張佩蘭， 鄭 黎

（河南神馬尼龍化工有限責任公司，河南 平頂山 467013）

引 言

隨著石油煉制工業(yè)以及三大合成材料為中心的石油化學工業(yè)的飛速發(fā)展，氫氣消耗量也在迅速增加。很多有機合成工業(yè)、冶金工業(yè)、電子工業(yè)都迫切需要大量純氫，氫氣消耗費用已成為各個用氫企業(yè)的主要成本，氫氣的成本決定了企業(yè)的盈利水平。因此，選擇合適的制氫工藝，降低生產成本，已成為制氫項目經(jīng)濟分析的重要任務，受到人們的普遍關注。

我國現(xiàn)階段制氫技術主要有5大類：一是傳統(tǒng)的電解水法，這種方法由于能耗過高，除已建成裝置外，已少有新建裝置；二是采用煤焦氣化技術；三是采用變壓吸附提純焦爐氣技術；四是采用天然氣、烴類轉化、重油裂解等技術；五是甲醇裂解制氫技術。結合我國制氫技術的應用情況，本文介紹幾種較成熟且常用的制氫技術［1-2］。

1 制氫技術及經(jīng)濟性分析［3-4］

1.1 煤焦氣化技術

由于國內外大型煤氣化技術主要用途是制造合成氣，用于生產氫、氨、醇、油、燃氣、化肥等。加之，目前，Shell、Gsp、灰熔聚等多數(shù)氣化技術工程設計和操作經(jīng)驗不完善，裝置還沒有達到長周期、高負荷、穩(wěn)定運行的最佳狀態(tài)，一次性設備投資巨大，不適宜用于單純的制氫目的。因此，本文的煤焦氣化制氫技術指的是成熟的固定床富氧造氣技術。

1.1.1 工藝流程

以煤焦為原料，利用空分裝置副產氧氣（純度99.6%）和蒸汽作汽化劑，采用富氧氣化爐制得半水煤氣，半水煤氣經(jīng)過凈化、變換及變壓吸附裝置后制得純氫（99.9%）。

1.1.2 技術特點

該工藝是我國傳統(tǒng)間歇式煤氣化技術的改進，采用氧氣、蒸汽常壓氣化，可以采用三級冶金焦、白煤、型煤作原料，在生產運轉中只需調整部分工藝技術指標和小規(guī)模技改，即可實現(xiàn)3種原料的切換生產；相對于大型氣化技術建設周期短。

缺點是能耗大、投資較高、污染大，原料采購受限。其中，白煤、型煤原料只有山西有豐富的無煙煤資源（目前，在貴州、寧夏也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)無煙煤資源），這就造成了我國氮肥廠主要原料依賴山西晉城無煙煤的局面，導致煤價高，對于遠距離企業(yè)運費高。

1.1.3 經(jīng)濟分析

以制氫規(guī)模10 000m3/h為例，該種工藝制氫總投資需9 000萬元。3種原料下的煤焦氣化技術生產成本對比，如第55頁表1所示。

表1 3種原料煤焦氣化技術成本比較

由表1可以得出結論，原料成本在1 000元/t以下情況，型煤制氫具有成本優(yōu)勢；原料成本在1 000元/t以上情況，白煤制氫具有成本優(yōu)勢。但無論原料價格如何，焦炭氣化制氫成本最高。

1.2 焦爐氣制氫

焦爐氣制氫技術是采用變壓吸附的工藝，從煉焦行業(yè)副產的焦爐氣中提取純氫。其基本原理是利用固體吸附劑對氣體的吸附具有選擇性，以及氣體在吸附劑上的吸附量隨其分壓的降低而減少的特性，實現(xiàn)氣體混合物的分離和吸附劑的再生，達到提純制氫的目的。

1.2.1 工藝流程

根據(jù)原料焦爐氣組分比較復雜的特點，該制氫的工藝流程分為5個工序：原料氣壓縮工序、原料氣預處理工序、PSA-C/R、半成品壓縮工序、PSA-H2工序。

1.2.2 技術特點

國內不少焦化企業(yè)改變過去只焦不化、焦爐氣點天燈的既浪費資源又污染空氣的做法，充分利用焦爐氣制氫已建成制氫、甲醇、二甲醚等裝置。經(jīng)過近幾年的應用，目前焦化技術已經(jīng)運轉成熟、可靠，裝置建設投資低、占地面積小、生產成本低、自動化程度高，屬于廢氣回收利用的環(huán)保項目。

缺點是該工藝的生產裝置只能依靠焦化企業(yè)就近興建，否則管道輸送氫氣的成本將非常昂貴。

1.2.3 經(jīng)濟性分析

以制氫規(guī)模標準狀態(tài)10 000m3/h為例，該工藝制氫總投資5 000萬元。原料氣不同價格下的氫氣生產成本如表2。

表2 焦爐氣不同價格下的制氫成本

由于焦爐氣是焦化企業(yè)煉焦過程中產生的副產品，原先都是在作為燃料燃燒后高空排放，現(xiàn)在用于化工原料時價格一般均低于0.4元/m3，因此焦爐氣制氫成本優(yōu)勢明顯。

1.3 天然氣轉化制氫

天然氣制氫是由天然氣和蒸汽催化反應轉化制轉化氣和變壓吸附提純氫氣2部分組成：壓縮并脫硫后天然氣與水蒸氣混合，在鎳催化劑的作用下于820℃～950℃將天然氣轉化為含氫氣、一氧化碳和二氧化碳的轉化氣，轉化氣通過變換將一氧化碳變換為氫氣，成為變換氣。然后，轉化氣或者變換氣通過變壓吸附過程，得到高純度的氫氣。

1.3.1 工藝流程

該工藝流程分為5個工序：進料壓縮工序、脫硫凈化工序、轉化工序、變換工序、PSA提純工序。其中，熱回收系統(tǒng)所產生的蒸汽可以滿足整個流程自用。凈化后的工業(yè)氫氣純度大于99.9%。同時，PSA部分排放的解吸氣可以作為轉化爐的燃料。

1.3.2 技術特點

該技術已在國內成功運用20多年，生產技術成熟，運行安全可靠，操作控制穩(wěn)妥實用，自動化程度高，占地面積小，投資較低，基本無“三廢”排放，反應熱和余熱能夠充分利用，裝置能耗顯著降低 （如PSA解吸氣可回燒，既降低燃料消耗，又減少廢氣排放），生產規(guī)模的選擇性較大（標準狀態(tài)下400m3/h～200 000m3/h）。缺點是，只能選擇有合適天然氣資源的地區(qū)建設。

1.3.3 經(jīng)濟性分析

取制氫裝置規(guī)模10 000m3/h，天然氣制氫項目總投資約為6 000萬元。原料氣不同價格下的氫氣生產成本如表3。

表3 天然氣不同價格下的制氫成本

由表3中可以得出，目前市場上工業(yè)天然氣價格均低于3元/m3，以天然氣為原料制氫具有良好的成本優(yōu)勢。

1.4 甲醇裂解制氫

甲醇和水的蒸氣在高于200℃的溫度條件下通過專用的催化劑床層發(fā)生轉化反應，生成化學比例的氫氣和二氧化碳。經(jīng)過變壓吸附后，最終得到高純度氫氣。

1.4.1 工藝流程

甲醇轉化制氫技術分2部分：甲醇轉化技術和變壓吸附提純技術。該技術是以甲醇、脫鹽水為主要原料，甲醇和水蒸氣在專用催化劑床層上轉化為含氫氣和二氧化碳的轉化氣，該轉化氣再經(jīng)變壓吸附技術提純，得到純度≥99.9%的氫氣。

1.4.2 技術特點

該技術已經(jīng)成功應用20多年，甲醇作為基礎化工原料來源廣泛，甲醇制氫裝置具有投資低、建成快、無污染等特點。但由于技術限制及甲醇市場價格變換過快，該種制氫工藝只適合小型規(guī)模制氫（設計為10m3/h～5 000m3/h，實際國內運行制氫規(guī)模≤5 000m3/h）。

1.4.3 經(jīng)濟性分析

以制氫規(guī)模4 000m3/h計算，甲醇制氫項目總投資1 500萬元。不同原料價格下的生產成本如表4。

表4 不同甲醇價格下的制氫成本

由表4可以得出結論，甲醇制氫技術在原料甲醇的低價位情況下，制氫的成本完全可以和煤焦氣化、天然氣制氫技術競爭。

2 結論與建議

分析各種工業(yè)化制氫技術及經(jīng)濟性可知，新建制氫裝置生產成本與裝置建設地所處的地理位置、國際國內市場價格及裝置規(guī)模緊密相關。

1）如果用氫裝置附近有豐富的焦爐氣資源，焦爐氣制氫技術是首選的工藝技術方案。

2）如果沒有焦爐氣資源而具有天然氣資源，天然氣制氫技術將是優(yōu)選的工藝技術方案。

3）在上述2種資源均不易得到的情況下，煤焦制氫和甲醇制氫將是項目建設無奈的選擇。若是制氫規(guī)模小于4 000m3/h，應優(yōu)選甲醇制氫技術；若制氫規(guī)模大于4 000m3/h，應優(yōu)選煤焦制氫技術。

4）由于甲醇市場價格波動較大（長時間處于低價位運行），且甲醇制氫裝置具有投資小、建設周期短的特點，對于用氫量低于2 000m3/h或間歇用氫的項目，甲醇制氫均優(yōu)選的制氫生產工藝。

［1］ 梅安華.小合成氨廠工藝技術設計手冊［M］.北京：化學工業(yè)出版社，1995：252-271.

［2］ 胡杰.天然氣化工技術及利用［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2006：89-108.

［3］ 李克兵，劉鋒，張禮樹，等.從焦爐煤氣中提純氫氣的方法：ZL，00132036X［P］.2004-06-02.

［4］ 于守法.建設項目經(jīng)濟評價方法與參數(shù)應用講座［M］.北京：中國計劃出版社，1995：56-98.