· 386 ·7 2017 年 年 7 7 月 第 第 3 3 卷 理论前沿 工程技术 各种制氢工艺对比分析及选用探讨 张元春 大庆石化公司炼油厂加氢二车间，黑龙江 大庆 163000 摘要：氢气在我国的用途非常的广泛,其不但可以被当作能源使用到各行各业的供能之中,同时其还是一种很重要的化工产品,被广泛的使用到石油、电子、化工及医药等行业。本文从各种制氢工艺的原理出发，对其工艺性和经济性作对比分析。 关键词：电解水 中图分类号：TQ116.2+1 中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1671-5586（2017）3-0386-01 将氢气当作能源使用,主要是因为氢气的供能效果好、燃烧...

   386 7 2017 年 年 7 7 月 第 第 3 3 卷 理论前沿 工程技术 各种制氢工艺对比分析及选用探讨 张元春 大庆石化公司炼油厂加氢二车间，黑龙江 大庆 163000 摘要：氢气在我国的用途非常的广泛,其不但可以被当作能源使用到各行各业的供能之中,同时其还是一种很重要的化工产品,被广泛的使用到石油、电子、化工及医药等行业。本文从各种制氢工艺的原理出发，对其工艺性和经济性作对比分析。 关键词：电解水 中图分类号：TQ116.2+1 中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1671-5586（2017）3-0386-01 将氢气当作能源使用,主要是因为氢气的供能效果好、燃烧清洁无污染,而将其使用到化工行业之中,主要是为了合成相应的组成物质。本文主要是不同的制氢工艺出发，对其优缺点作对比分析。 1 主要制氢工艺技术方法 1.1 电解水制氢 电解水制氢是一种很常用的使用方法,也是目前使用技术很成熟的一种方法。只需要出示一定的能量将水进行分解,即可生产氢气和氧气这两种气体。小规模制氢经常会使用到电解水的方法来制备氢气,这种制备方法的生产效率在 75%-85%之间,该制备方法不仅非常的简便,同时整个制备过程中不会产生相应的污染物质。不过由于这种制备方法所需要消耗的电能量极大,并且很难进行大型化的生产,因此使用这种方法制备氢气受到了某些特定的程度的限制。 1.2 天然气转化制氢 在使用天然气进行转化制氢的时候,需要将天然气与水蒸气相结合,然后在催化剂的作用之下甲烷发生裂解反应生成氢气。使用这种方法制氢需要在 00~900℃的条件之下进行。天然气转化制氢的氢气含量大概在 74%。天然气转化制氢工艺流程很复杂,设备尺寸偏大,在整个反应的过程中还需要消耗较多的蒸汽。该办法来进行改进,开发间歇式天然气蒸汽转化制氢工艺,不需要如此高温度,同时还节约了相应的装置投资所需成本。 1.3 煤焦化或煤气化法制氢 在使用煤为原料进行氢气生产的时候,可通过的生产方法主要有两种,一种是将煤进行焦化处理来生产氢气,这种生产的全部过程又称高温干馏,还有一种生产方法是将煤进行气化处理来制备氢气。 (1)煤焦化 在利用煤焦化这种生产方法来制备氢气的时候,第一步是要将煤做隔绝空气的处理,然后将其加温至 900~1000℃制取焦炭,在这样的一个过程中会有焦炉煤气产生。在焦炉煤气之中,氢气的含量在 55%-60%之间,其他的气体为甲烷、一氧化碳和二氧化碳等气体。在得到焦炉煤气之后,需要采取对应的方法将其中的蔡、硫等杂质去除,然后再让气体通过变压吸附装置,从而将氢气进行提纯。在使用该制备方法生产氢气的时候,同时也存在着制备工艺流程复杂,需要投资较大的制备成本和产生较高的能源消耗,更重要的是还会受到焦化行业的制约。 (2)煤气化制氢 大型工业煤气化炉如鲁奇炉是一种固定床式气化炉,所制得煤气组成为氢气 37%-39%之间(体积)、一氧化碳在17%-18%之间、二氧化碳在 32%、甲烷在 8%-10%之间。另一种新型炉型为气流床煤气化炉,称德士古煤气化炉,用水煤桨为原料,目前已建有工业生产装置生产合成氨、合成甲醇原料气,其煤气组成为氢气 35%-36%之间(体积)、一氧化碳44%-51%之间、二氧化碳 13%-18%之间、甲烷 0.1%,甲烷含量低为其特点。 1.4 甲醇水蒸气转化制氢 (1)甲醇水蒸气转化原理 在使用甲醇水蒸气转化制氢的时候，其相应的制备原理是将甲醇与水蒸气进行充分地混合，接着进行加压和加热处理，这样子就能够在催化和转化的过程中完成氢气的制备。在该反应完成后气体主要有两种成分:第一种当然是氢气，其体积大概在 75%左右，还有一个主要气体是二氧化碳，其所占到的体积量大小在 24%左右，最后还剩下 1%的组成气体为一氧化碳。 (2)变压吸附原理 变压吸附的基础原理是:利用吸附剂对气体的吸附有选择性，即不同的气体(吸附质)在吸附剂上的吸附量有差异和一种特定的气体在吸附剂上的吸附量随着压力变化而变化的特性，实现气体混合物的分离和吸附剂的再生。其相应的变压吸附流程是:通过对原料气体进行加压，会使得二氧化碳、一氧化碳等不易吸附的组分通过吸附床层由吸附塔顶部排除，以此来实现气体混合物的分离，而通过降低吸附床的压力使被吸附的氢气组分脱附解吸，使吸附剂得到再生。 (3)工艺流程简述 来自用户的脱盐水与回收在循环液缓冲罐中未反应的甲醇和水混合，经过循环液升压泵加压与来自甲醇缓冲罐经甲醇升压泵加压的原料甲醇按 1: 1 的重量比混合后，然后经进料泵加压后进入热换器，与来自转化器的转化气进行第一次热交换。完成第一次热交换后的原料液随即进入汽化塔，在再沸器中与导热油进行第二次热交换完成汽化，然后通过过热器再次被加热后入转化反应器进行反应。转化气经分液、水洗后进入 PSA 脱碳工序，经八塔七次均压加抽真空变压吸附过程，从而得到半产品气，杂质二氧化碳被排放到大气中。半产品气进入到 PSA 提氢工序进一步被提纯，在提氢工序经采用八塔五次均压加抽真空变压吸附过程，最终得到的氢气纯度为 99.5%以上的气体一氧化碳和二氧化碳气体的含量小于 20ppm。由于这种制氢方法在进行反应的时候，反应温度较低(260C-300C)，不需要仔细考虑废热回收燃料消耗也低，因此得到了十分普遍的应用。 采用甲醇水蒸气转化制氢技术制备氢气有很多的优点:首先，甲醇原料是普通化工原料，便宜且易得;其次，整个制备过程不仅工艺流程格外的简单，而且所要消耗的投资也相对较少;更重要的是，整个制备过程操作条件温和且方便灵活。目前，我国在使用这种办法来进行制氢的时候，其规模在 5000-10000Nm3/h，甲醇的消耗可降至最低。截止到目前为止，这种生产的基本工艺是制备氢气最佳的工艺，该工艺技术非常有可能将成为今后精细化工企业制氢技术的典范。 2 制氢工艺技术比较 通过对以上四种制氢工艺做多元化的分析，能够准确的看出，每一种不同的制氢工艺，都存在的一定的优缺点。从工艺流程、操作条件、设备投资、能量消耗、原料来源等多方面考虑，最终我们得知甲醇水蒸气转化制氢方法是最为可取的一种生产方法，未来非常有可能成为制备氢气的一种主要方法。 电解水制氢：工艺简单、能耗大，纯度 75-85%，经济规模 300Nm3/h，制氢成本 3.0-4.0Nm3；天然气转化制氢：工艺复杂、能耗大、成本高，纯度 74%，经济规模 1000-5000Nm3/h，制氢成本 0.8-1.5Nm3；煤焦化：工艺复杂、能耗大、成本高，纯度55-65%，经济规模100000Nm3/h，制氢成本0.8-1.6Nm3；煤气化制氢：工艺简单、投资高，纯度 35-36%，经济规模100000Nm3/h，制氢成本 0.6-1.2Nm3；甲醇水蒸气转化制氢：甲醇原料便宜且易得、投资少、能耗低，纯度 99.5%，经济规模 5000-10000Nm3/h，制氢成本 0.6-1.0Nm3； 作为制氢企业和研发设计单位，应该加大对制氢工艺的研发力度，在今后的生产的全部过程中，不断研究和创新相应的生产技术，从而确保在为社会提高更加高质量氢气的同时，不断降低自身的生产所带来的成本，最终促使其在激励的竞争中获得更好的发展。 参考文献 [1]罗明,王树众,王龙飞,吕明明,肖仲正,朱佳斌. 基于化学链技术制氢的研究进展[J]. 化工进展,2014,33(05): 1123-1133. [2]陈冠益,高文学,马文超. 生物质制氢技术的研究现状与展望[J]. 太阳能学报,2006,(12):1276-1284.