需進(jìn)行脫硫處理。常用的脫硫方法有干法脫硫和濕法脫硫。干法脫硫采用氧化鋅（ZnO）、活性炭等脫硫劑，硫化氫與脫硫劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硫化鋅等物質(zhì)被脫除。例如，在天然氣流量為1000m3/h的情況下，使用氧化鋅脫硫劑，可將天然氣中的硫化氫含量從100ppm降低至1ppm以下。濕法脫硫則采用醇胺類等溶液吸收硫化氫，如甲基二乙醇胺（MDEA）溶液，通過氣液吸收的方式脫除硫化氫，適用于硫化氫含量較高的天然氣。脫氯：天然氣中可能含有微量的氯化物，氯化物也會(huì)對(duì)催化劑產(chǎn)生毒害作用。一般采用吸附法脫氯，使用專用的脫氯劑，如氧化鋁基脫氯劑。脫氯劑能吸附天然氣中的氯化物，使天然氣中的氯含量降低至0.1ppm以下，確保后續(xù)反應(yīng)的順利進(jìn)行。（二）轉(zhuǎn)化反應(yīng)轉(zhuǎn)化爐：經(jīng)過預(yù)處理的天然氣與水蒸氣混合后，進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐進(jìn)行蒸汽重整反應(yīng)。轉(zhuǎn)化爐一般采用管式爐，爐內(nèi)裝有催化劑。混合氣體在爐管內(nèi)流動(dòng)，在催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)。轉(zhuǎn)化爐的加熱方式有多種，常見的是使用燃料氣燃燒產(chǎn)生高溫，為反應(yīng)提供熱量。例如，某天然氣制氫裝置的轉(zhuǎn)化爐，采用天然氣作為燃料氣，通過控制燃燒器的燃燒量，將轉(zhuǎn)化爐內(nèi)溫度穩(wěn)定控制在850℃左右，保證蒸汽重整反應(yīng)的高效進(jìn)行。反應(yīng)條件控制：除了溫度控制，還需精確控制水蒸氣與天然氣的比例（水碳比）。一般水碳比控制在3-4之間，合適的水碳比既能保證甲烷的充分轉(zhuǎn)化，又能避免因水蒸氣過多導(dǎo)致能耗增加。同時(shí)，控制反應(yīng)壓力，一般在2-3MPa，壓力的升高有利于提高反應(yīng)速率和設(shè)備的生產(chǎn)能力，但過高的壓力會(huì)增加設(shè)備投資和運(yùn)行成本。（三）變換反應(yīng)中溫變換：從轉(zhuǎn)化爐出來的含有一氧化碳、氫氣、二氧化碳等的混合氣體，先進(jìn)入中溫變換反應(yīng)器。在中溫變換反應(yīng)器內(nèi)，在鐵鉻系催化劑作用下，一氧化碳與水蒸氣發(fā)生中溫變換反應(yīng)，降低一氧化碳含量，增加氫氣產(chǎn)量。例如，在某制氫裝置中，中溫變換反應(yīng)器出口氣體中一氧化碳含量可降至3%-5%。低溫變換（可選）：對(duì)于對(duì)氫氣純度要求較高的情況，中溫變換后的氣體可進(jìn)入低溫變換反應(yīng)器。在銅鋅系催化劑作用下，進(jìn)一步降低一氧化碳含量，使一氧化碳含量降至0.3%-0.5%，提高氫氣的純度。低溫變換反應(yīng)器的操作溫度較低，可減少副反應(yīng)的發(fā)生，提高氫氣的選擇性。（四）氫氣提純變壓吸附（PSA）：經(jīng)過變換反應(yīng)后的氣體中，除了氫氣，還含有二氧化碳、一氧化碳、氮?dú)獾入s質(zhì)。采用變壓吸附技術(shù)進(jìn)行氫氣提純。變壓吸附裝置內(nèi)裝有多種吸附劑，如活性炭、分子篩等。在高壓下，雜質(zhì)氣體被吸附劑吸附，氫氣則通過吸附床層流出，從而實(shí)現(xiàn)氫氣與雜質(zhì)的分離。通過周期性地改變吸附床的壓力，進(jìn)行吸附、解吸操作，實(shí)現(xiàn)吸附劑的再生和連續(xù)生產(chǎn)。例如，某變壓吸附裝置，可將氫氣純度提高至99.9%以上，回收率可達(dá)90%-95%。膜分離（可選）：膜分離技術(shù)也可用于氫氣提純。利用特殊的高分子膜對(duì)不同氣體分子的滲透