天然气是用量大、用途广的优质燃料和化工原料。天然气通过净化分离利裂解、蒸汽转化、氧化、氯化、硫化、硝化、脱氢等反应可制成合成氨、甲醇及其加工产品（甲醛、醋酸等）、乙烯、乙炔、二氯甲烷、四氯化碳、二硫化碳、硝基甲烷等。世界总产量2020年达到40140亿m3。天然气制氢是氢气的主要来源之一。全球每年约7000万t氢气产量，约48%来自天然气制氢，大多数欧美国家以天然气制氢为主。天然气制氢技术路线包含天然气蒸汽重整制氢、甲烷部分氧化法制氢、天然气催化裂解制氢及CH4/CO2干重整制氢等技术路线。

一、天然气蒸汽重整制氢原理及工艺流程

原理：

天然气的主要成分是甲烷，该技术是让甲烷与水蒸气在高温及催化剂的作用下发生吸热反应，生成氢气和一氧化碳。

工艺流程：

1. 原料预处理：先对天然气进行加压，然后通过脱硫反应器，利用加氢脱硫等工艺，将天然气中的硫化物脱除至极低水平，防止催化剂中毒。

2. 重整反应：预处理后的天然气与水蒸气按一定比例混合，进入转化炉的预热盘管进行预热，再进入转化炉的转化管，在镍系催化剂等的作用下发生重整反应，生成含氢气、一氧化碳、二氧化碳等的转化气，反应温度通常在800℃以上。

3. 热量回收与变换反应：转化气出转化炉后温度较高，先进入蒸汽发生器副产蒸汽以回收热量，温度降低后的转化气进入中变器，在催化剂作用下，一氧化碳与水蒸气反应生成氢气和二氧化碳，进一步提高氢气的产量。

4. 气体冷却与分离：经过变换反应后的气体，再经过蒸汽过热器、锅炉给水预热器、脱盐水预热器等进行热量回收和冷却，然后进入变换气水冷器冷却至较低温度，经变换气分离器分离出冷凝液。

5. 氢气提纯：冷却分离后的气体进入变压吸附装置，利用不同气体在吸附剂上吸附特性的差异，将氢气提纯至较高纯度，如99.999%，得到产品氢，而解析气则可进一步处理或回收利用。

二、天然气蒸汽重整制氢的优缺点

优点：

1、技术成熟度高：该技术自1926年开始应用至今，是目前工业应用最广泛的天然气制氢方法，工艺成熟，运行稳定可靠。

2、氢气产量大：甲烷的转化率可达85%，是天然气重整制氢方法中转化率最高的，可大量生产氢气，能满足大规模工业用氢的需求。

3、原料供应稳定：天然气是地球三大化石能源之一，储量丰富，价格相对较低，且分布广泛，为制氢提供了充足且稳定的原料保障。

4、操作相对简便：工艺流程相对简单，操作易于控制，经过多年的发展，相关的技术和设备已经较为完善，易于实现工业化生产。

缺点：

1、能耗成本高：该反应是强吸热反应，需要大量的外部热源供应，通常以天然气自身作为燃料来提供热量，导致整体能耗较高，增加了制氢成本。

2、设备投资大：由于反应需要在高温条件下进行，对设备的耐高温、耐高压性能要求较高，因此设备投资较大，建设成本高。

3、产生温室气体：制氢过程中会产生大量的二氧化碳，对环境有一定的影响，需要配套相应的二氧化碳捕集与处理装置，以减少温室气体的排放。

4、对催化剂要求高：需要使用催化剂来促进反应的进行，且催化剂容易中毒失活，需要定期更换或再生，增加了运行成本和操作复杂性。

三、天然气蒸汽重整制氢成本分析

1、原料成本：

天然气是主要成本构成，占总成本70%左右。如工商业用天然气价格2.5元/m³时，制氢成本12.57元/kg；价格3.5元/m³时，制氢成本增至16.32元/kg。

2、设备投资成本：

该技术需转化炉、蒸汽变换装置、变压吸附装置等多种设备，建设投资大。如产能9万方/h的设备，建设投资约6亿元。

3、能源消耗成本：

反应是强吸热反应，常以天然气自身为燃料供热，此外还需消耗电力用于设备运行等，这都增加了能源成本。

4、催化剂成本：

使用的镍系催化剂等需定期更换或再生，增加了运行成本和复杂性，不过相对原料和能源成本，其占比相对较小。

5、操作维护成本：

设备需专业人员操作维护，且需定期检修，这都带来了一定的人工成本和维护成本，其中包含设备的维修、保养、更换零部件等费用。

6、环保成本：

制氢过程会产生大量二氧化碳，若要满足环保要求，需配套二氧化碳捕集、利用与封存技术，这将显著增加成本。

四、天然气蒸汽重整制氢影响因素

1、反应温度：

温度对制氢反应影响显著。一般来说，提高温度能加快反应速率，甲烷转化率也会提高。例如，在传统的蒸汽重整反应中，温度从700℃提高到900℃，甲烷转化率可能从60%提升至90%以上。但温度过高会增加能耗，还可能导致催化剂烧结失活。

2、反应压力：

压力升高不利于天然气蒸汽重整反应正向进行，因为该反应是体积增大的反应。不过，从工业生产角度看，适当提高压力有利于减小设备体积、降低成本，所以需要平衡转化率与设备成本之间的关系。

3、水碳比：

水碳比是指水蒸气与天然气中碳的物质的量之比。较高的水碳比能抑制积碳反应发生，使甲烷转化率提高。例如水碳比从2提高到4时，甲烷转化率可明显上升，但水碳比过高会增加能耗和后续分离成本。

4、原料气组成：

天然气中除甲烷外，还含有乙烷、丙烷等烃类及少量杂质。这些杂质可能导致催化剂中毒失活，而其他烃类的存在会使反应过程变得复杂，影响氢气的产量和纯度。

5、催化剂性能：

催化剂是影响制氢效果的关键因素之一。性能良好的催化剂能降低反应活化能，提高反应速率和选择性。例如，镍基催化剂活性高、成本低，在天然气蒸汽重整制氢中应用广泛，但它容易因硫中毒而失活。

五、天然气蒸汽重整制氢发展趋势

1、技术创新与升级

（1）新型催化剂研发：致力于开发活性更高、选择性更好、稳定性更强且抗中毒能力更佳的催化剂，如新型的镍基合金催化剂等，以提高反应效率、降低反应温度与压力，减少能耗与成本 。

（2）工艺优化：改进重整反应的工艺流程，如采用更高效的反应器设计、优化热量回收系统等，提升能源利用率，降低生产成本 。

2、低碳化发展

（1）耦合碳捕获与封存技术：结合碳捕获、利用与封存技术，减少二氧化碳排放，实现天然气制氢的低碳化甚至近零排放，生产蓝氢以满足低碳经济的需求.

（2）与可再生能源结合：探索与太阳能、风能等可再生能源的耦合方式，如利用可再生能源产生的电能进行电解水制氢，再与天然气重整制氢相结合，提高制氢过程的可持续性与环境友好性 。

3、小型化与分布式应用

（1）小型制氢装置研发：开发适用于小规模、分布式应用的天然气蒸汽重整制氢装置，满足加氢站、分布式能源系统等对氢气的现场制备需求，降低氢气的运输成本与储存风险。

（2）能源综合利用：实现制氢与供热、发电等多种能源服务的集成，提高能源利用效率，增强能源供应的灵活性与可靠性，如构建天然气重整制氢与燃料电池发电的联合系统。

4、智能化与自动化控制

（1）生产过程智能化：借助大数据、物联网、人工智能等技术，实现对制氢过程的实时监测、优化控制与故障诊断，提高生产效率、产品质量与运行安全性，降低人工成本与操作风险。

（2）能源管理系统集成：建立综合能源管理系统，对制氢装置与其他能源设备进行协同管理与优化调度，实现能源的高效配置与利用。

5、产业链融合与协同发展

（1）加强上游合作：与天然气供应商建立长期稳定合作，保障原料供应的稳定性与经济性，共同探索天然气资源的高效开发与利用方式 。

（2）拓展下游市场：与氢燃料电池汽车制造商、化工企业、能源服务提供商等下游用户紧密合作，根据市场需求优化产品结构与服务模式，拓展氢气的应用领域与市场空间 。