上海华西化工科技有限公司 上海市 201203
摘要：氢气是一种重要的工业产品，它广泛用于石油、化工、建材、冶金、电子、医药、电力、轻工、气象、交通等工业部门和服务部门。工业氢气的生产方法很多，然而中小规模的制氢装置中，除了有合适的含氢气体可以直接变压吸附提氢外，考虑到原料和投资及生产成本等各种因素，转化制氢和甲醇制氢是比较好的两个选择。本文主要就转化制氢和甲醇制氢的技术及经济性进行比较，从而帮助用户可以做出更好的选择。
关键词：氢气；转化制氢；甲醇制氢；分析；总结
1 前言
氢气是一种重要的工业产品，它广泛用于石油、化工、建材、冶金、电子、医药、电力、轻工、气象、交通等工业部门和服务部门，由于使用要求的不同，这些部门对氢气的纯度、对所含杂质的种类和含量都有不相同的要求，特别是改革开放以来，随着工业化的进程，大量高精产品的投产，对高纯度的需求量正逐步加大，对制氢工艺和装置的效率、经济性、灵活性、安全都提出了更高的要求，同时也促进了新型工艺、高效率装置的开发和投产。[1]
工业氢气的生产方法很多，煤或焦炭气化、渣油或重油部分氧化、水电解、甲醇分解、富氢气体净化分离等都可以制取氢气。然而产氢规模在5000Nm3/h及以下的中小规模制氢装置中，除了有合适的含氢气体可以直接变压吸附提氢外，考虑到原料和投资及生产成本等各种因素，转化制氢和甲醇制氢是比较好的两个选择。本文主要就转化制氢和甲醇制氢的技术及经济性进行比较，从而帮助用户可以做出更好的选择。
2 转化制氢技术及甲醇制氢技术各自的特点及发展趋势
2.1 中小型转化制氢技术特点及趋势
我国20世纪60年代开发成功烃类蒸汽转化制氢技术，目前国内的转化制氢装置超过200套，单套制氢规模达到了100000Nm3/h，并且继续向大型化发展，实现了催化剂国产化、工程设计国产化。
氢气产量5000Nm3/h以下的中小型转化制氢技术，主要以天然气为原料，在石化、化工、钢铁等行业得到了广泛的应用，作为小规模氢气的廉价、方便的来源之一，近年来其主要有以下的发展趋势 [2]
2.1.1 转化炉采用顶烧式圆筒炉，相对于大型转化制氢采用的方箱式转化炉，节省了占地和投资。
2.1.2 优化转化炉的余热回收流程，燃烧空气预热采用两段，预热后的空气温度达到420℃~450℃，极大降低了外补燃料天然气的消耗，降低了外输蒸汽的量。
2.1.3 关键工艺参数的优化：降低水碳比，提高了转化炉入口温度，降低了燃料消耗，提高了产氢率。
2.1.4 自控水平的提高：采用燃烧器控制系统和装置自动负荷控制系统，提高了装置的安全性和自动化控制水平。
2.1.5 操作水平的提高：优化了装置开工步骤，减少了开工的时间。可与主装置共用操作人员，不设专门的内操人员。
2.1.6 天然气综合消耗大幅度降低，产氢率可达到2.4～2.5Nm3氢气/Nm3天然气。
2.1.7 部分设备可以在工厂预制撬装化，整体运到现场，节省现场的安装时间，安装质量也可以得到保证。
2.2 甲醇制氢技术特点及发展趋势优势
甲醇制氢作为小规模的制氢技术，有其自己独特的优势，特别在近几年，在我国天然气缺乏并且价格居高不下的情况下，由于同时甲醇价格比较低，因此甲醇制氢受到了广大用户的欢迎，规模也发展到现在的产氢几万方每小时。甲醇制氢的特点及发展趋势如下：
2.2.1 原料甲醇容易获得，运输、储存方便。受地域限制较少，
2.2.2 甲醇转化制氢反应温度低（260～280℃），工艺条件缓和，燃料消耗较低，流程简单，容易操作，装置投资较低，只有相同规模的转化制氢的一半左右。
2.2.3 氢气成本较低，但价格受甲醇价格波动的影响较大。
2.2.4 甲醇制氢向大型化发展的过程中，通过工艺的优化，采用两段法可以大大的降低原料甲醇消耗。[3]
3 天然气转化制氢技术的流程及主要操作参数
天然气转化制氢技术的典型流程如下：
目前天然气转化制氢的主要工艺参数如下：
转化炉入口温度：600℃
转化炉出口温度：840~860℃
水碳比：3.0~3.2
空气预热温度：420℃
PSA收率：80%~90%
产氢压力：1.5~2.4MPa.g
4 甲醇制氢技术的流程及主要操作参数
目前中小规模甲醇制氢的工艺流程比较多，下面选取两个有代表性的流程来论述：
4.1 单段PSA提氢，解吸气作燃料
此流程的优点是只有一段PSA，投资比较低；解吸气作为导热油炉的燃料，外补燃料消耗比较低；由于少了压缩机、真空泵等设备，因此公用工程消耗比较低。缺点是：PSA综合氢收率低，原料甲醇消耗比较高；解吸气热值较低，不太适合燃烧。
因此，此流程适合于外补燃料价格比较高，或者对于装置投资要求尽量低的用户。
4.2 两段PSA提氢，解吸气循环
此流程的优点是增加了一段VPSA脱碳，脱碳解吸气放空；提氢解吸气返回作为原料，减少了原料甲醇消耗；两段PSA，因此PSA综合氢收率高；缺点是：外补燃料比较多；投资略高；
4.3 甲醇制氢操作主要工艺参数
甲醇裂解温度：260℃~280℃
水醇比：1.5~2.0
单程PSA提氢收率：80%~90%
产氢压力：1.5MPa.g~2.4MPa.g
5 投资及消耗比较
为了方便比较以及技术经济及氢气成本分析，装置均以产氢3000Nm3/h为例，燃料均考虑天然气。氢气规格按照纯度99.999%，各种制氢流程的公用工程消耗（仅供参考）见下表：
6.1 原料价格的影响
氢气的成本主要由原料成本、公用工程成本以及固定资产折旧等组成，而这两种制氢装置中，原料成本可以占到氢气成本的绝大部分。因此，我们重点对原料价格对氢气成本的影响进行计算分析。
前几年，天然气一直处于供不应求的状态，因此其价格也是一涨再涨。但今年以来，随着油价的低迷，使人们看到了天然气降价的可能性，那么，天然气的价格究竟对于转化制氢氢气成本的影响有多大呢，可以看下面的图。
从上图可以看出，氢气成本与天然气价格基本呈线性的关系。即天然气价格越低，氢气成本越低。当天然气价格在4元/Nm3时，氢气成本为1.84元/Nm3；天然气价格在2元/Nm3时，氢气成本只有1.01元/Nm3
同样，甲醇制氢的氢气价格高低也主要取决于甲醇的价格，其对于氢气成本影响的曲线见下图。
从上图可以看出，在甲醇价格比较高时，二段的甲醇制氢的氢气成本比较低。但当甲醇价格较低时，一段的甲醇制氢的氢气成本具有优势。这是由于，当甲醇价格低时，其余公用工程消耗及固定资产折旧及人工工资等的费用占氢气成本的比例上升，而二段甲醇制氢甲醇消耗低的优势被抵消了。上述比较是基于燃料为天然气，天然气价格3元/Nm3。因为燃料的价格在公用过程中的占比比较大，因此下面我们重点比较一下不同价格燃料对氢气价格的影响。
6.2 甲醇制氢中燃料价格的影响
不同燃料价格对氢气成本的影响见下表。
从上图可以看出，氢气成本受燃料价格影响也比较大，当燃料价格变动时，氢气的成本从最高1.5元/Nm3可以到最低1.34元/Nm3。
7 结论
根据上面对于几种不同原料制氢工艺技术及技术经济方面比较，可以初步得到以下几个结论：
7.1 在中小型制氢装置的选择上，客户可以根据自己的实际原料状况选择合适的制氢工艺。
7.2 在当前市场的甲醇（2元/Kg）及天然气价格（3元/Nm3）的基础上，三种制氢方式的氢气成本是差不多的。
7.3 由于天然气价格可能会跟原油价格挂钩，及原油价格长期处于低价，因此天然气的价格可能会大幅下降，氢气成本也会大幅下降。因此虽然天然气转化制氢的一次性投资略高，但其工艺成熟，安全可靠，并且不需要原料储存设施，将来会具有比较强的竞争力。
7.4 甲醇制氢一次性投资比较低，在目前的甲醇价格基础上，其氢气成本也是比较合理的。如果用户可以找到价格更低的燃料，将会进一步降低氢气的成本。但甲醇制氢的甲醇储存设施，以及甲醇的运输、装卸车也是需要额外考虑的一部分。
参考文献：
[1] 王艳辉，吴迪镛，迟建．氢能及制氢的应用技术现状及发展趋势 《化工进展》 ，2001，20（1）：6-8
[2] 史云伟，刘瑾 天然气制氢工艺技术研究进展.《化工时刊》 ，2009，23（3）：59-61
[3] 杜彬.甲醇制氢研究进展．《辽宁化工》 ，2011，40（12）：1252-1254
论文作者:孙健
论文发表刊物:《基层建设》2017年第21期
论文发表时间:2017/11/1
标签：氢气论文; 甲醇论文; 制氢论文; 天然气论文; 价格论文; 成本论文; 燃料论文; 《基层建设》2017年第21期论文;