天然气制氢技术研究与进展

中海沥青（营口）有限责任公司

一、引言

随着全球能源结构向低碳清洁化转型，氢能作为重要的二次能源，凭借低碳清洁、比能量密度大和转化效率高等优势，成为推动能源终端绿色低碳转型的关键载体。目前，全球超过 95% 的氢气由化石资源制取，其中天然气制氢占比超一半，基于相对低廉的成本和成熟的技术，已成为主流制氢工艺。研究天然气制氢技术，对于优化能源结构、保障能源安全、促进绿色低碳发展具有重要意义。

二、天然气制氢的工艺流程

2.1 原料预处理

天然气中的硫化氢等杂质会使催化剂中毒，降低其活性与寿命，因此必须进行脱硫处理。通常采用加氢催化脱硫技术，原料天然气先在转化炉对流段预热至 350-400^qC ，再进入加氢反应器，在 Co-Mo 催化剂作用下，将有机硫转化为无机硫 H₂S ，然后用 ZnO 吸附脱硫槽脱除 H₂S ，使气体中总硫含量降至0.1mg⋅m^-3 以下。

2.2 蒸汽重整

脱硫后的天然气与水蒸气在高温（ 800^∘C 以上）、催化剂（如 Ni 基催化剂）作用下发生吸热反应，生成氢气和一氧化碳，化学反应式为： CH₄+H₂O⟶CO + 3H₂ 。该反应需要外界提供热源，通常以天然气作为燃料。蒸汽重整是制氢的主要途径，甲烷转化率可达 85% ，但存在耗能高、生产成本高、设备昂贵等问题，且产生的CO 需经后续处理才能得到高纯度氢气。

蒸汽重整生成的混合气体中含有 CO，在 340^cC 左右，通过变换催化剂作用，CO 与水蒸气进一步反应生成更多氢气和二氧化碳，反应式为： CO+H₂O CO₂+H₂ 。

2.4 气体纯化

变换后的气体含有 CO₂ 、CO、 CH₄ 等杂质，经换热、降温至 40% 左右后，利用变压吸附（PSA）技术提纯氢气。PSA 技术具有能耗低、产品纯度高、工艺流程简单等优点，通过吸附塔内吸附剂吸附杂质，使氢气得以净化，纯度可达 99.9%-99.99% 。

2.5 氢气回收与尾气处理

纯化后的氢气输出装置，同时对尾气进行处理。部分工艺将解析气充分利用，如将变压吸附塔A 的解析气用于转化炉的燃烧。

三、天然气制氢的反应机理

3.1 甲烷重整反应

甲烷重整反应是天然气制氢的核心反应，甲烷和水蒸气在合适温度、压力及催化剂作用下，发生催化转化生成一氧化碳和氢气。该反应为强吸热反应，需持续提供热量以维持反应进行。Ni 基催化剂因价格相对便宜，在工业制氢中广泛应用。

3.2 变换反应

变换反应是 CO 和 H₂O 在催化剂作用下发生水气变换反应，生成更多氢气和二氧化碳。此反应为放热反应，在制氢过程中起到调整气体组成、提高氢气产率的作用。

四、天然气制氢的主要方法及特点

4.1 水蒸汽重整制氢技术

水蒸汽重整制氢技术成熟，工业应用广泛，甲烷转化率高。但存在能耗高、生产成本高、设备昂贵等问题，且制氢过程中产生大量 CO，需经变换反应和脱除二氧化碳等多个后续步骤才能得到高纯度氢气。

4.2 部分氧化制氢技术

部分氧化制氢是甲烷与氧气不完全燃烧生成 CO 和 H₂ ，反应式为： 2CH₄+ 0₂2CO+4H₂ 。该反应为放热反应，无需外界供热，但反应温度高达1300 -1500^∘C ，易出现局部高温热点、产生积碳等问题，需添加催化剂降低反应温度，催化剂主要为过渡金属及钙钛矿氧化物。同时，需配备空分系统输入纯氧，建设投资较大，目前尚未实现规模工业应用。

4.3 自热重整制氢技术

自热重整制氢结合了部分氧化和蒸汽重整的优点，在部分氧化反应中引入蒸汽，使放热的部分氧化和吸热的蒸汽重整达到热平衡，无需外界提供热源，简化了系统，减少了启动时间。与蒸汽重整相比，启动和停止更迅速；与部分氧化相比，甲烷转化效率较高（ 60%-75% ），能产生更多氢气，设备结构相对紧凑，市场潜力较好。但反应温度较高，设备需耐高温，造价高。

4.4 天然气催化裂解制氢技术

天然气催化裂解制氢是将 CH₄ 高温催化分解生成 C 和 H₂ ，反应式为： CH₄ C+2H₂ 。该方法可得到不含 CO 和 CO₂ 的 H₂ ，同时还能得到碳纳米纤维、石墨烯等高附加值碳材料，降低了制氢过程中的碳排放系数。催化裂解技术产生的氢气纯度高，能耗相较蒸汽重整技术低，且不产生碳氧化物，生产设备简单，可缩短流程，减少投资。但反应中生成的碳易富集在催化剂表面，造成催化剂积碳失活，目前该工艺仍在研究开发阶段。

五、天然气制氢技术的优势与挑战

5.1 优势

资源丰富：天然气是地球三大化石能源之一，储量巨大，目前已探明世界

天然气储量超过140 万亿立方米，为制氢提供了稳定的原料保障。

成本较低：相较于其他氢气生产方法，如电解水制氢和生物制氢等，天然气制氢成本相对较低，具有较高的经济可行性。

技术成熟：天然气制氢技术经过长期发展，已相对成熟，工业化程度高。我国在研发设计、施工建设天然气制氢装置的能力已接近世界先进水平，工业化制氢装置不断大型化。

储存运输便利：相较于储存和运输纯氢气，天然气的储存和运输设施相对成熟，更加便捷和安全。

5.2 挑战

环境影响：天然气属于化石燃料，制氢过程中会产生二氧化碳等温室气体。虽然配套碳捕捉、利用与储存（CCUS）等先进技术可减轻对环境的影响，但仍无法完全消除。

能源消耗：天然气制氢需要使用催化剂和高温高压条件，尤其是蒸汽重整制氢，是强吸热反应，需持续提供大量热能，能源消耗较高。

设备投资：部分制氢工艺如部分氧化制氢，需配备空分系统，设备投资成本较大。同时，高温高压反应条件对设备材质和性能要求高，也增加了设备成本。

六、天然气制氢技术的发展展望

6.1 技术创新

未来，天然气制氢技术将不断优化催化剂产品，提高催化剂的活性、稳定性和使用寿命，降低催化剂成本。同时，提高设备材质，开发耐高温、高压、耐腐蚀的新型材料，优化节能工艺，降低能源消耗，提高制氢效率。

6.2 与可再生能源融合

随着可再生能源的发展，将天然气制氢与可再生能源相结合成为趋势。例如，利用可再生能源发电产生的电力来驱动制氢过程中的部分环节，实现绿色、可持续的氢气生产，进一步降低碳排放。

6.3 小型化与集成化发展

国内外天然气制氢装置不断往小型高度集成化方向发展，即在加氢站内以极小的占地生产氢气，减少氢气运输成本。我国首套自主研发的橇装天然气制氢装置在佛山明城综合能源站正式投用，该装置可从城市天然气管道就地取气，采用水蒸气重整工艺制氢，降低氢气终端成本 20%-30% ，有效解决了用氢难、用氢贵的问题，对减少城市道路运氢风险也具有积极作用。

七、结论

天然气制氢技术作为一种重要的氢气生产方法，具有资源丰富、成本较低、技术成熟等优势，在氢能产业发展中占据重要地位。尽管面临环境影响、能源消耗和设备投资等挑战，但随着技术的不断创新和发展，以及与可再生能源的融合，天然气制氢技术将不断完善，在可预见的一段时间内，依旧是廉价、高品质氢气的重要来源，对推动氢能终端多元化应用和促进能源结构低碳转型起到积极作用。

参考文献

[1][ 期刊论文 ] 天然气蒸汽转化制氢装置能耗分析期刊 :《山东化工》 |2021 年第 012 期

[2] 天然气制氢技术及经济性分析

[3] 天然气制氢行业发展分析与投资战略咨询行业挑战

[4]2025 年天然气制氢行业现状及市场规模、竞争格局与未来发展趋势前景分析

[5]2025 年中国制氢产业链图谱及投资布局分析

[7] 天然气制氢类毕业论文文献有哪些?

[8] 氢能研究综述类毕业论文文献都有哪些

[9]【精品论文】天然气水蒸汽转化制氢的Aspenplus 模拟分析

[10] 天然气制氢项目可行性研究报告

[11]

[12] 浅谈天然气制氢工艺