天然气制氢工艺及成本分析

• 第三届制氢、储运与加氢站技术论坛 将于2022年下半年在苏州召开

• 您将有机会 参观 苏州氢洁电源有限公司——甲醇重整制氢及应用技术 
• 来自制氢、氢储运和氢能综合利用上下游产业链的200多位参会代表将齐聚一堂，共商行业大计

天然气制氢工艺的原理就是先对天然气进行预处理，然后在转化炉中将甲烷和水蒸汽转化为一氧化碳和氢气等，余热回收后，在变换塔中将一氧化碳变换成二氧化碳和氢气的过程，这一工艺技术的基础是在天然气蒸汽转化技术的基础上实现的。在变换塔中，在催化剂存在的条件下，控制反应温度，转化气中的一氧化碳和水反应，生成氢气和二氧化碳。

天然气中的烷烃在适当的压力和温度下，就会发生一系列化学反应生成转化气，转化气再经过热换、冷凝等过程，使气体在自动化的控制下通过装有多种吸附剂的 PAS 装置后，一氧化碳、二氧化碳等杂质被吸附塔吸附，氢气送往用气单位，吸附了杂质的吸附剂，经解吸后，解析气可送往变换炉作为燃料，吸附剂也完成再生。

近日，国内外天然气制氢领域最新进展如下：

• LG化学年产5万吨天然气制氢项目

据路透社报道，当地时间6月20日，韩国LG化学公司表示，计划在韩国建一座制氢工厂，预计将于2023年上半年开工，目标是在2024年第二季度完工并投产，届时每年生产5万吨氢，以减少碳排放。新工厂预计将采用在高温蒸汽下通过化学反应将甲烷转化为氢气的技术。

• 气电集团“250Nm³/h小型橇装天然气制氢设备”

近日，气电集团牵头完成的我国首套“250Nm³/h小型橇装天然气制氢设备”科技成果顺利通过鉴定。相关领域专家组成的鉴定委员会对该项技术成果予以高度评价，一致认为该成果创新性强，拥有自主知识产权，总体技术达到国际先进水平。

目前，小型橇装天然气制氢已经成为全球小规模制氢发展的新趋势，尤其适合于在加氢站内制氢，不但能够省去昂贵的氢气运输过程，而且能够借助城市燃气和天然气网络实现近用户低成本制氢，使终端氢气价格比站外供氢低约15～20%。小型橇装天然气制氢技术长期被日本、美国、德国等公司垄断，引进受限或费用极为高昂。

首套橇装制氢设备制氢能力为250Nm³/h，可以满足500kg/d规模加氢站用氢需求。设备为高度集成的集装箱式，能够满足公路运输要求，以极小的占地实现快速、高效、安全的氢气生产，制备的氢气产品纯度≥99.999%，满足燃料电池用氢国家标准。设备操作弹性30%～100%，能够实现“一键开停车”“一键30%、50%、80%和100%四档负荷调整”等智能化控制。

2021年12月，首套装置在佛山成功开车，在甲烷转化率、产品氢气纯度等技术指标均达到了设计要求，经济效益和社会效益显著，在我国氢能技术工程化应用进程中具有里程碑意义。

天然气制氢工艺和技术

1、绝热条件下，天然气制氢

这种天然气制氢方式更适用于小规模的制取氢。天然气绝热转化制氢将空气作为氧气来源，同时利用含氧分布器可以有效解决催化剂床层热点问题和能量的分配，随着床层热点的降低，催化材料的反应稳定性也得到较大的提高。天然气绝热转化制氢工艺流程简单、操作方便，当制氢规模较小的时候可以降低制氢成本和相应的制氢设备的投资。

2、天然气部分氧化制氢

天然气部分氧化制氢的反应器采用的是高温无机陶瓷透氧膜，与传统的蒸汽重整制氢的方式相比较来说，天然气部分氧化制氢工艺所消耗的能量更加少，因为它采用的是一些价格低廉的耐火材料组成的反应器。这种天然气制氢工艺比一般的生产工艺在设备投资方面的成本降低了 25% 左右，生产的成本降低了 40% 左右，可以在一定程度上降低投资成本。

3、天然气高温裂解制氢

天然气高温裂解制氢主要在高温条件下，天然气催化分解成为碳和氢，但是在这一过程中并不产生任何二氧化碳，所以一般将其认为是从化石燃料使用到可再生能源利用的过渡工艺。这种工艺目前还在研究当中，但是可以预见的是这种天然气制氢工艺具有良好的应用前景。

4、天然气自热重整制氢

天然气自热重整制氢的原理就是在反应器中进行放热的天然气燃烧反应和强吸热的天然气水蒸汽重整反应的耦合，这样一来，反应器本身就要可以实现供热，无需外界供热，这在一定程度上降低了工艺成本。与传统的重整工艺的外界供热相比，它变成了自供热，实现了反应热量的科学利用。

5、天然气制氢工艺的改进

通过对转化炉、热量回收系统等进行改造可以实现成本节约、降低对天然气原料的消耗，这种技术通过对天然气加氢脱硫和在转化炉中放置适量的特殊催化剂进行裂解重整，生成二氧化碳、氢气和一氧化碳的转化气，之后再进行热量回收，经一氧化碳变换降低转化气中一氧化碳的含量、再通过PSA 变压吸附提纯就可以得到纯净的氢气。

天然气制氢装置中氢气提纯工艺主要是在适当条件下，将硅胶、活性炭、氧化铝等组成吸附床，并用吸附床将变换气中各杂质组分在适当的压力条件下进行吸附，不易被吸附的氢气就从吸附塔的出口输出，从而实现氢气的提纯。这一工艺的主要性能指标和技术指标如下：

1）生产能力一般在500~100000 m3/h，氢气产品的纯度可达 99.99%，产品的压力在 1.5 MPa 左右 ；

2）处理原料的量在 20-5000 m3/h，氢气纯度一般在 99.9%左右，氢气的提取率在 80% 左右。

天然气制氢工艺的成本分析

据中国平煤神马集团计算，天然气制氢成本主要包括两个方面 ：一个是可变成本，这种可变成本主要指的就是电费、冷却水费用、去离子水费用等等 ；另一个就是不可变成本，这主要包括维护费、办公费、工资等等。

1、可变成本

1）去离子水费用

这主要就是根据实际的运行情况来确定去离子水费用，以某工厂为例，此工厂每产生 1立方米氢气就会消耗 1.4 Kg 去离子水，然后根据当前的市场价知道每千克去离子水为 0.05 元，那么该工厂每生产1立方米的氢气就要耗去离子水的费用为0.07 元。

2）冷却水费用

冷却水费用也是根据实际的运行情况来确定的，以某工厂为例，此工厂每产生 1 立方米氢气就会消耗5Kg 冷却水，然后根据当前的市场价知道每千克冷却水的价格为0.003 元，那么该工厂每生产 1立方米氢气就要耗冷却水的费用为0.015 元。

3）电费

以某工厂为例，根据实际的运行情况，此工厂每产生 1立方米氢气就会消耗 0.34kW·h 的电，电价按照0.6 元/kW·h 取，那么该工厂每生产 1 立方米氢气就要耗电的费用为 0.204 元。

4）天然气费用

以某工厂为例，根据实际的运行情况，此工厂每产生 1立方米氢气就会消耗 0.49 立方米的天然气，该工厂生产 1立方米氢气要耗的天然气的费用的计算公式如下 ：C1=0.49*P

其中，C1表示标准工况下，单位量的氢气所消耗的天然气的费用，P表示单位体积天然气的价格。

最后，将上述几个方面的花费相加，可以得到总的可变成本的公式 ：

C变=0.07+0.015+0.204+0.49P

=0.289+0.49P

2、不可变成本

1）折旧费

还是以上面的工厂为例，假设此工厂的总投资 I 为50,000,000元，运行时间 t 为 18 年，折现率 i 取5%，总的折旧费可以根据下述公式进行计算 ：

C3=I（1+i）n/t

通过上式子，再代入计算公式，得到每年折旧费为292 万元。

2）维修费

每生产单位量的氢气所需的维护费是 0.005 元，根据下述公式对每年的维护费进行计算：C4=0.005V

其中V 是每年工厂所产的氢气量（立方米/年）。

3）员工工资

假设该项目需要 15 人，每个人每年的总工资包括奖金大约为 100.000 元，那么这一年的员工工资为1,500,000元。

4）营销费和管理费

营销费为可变成本的 0.025，管理费为 0.035。所以，每年的管理费和营销费的计算公式如下 ：C5=0.06（0.289+0.49P）V

所以，不可变成本就为：

C固=4,420,000+0.005V+0.06（0.289+0.49P）V

总成本为C总，C总=C变+C固=0.289+0.49P+C固/V

从上面的公式中看出，氢气的总成本和工厂每年的产气量及天然气的价格有关系。

综上所述，天然气制氢气的综合成本和项目的运行年限、天然气的价格、年产能有关，所以，相关工程在进行天然气制氢项目时要充分了解天然气的价格、氢的需求量等情况。

第三届制氢、储运与加氢站技术论坛 2022将于下半年在苏州召开。会议将探讨国家与地方“十四五”氢能产业规划和补贴政策，可再生能源电解水制氢技术与成本，工业副产氢资源潜力，液氢与高压气态储氢技术经济分析，液态有机物和金属氢化物储氢技术应用前景，甲醇和合成氨大规模储运氢前景展望，加氢站关键技术、建设成本与运营经验，加氢站与加油、充电站合建技术规范等。

会议日程

申能在氢能产业链的布局与发展规划 ——申能集团（已定）

大唐集团在绿氢、绿氨与绿色甲醇方面进展与未来规划 ——中国大唐集团新能源科学技术研究院有限公司（已定）

可再生能源制氢、储运解决方案 ——NEL PROTON ON SITE（已定）

绿氨产业发展前景与面临挑战 ——厦门大学（已定）

十四五氢能产业链的投资机会展望 ——中化控股银鞍资本（已定）

标题待定 ——中国石化（待定）

加氢站技术开发及应用实践 ——北京低碳清洁能源研究院（已定）

氢能超级重卡 ——上海壹清能源（已定）

标题待定 ——GTI （已定）

车载微反应器甲醇重整制氢高温燃料电池系统开发 ——苏州氢洁电源科技有限公司（已定）

壳牌氢能发展现状 ——壳牌(中国)有限公司（邀请中）

标题待定 ——国家发改委能源研究所能源效率中心（待定）

氢能管道输送技术及前景展望 ——中国石油天然气管道工程有限公司（邀请中）

质子交换膜燃料电池用氢气质量检测方法标准研究进展 ——中国计量测试技术研究院（已定）

林德制氢、储运与加氢站技术与应用进展 ——林德（邀请中）

中国氢气储运现状与展望 ——中集安瑞科能源装备业务中心（已定）

河北建投沽源风电制氢综合利用示范项目介绍 ——河北建投新能源有限公司（邀请中）

油氢气电综合能源合建站优势分析及技术规范 ——正星科技股份有限公司（邀请中）

双碳背景下的国电投氢能实践 ——国家电投集团氢能科技发展有限公司（待定）

加氢站关键技术与建设运营经验 ——上海舜华新能源系统有限公司（邀请中）

由亚化咨询主办的 CO2制甲醇与绿色甲醇应用论坛 将于2022年下半年在苏州召开，会议将探讨“双碳”政策实现路径与碳交易市场分析，CO2捕集与绿氢生产技术，先进的CO2合成甲醇工艺与催化剂，CO2制绿色甲醇示范项目与产能展望，甲醇制高性能聚合物和高价值化学品，高效甲醇重整制氢技术与催化剂，甲醇燃料电池在汽车、船舶、发电站及热电联供应用，甲醇在线重整制氢加氢站示范运营经验等。

为了给行业和企业决策者提供独立、客观的分析评论和参考意见，作为专注于能源化工新兴领域的咨询机构， 亚化咨询现推出：

《中国氢能与燃料电池月报》（中英文付费版） 、 六大氢能与燃料电池数据库 、 《中国 绿氢技术与项目 年度报告》、 《中国 氢能产业链 年度报告》、 《中国 加氢站行业 研究报告》、 《中国 燃料电池产业链 年度报告》

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来源：能源情报、路透社、中海石油气电集团

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