王建鹏
大庆中蓝石化有限公司 黑龙江 大庆 163713
摘要：近些年，我国工业水平迅速发展，制氢工艺也有了很大突破。氢能作为一种清洁、燃烧热值高的新能源，广泛应用于供能和化工合成，因而研究氢气的制备对能源产业发展和经济建设有着重大意义。本文主要介绍了几种高纯度制氢工艺，同时，通过对该工艺安全防护措施进行探究，该工艺操作简单成本低，效益好，市场情景广阔。
关键词：高纯度；制氢工艺；安全防护；措施探究
引言
氢气作为一种清洁的二次能源，在我国的用途非常广泛，其不仅可以被当作能源使用到各行各业的供能之中，同时其还是一种非常重要的化工产品，被广泛的使用到石油、电子、冶金、医药及航天等行业。但在氢能的利用过程中，制约其发展的关键环节是制氢技术，因此，研究发现新型的制氢技术已经成为当今社会研究的热点。目前，随着化工技术的不断发展以及制氢原料的多样化，制氢技术也是日新月异，业内研究提出很多的制氢方法，如天然气制氢、重油部分氧化制氢、煤气化制氢、甲醇裂解制氢、荒煤气制氢、水电解制氢、生物质制氢等。然而，面对日益突出的传统能源消耗问题和环境问题，有必要通过总结分析各制氢技术的原理、工艺、特点以及经济性来选择合适的制氢方法，同时也对制氢技术以后的发展和布局提供参考。
1炼厂制氢的必要性
随着石油资源的长时间广泛使用,其储量不断减少、开采难度越来越大,全球石油资源的储、采量在经过高峰后,开始走下坡路,与之对应的是石油价格不断走高。我国经济的快速发展,带动了原油进口量的快速增长,未来10年中我国的原油对外依存度将会相继突破60%和70%大关,石油资源紧缺的瓶颈制约已经并将继续成为我国炼油业面临的主要挑战。与此同时,世界原油质量总的变化趋势是变重变劣,硫含量、金属含量越来越高,加工难度越来越大。而市场对轻质石油产品、低硫和无硫的清洁燃料、优质石油化工原料、环境保护的要求则愈来愈迫切,标准愈来愈高,因此必须配备足够的深加工能力和加氢能力。
炼油业装置结构和产品结构进一步调整,淘汰落后产能、推进产业升级已是大势所趋。在此情况下,以欧美大炼油企业为先导,全球加强了原油深加工能力的建设和综合配套。发达国家的加氢装置能力占原油蒸馏能力的比例均在42%以上,美国高达80%,日本高达97%。相比之下,我国加氢能力占原油蒸馏能力的比例仅为11.17%。尽管近年来我国一再扩展加氢能力,但由于加氢技术在整个炼油能力中的应用不足,导致油品质量差,产品结构不合理,制约了炼油工业的整体发展。充分利用宝贵的石油资源,尽量使其全部转化为运输和机械需要的清洁燃料和润滑油,尽可能不变成焦炭或锅炉直接燃烧的燃料,具有深远意义。因此,从目前及以后的石油资源特点和炼油发展来看,加氢装置的应用会越来越普遍,规模也会越来越大。氢气越来越成为炼厂的重要原料,尽管炼厂自身能平衡一部分氢气,但还不能满足生产需要,大量的氢气还需要新建制氢装置来提供。显而易见,制氢装置的应用在今后的炼厂会越来越多。
2几类主要制氢技术
2.1甲醇制氢
甲醇制氢是CH3OH和水蒸气在200℃条件下通过催化反应，生成H2和CO2的混合气体，而后经过变压吸附得到高纯度的H2，可得到纯度大于99.9%的H2。该工艺投资少，无污染。但由于CH3OH市场价格变换过快，只适合小规模制氢，国内运行制氢规模均小于5000m3/h。近年来，亦有甲醇裂解制氢技术，采用工业级甲醇裂解、脱碳，再经提纯得到的H2浓度高，原料CH3OH消耗约0.5kg/m3的H2，装置规模可达6×104m3/h。
2.2电解水制氢
电解水制氢最为便捷，不受运输距离影响，但成本偏高，未来看风电和光伏、核电的弃电是较好的选择。水电解法制氢成本最高，取决于电力成本，以目前电价测算，在2．5～3．5元/Nm3之间，在应用水力、潮汐、风能的情况下能量转化率高达70%以上。
(若要与燃油车成本相当，电价为0．31元/kWh，价格低至0．22元/kWh时，使用成本比汽油车低30%)。
使用水电解的方法大规模制氢有两条主要的降本途径:①降低电解过程的能耗;②充分利用可再生能源，使用弃风弃水弃光所产生电能进行电解水。各国通过研发新型技术降低电解过程中的能耗，但是根据热力学原理，水电解制备1Nm3氢气和0．5Nm3氧气的最低电耗为2．95度电。由此可知，该途径降低成本的空间有限、技术复杂。针对电解水技术方面的改进主要集中在电解池、聚合物薄膜电解池和固体氧化物电解池方面。
我国的可再生能源(风电、光电、水电)丰富，每年弃水弃风的电量都可以用于电解水。我国拥有水电资源3．78亿kW，年发电量达到2800亿kWh，可利用风能约2．53亿kWh，相当于水力资源的2/3。如果将这部分能源来电解水，产生的经济效益非常可观。
2.3天然气制氢
天然气制氢同样通过重整反应得到以H2，CO为主要成分的混合气体，再经过净化提纯得到H2。该类技术已被国内运用超过20a，具有占地面积小、无“三废”排放、装置能耗较低等特点。但是，随着中国城镇化水平的不断提高，天然气的消费人口和供应消费总量稳步增长。中国的LNG接收站数量不多，天然气资源开采短期内增长潜力有限，市场出现供应缺口是必然，预计2023年中国天然气供需缺口约1.75×1011m3，从天然气制氢成本构成来看，其主要成本在于天然气，占总成本的73.4%。由此看来，天然气制氢的成本主要取决于天然气价格的波动，在技术方面很难有成本下降的空间。
3工艺安全防护措施
一是超压保护。在整个工艺流程中，所有的设备都是在压力状况下运行的。整个系统的压力都是自动化调节的。但是，如果在进行压力调节的过程中计算机或者设备设施出现问题，整个系统的压力便会不断增加，出现超压的情况。因此，除了设备联锁以及报警外，还有泄压的装置，当设备出现超压时会自动泄压，从而达到保护的作用。
二是火灾防护。整个工程中涉及的气体都是可燃气体，当可燃气体在密闭容器时，是不会发生燃烧爆炸风险的，而当容器发生气体泄漏时，会导致大量的可燃气体逸出或者进入到容器内。可燃气体有一定的燃烧和爆炸极限，如果可燃气体内混入一定量的空气，那么便会发生爆炸。本工艺采用的便是防止空气逸入，通过对装置周围气体进行实时的检测，当检测到气体泄漏时，立即采取有效的措施来避免燃烧爆炸的发生。
三是受限空间检修防护。在进行压力容器内部检修时，首先会将容器内的气体进行火炬燃烧排放，并将容器内的压力进行调节，在进入密闭空间前，会将容器与其他装置设备进行有效隔离。在进行隔离时，必须加上盲板或者将间接的管路进行拆除。与此同时，需要使用氮气对空间内进行气体置换，将可燃气体排出密闭空间。在氮气置换后还要使用空气进行再次置换，排出氮气，使得容器内的氧气含量恢复到正常范围内，直到检测合格。
结语
在未来的几十年中，化石燃料制氢仍将在我国制氢行业中占据举足轻重的地位。提高化石燃料的制氢效率，减少化石燃料制氢过程中产生的污染是我们必须关注的重点。考虑到煤、石油、天然气、甲醇等在我国的资源的占比问题，煤制氢在很长一段时期是我国制氢的主要方式，而可再生能源制氢是实现可持续发展的方向。
参考文献
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