哈工大能源轉(zhuǎn)化過程中科學(xué)問題課程報(bào)告

1、能源轉(zhuǎn)化過程中的科學(xué)問題課程報(bào)告I能源轉(zhuǎn)化過程中的科學(xué)問題能源轉(zhuǎn)化過程中的科學(xué)問題課程報(bào)告課程報(bào)告氣體清潔能源轉(zhuǎn)化過程分析ANALYSIS OF GAS CLEAN ENERGY CONVERSION PROCESSXXXXXX（能源學(xué)院（能源學(xué)院 XXXXXXXXXXXXXX 班）班）哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)XXXX 年年 XX 月月摘 要II摘 要從全球能源的消費(fèi)來看，煤炭、石油、天然氣等能源的消費(fèi)比例較為均衡，而清潔、低碳的天然氣并未得到充分利用。為合理利用能源，中國應(yīng)著力優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，構(gòu)建多元化的能源供給體系，將發(fā)展清潔低碳能源作為調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的主攻方向。加快發(fā)展常規(guī)天然氣、煤層氣

2、等氣體能源,既能有效緩解我國面臨的環(huán)境保護(hù)、能源安全等多重壓力,又能培育出新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn),應(yīng)當(dāng)成為我國實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略之一。因此,應(yīng)提升氣體能源在我國能源戰(zhàn)略中的地位,加快能源領(lǐng)域市場化改革的進(jìn)程,建立并完善相應(yīng)管理制度,放寬氣體能源行業(yè)的準(zhǔn)入,改革能源價(jià)格的形成機(jī)制,加強(qiáng)對天然氣基干管網(wǎng)的監(jiān)管,同時(shí)加大對可燃冰開采技術(shù)、頁巖氣開采技術(shù)、碳捕獲與存儲技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)的支持,從而改變我國能源供應(yīng)和消費(fèi)的結(jié)構(gòu),支持可持續(xù)發(fā)展及生態(tài)文明建設(shè)。關(guān)鍵詞：能源結(jié)構(gòu)；合理利用；氣體清潔能源；關(guān)鍵技術(shù)；可持續(xù)發(fā)展目 錄III目 錄摘 要.II第 1 章 緒 論.11.1 我國能源供給與需求分析.11

3、.2 發(fā)展清潔低碳能源.11.3 中國應(yīng)加快發(fā)展氣體清潔能源.2第 2 章 天然氣制氫技術(shù)簡介.42.1 氣體清潔能源簡介.42.2 天然氣利用現(xiàn)狀.42.2.1 天然氣資源.52.2.2 天然氣利用.52.2.3 天然氣化工.6第 3 章 天然氣制氫技術(shù)分析.73.1 天然氣水蒸氣重整.73.1.1 原料氣處理單元.83.1.2 蒸汽轉(zhuǎn)化單元.83.1.3 CO 變換單元.83.1.4 氫氣提純單元.83.2 天然氣部分氧化重整.93.3 天然氣自熱重整.103.4 天然氣催化裂解.10第 4 章 氣體清潔能源科學(xué)問題分析.124.1 氣體能源是清潔能源之冠.124.2 煤地下氣化是最佳選擇

4、.124.2.1 將我國煤炭產(chǎn)量降下來的可能性.124.2.2 改變我國以煤為主能源結(jié)構(gòu)的可能性.134.2.3 煤地下氣化是提升氣體清潔能源比的最佳選擇.13結(jié) 論.14參考文獻(xiàn).15第 1 章 緒 論- 0 -第 1 章 緒 論1.1 我國能源供給與需求分析能源革命是指推動人類文明進(jìn)步的根本性能源變革，其具體表現(xiàn)為資源形態(tài)、技術(shù)手段、管理體制、人類認(rèn)知等方面出現(xiàn)一系列顯著變化。能源供給革命是指在滿足能源需求的前提下改變能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展清潔能源，形成多元化的能源供應(yīng)體系，保障國家能源安全，形成能源供給的低碳化、清潔化、多元化、穩(wěn)定化和智能化。近年來，中國霧霾蔓延，大量的高碳化石能源消費(fèi)被認(rèn)為是

5、其主要成因，大氣污染防治的迫切性將能源清潔化和多元化擺在了能源供給革命的首位。使用天然氣等清潔能源替代煤炭，是現(xiàn)在和今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)治理霧霾的主要措施之一。另一方面，當(dāng)前中國的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)仍以煤炭為主，所占比例超過 60。2014年，中國能源消費(fèi)總量達(dá) 42.6108噸標(biāo)準(zhǔn)煤，天然氣消費(fèi)量為 1816108m，僅占一次能源消費(fèi)比重的 5.8（全球平均為 23.8）1。另外，從全球能源消費(fèi)來看，煤炭、石油、天然氣等主要一次能源的消費(fèi)比例較為均衡，而低碳、清潔的天然氣并未得到充分的利用。1.2 發(fā)展清潔低碳能源中國能源轉(zhuǎn)型應(yīng)著力優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，構(gòu)建多元化的能源供給體系，把發(fā)展清潔低碳能源作為調(diào)整能源結(jié)

6、構(gòu)的主攻方向。堅(jiān)持發(fā)展非化石能源與化石能源高效清潔利用，逐步降低煤炭的消費(fèi)比重，提高氣體清潔能源的消費(fèi)比重，大幅增加風(fēng)電、太陽能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉匆约昂穗姷南M(fèi)比重，形成與中國國情相適應(yīng)的能源消費(fèi)結(jié)枸，大幅減少能源消費(fèi)排放，促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。到 2020 年，非化石能源占一次能源消費(fèi)的比重達(dá)到 15，天然氣所占比重超過 10。應(yīng)著力加快發(fā)展氣體清潔能源，促進(jìn)天然氣在城鎮(zhèn)居民生活、發(fā)電及交通領(lǐng)域的使用，并進(jìn)一步加速替代煤炭和石油，以應(yīng)對全球氣候變化、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和保障國家能源安全。具體做法是進(jìn)一步普及城鎮(zhèn)居民使用天然氣，促進(jìn)生態(tài)社會發(fā)展；提高天然氣發(fā)電比例，實(shí)現(xiàn)低碳能源高效利用；大力推進(jìn)天然氣

7、在交通運(yùn)輸領(lǐng)域中的應(yīng)用，發(fā)展低碳交通。中國能源供給革命需要建立清潔、高效、安全、多元化的現(xiàn)代能源體系，而氣體清潔能源具有低排放、高利用效率的優(yōu)勢，大力發(fā)展氣體清潔能源既對治理大氣污染、改善生態(tài)環(huán)境、提高能源綜合利用效率、保障國家能源安全和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，更是能有效實(shí)現(xiàn)能源體系多元第 1 章 緒 論- 1 -化發(fā)展、提高能源資源合理配置。1.3 中國應(yīng)加快發(fā)展氣體清潔能源能源革命在加速人類進(jìn)步的同時(shí)，也帶來了一系列的負(fù)面影響，如環(huán)境污染加劇、極端氣候事件增加、能源安全凸顯等問題。如何處理能源消費(fèi)、環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾，是各國現(xiàn)代化進(jìn)程中必須面對的問題。特別是臭氧層破壞、溫

8、室氣體排放等全球性問題的出現(xiàn)，使發(fā)展清潔能源受到世界各國的普遍重視。20 世紀(jì) 70 年代以來，人類開始了對提高能源效率、減少污染排放、確保能源安全等能源革命的探索，全球氣候變化控制目標(biāo)更是對能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)提出了新要求，進(jìn)而對能源生產(chǎn)和消費(fèi)模式產(chǎn)生了極大的影響。近年來，全球能源結(jié)構(gòu)和技術(shù)正醞釀著重大變革，如大規(guī)模應(yīng)用頁巖氣開采技術(shù)、加快發(fā)展太陽能等可再生能源、加快發(fā)展新興核電技術(shù)等，以期提高低碳能源的消費(fèi)比重。一些發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體開始制定政策、投入資金，推動清潔能源技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用。美國在重視太陽能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)展的同時(shí)，重點(diǎn)通過擴(kuò)大天然氣的使用以實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。借助頁巖氣領(lǐng)域的突破，美國加快

9、了向清潔能源轉(zhuǎn)型的腳步，提出并實(shí)施了“能源獨(dú)立”的政策目標(biāo)，這將對全球能源供求格局、氣候問題合作、發(fā)達(dá)國家再工業(yè)化等方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。我國近年來越來越多地面臨著能源短缺和環(huán)境污染等問題的挑戰(zhàn)，能源安全形勢嚴(yán)峻，資源和環(huán)境約束加劇，溫室氣體減排的壓力加大。在今后較長的一個(gè)時(shí)期，這些挑戰(zhàn)不僅持續(xù)存在，有的還會加劇，提高能源效率、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展清潔能源是我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的必然選擇。逐步提高氣體清潔能源的消費(fèi)比重，加快發(fā)展包括常規(guī)天然氣、頁巖氣、煤層氣、煤制甲烷、可燃冰、氫能、生物質(zhì)氣等在內(nèi)的氣體清潔能源，既能有效緩解能源安全、環(huán)境保護(hù)、減少排放等多重壓力，同時(shí)也能培育新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)成為我國

10、能源戰(zhàn)略的重要選擇。近年來，國務(wù)院發(fā)展研究中心資源與環(huán)境政策研究所密切關(guān)注氣體清潔能源的發(fā)展進(jìn)程，組織開展了“中國氣體清潔能源發(fā)展前號與政策展望”課題研究，同時(shí)受國家能源局委托，與中國能源研究會和中國石油勘探開發(fā)研究院等機(jī)構(gòu)合作開展了“十三五大幅提高天然氣比重的途徑及對策措施研究”和“十三五及中長期頁巖氣開發(fā)問題研究”等課題研究。這些課題研究表明，我國的氣體清潔能源在資源勘探、產(chǎn)品供應(yīng)、消費(fèi)市場、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面均取得了重要進(jìn)展，打下了較好的發(fā)展基礎(chǔ)。根據(jù)有關(guān)測算分析，2020 年我國天然氣的消費(fèi)量有可能比 2015 年增長 1 倍，達(dá)到 4100 億立方米，占一次能源消費(fèi)的比重達(dá)到第 1

11、章 緒 論- 2 -12左右2，成為我國未來能源革命的重要引擎。相關(guān)政策因素和市場環(huán)境的改善也對這一結(jié)論有所支撐。過去幾年來，我國先后出臺了一系列支持常規(guī)天然氣、頁巖氣、煤層氣發(fā)展的規(guī)劃和政策，涉及資源評價(jià)、礦業(yè)權(quán)招標(biāo)、重大工程示范項(xiàng)目建設(shè)、財(cái)政補(bǔ)貼、優(yōu)惠電價(jià)等諸多方面這些規(guī)劃和政策有利于更好地發(fā)揮各自的作用，推動我國氣體清潔能源的健康發(fā)展。第 2 章 天然氣制氫技術(shù)簡介- 3 -第 2 章 天然氣制氫技術(shù)簡介2.1 氣體清潔能源簡介氣體清潔能源是高效、清潔、低碳的優(yōu)質(zhì)能源。氣體清潔能源是指在目前經(jīng)濟(jì)社會技術(shù)條件下，其常溫物理狀態(tài)為氣態(tài)，可提供能量或動力的物質(zhì)。一般為含以甲烷（CH4）為主的碳

12、氫化合物、氫和一氧化碳等低分子量的可燃?xì)怏w，主要包括常規(guī)天然氣、頁巖氣、煤層氣、煤制甲烷和可燃冰等物質(zhì)。氣體清潔能源具有以下特點(diǎn)：一是使用范圍廣泛。氣體清潔能源可以廣泛應(yīng)用于發(fā)電、供暖、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。二是利用效率高。從原料生產(chǎn)、輸送至發(fā)電的全生命周期來看，氣電的能效約為 40，而煤電僅為 30，前者比后者高約 35。三是可降低污染物及 CO2等氣體排放。與等熱值煤炭相比，每千立方米氣可分別減排二氧化碳、二氧化硫約 4.33 噸和 0.0483 噸，而且基本不含鉛塵、硫化物及可入肺顆粒物等有害物質(zhì)。四是具有較好的經(jīng)濟(jì)性。數(shù)據(jù)顯示，雖然目前我國氣體清潔能源生產(chǎn)成本差距較大，但從總體上來看，低于進(jìn)

13、口氣價(jià)格的液化天然氣約 0.1 元-2.0 元/立方米，比等熱值汽油價(jià)格低 20-50左右，具有一定的市場競爭優(yōu)勢。五是安全可靠。氣體能源輸送便利，可用管道進(jìn)行長距離輸送，在一定條件下可液化以提高儲運(yùn)的便利性。氣電系統(tǒng)接近我國電力負(fù)荷中心，不存在煤電、風(fēng)電等出現(xiàn)的長距離輸送和安全等問題，是最可靠的優(yōu)質(zhì)能源之一?？傊瑲怏w清潔能源具有高效、清潔、經(jīng)濟(jì)、安全等優(yōu)點(diǎn)，是一種較為理想的優(yōu)質(zhì)能源。2.2 天然氣利用現(xiàn)狀天然氣的組成以氣態(tài)低分子烴為主（主要成分是甲烷， 同時(shí)也含有非烴氣體） ，相對密度 0.65，比空氣輕，具有無色、無味、無毒、可燃等特性。天然氣的爆炸極限為 5%15%。天然氣燃燒后生成二

14、氧化碳和水，產(chǎn)生的溫室氣體是煤炭燃燒的 50%，石油的 66% 。由于天然氣熱值高，燃燒產(chǎn)物對環(huán)境污染少，是未來世界普遍采用的清潔能源。世界能源結(jié)構(gòu)逐步發(fā)生變化，各國政府也通過立法程序來傳達(dá)這種趨勢，發(fā)展天然氣工業(yè)已經(jīng)成為世界各國改善環(huán)境和維持經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的最佳選擇。2.2.1 天然氣資源世界天然氣可采儲量約 137 億噸石油當(dāng)量，和石油資源相當(dāng)，儲采比高達(dá)第 2 章 天然氣制氫技術(shù)簡介- 4 -70:1。2014 年，世界天然氣消費(fèi)量為 3.17 萬億立方米，在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占23.8%。我國的天然氣資源量約為 38 萬億立方米，預(yù)測到 2020 年我國每年將新增 1839 億立方米的

15、可采儲量。天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)高效的清潔能源和化工原料，已被廣泛應(yīng)用于我國國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和生活中的各個(gè)領(lǐng)域，主要用于城市燃?xì)?、工業(yè)燃料、化工和發(fā)電這四大行業(yè)。2000 年以來，我國天然氣消費(fèi)進(jìn)入快速增長階段，2010 年，我國天然氣消費(fèi)量突破 1000 億立方米大關(guān)，達(dá)到 1070 億立方米，在一次能源消費(fèi)總量中所占比例為 4.4%。2011 年我國天然氣產(chǎn)量達(dá)到 1100 億立方米，消費(fèi)量約 1300 億立方米。 “十一五”期間，我國天然氣消費(fèi)增長尤其迅速，天然氣消費(fèi)量年均增長 123 億立方米，年均增長率為 18.5%。2.2.2 天然氣利用不同國家對于天然氣的利用方向不同，總體上可以歸納為三

16、種利用模式：結(jié)構(gòu)均衡型、以發(fā)電為主型和以城市燃?xì)鉃橹餍?。結(jié)構(gòu)均衡型就是在天然氣利用結(jié)構(gòu)中城市燃?xì)?、工業(yè)燃料和發(fā)電的比例相對比較平均，基本上是“三分天下” ，國際上屬于此種模式的國家以美國最為典型。以發(fā)電為主型是在天然氣利用結(jié)構(gòu)中天然氣發(fā)電所占比例大，基本上是“一電獨(dú)大” ，國際上屬于此種模式的國家包括日本、韓國、俄羅斯等。以城市燃?xì)鉃橹餍图丛谔烊粴饫媒Y(jié)構(gòu)中城市燃?xì)馑急壤^大，國際上屬于此種模式的國家包括荷蘭、英國等。在我國，天然氣已被廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和生活中的各個(gè)領(lǐng)域。1996年，我國天然氣的消費(fèi)結(jié)構(gòu)為城市燃?xì)庹?14%、工業(yè)燃料占 37%、發(fā)電占 4%、化工占 45%。2000-

17、2010 年，城市燃?xì)庹急扔?18%增至 24%，工業(yè)燃料用氣由 41%降至 36%，化工用氣由 37%降至 20%，發(fā)電用氣由 4%增至 20%。2000 年以來，城市燃?xì)庾鳛橹饕梅较颍急壤鲩L了 6 個(gè)百分點(diǎn)。工業(yè)燃料用氣比例有所下降，主要原因是其用量由最初的油氣田周邊自用向城市燃?xì)廪D(zhuǎn)移。發(fā)電占比增長較大，主要原因是長三角和東南沿海地區(qū)近年來新上燃?xì)獍l(fā)電項(xiàng)目較多?；び脷庹急却蠓认陆?，主要原因是受到天然氣利用政策的引導(dǎo)和價(jià)格的抑制。2.2.3 天然氣化工世界天然氣化工從 20 世紀(jì) 20 年代至今一直保持穩(wěn)定發(fā)展，近 20 多年發(fā)展速度加快，20 世紀(jì) 70 年代世界約 5%左右

18、的天然氣資源用作化工原料，20 世紀(jì)80 年代上升到約 10%。目前世界石油資源日趨緊缺，油價(jià)不斷刷新高位價(jià)格記錄，而天然氣的儲量和產(chǎn)量增長均超過石油，為此天然氣化工利用受到許多國家和地第 2 章 天然氣制氫技術(shù)簡介- 5 -區(qū)的重視。天然氣的化工利用主要是通過間接途徑，即先把天然氣轉(zhuǎn)化為合成氣（CO+H2） ，再將合成氣轉(zhuǎn)化成化學(xué)品和液態(tài)烴。典型的天然氣化工產(chǎn)品鏈有 4 條：合成氨產(chǎn)業(yè)鏈、氫氰酸產(chǎn)品鏈、乙炔化工產(chǎn)品鏈、以大型甲醇為龍頭的產(chǎn)業(yè)鏈。目前間接轉(zhuǎn)化成化學(xué)品的大宗產(chǎn)品為合成氨和甲醇，這兩種化學(xué)品市場在我國處于飽和狀態(tài)。由于石油資源日益短缺和環(huán)保要求日趨嚴(yán)格，天然氣合成油（GTL） 、天

19、然氣制烯烴（GTO） 、生產(chǎn)含氧化合物和天然氣制氫等受到特別關(guān)注，是近年來的活躍領(lǐng)域。其中，天然氣制氫技術(shù)已經(jīng)較為成熟。2007 年 8 月 30 日國家出臺新的天然氣產(chǎn)業(yè)政策，將天然氣利用分為優(yōu)先類、允許類、限制類和禁止類。雖然，在經(jīng)濟(jì)性和天然氣利用政策的引導(dǎo)下，天然氣化工今后仍在“夾縫”中生存，但是由于經(jīng)濟(jì)性和石油供應(yīng)緊張，天然氣制氫可能成為各石化企業(yè)的選擇。第 3 章 天然氣制氫技術(shù)分析- 6 -第 3 章 天然氣制氫技術(shù)分析隨著日益嚴(yán)重的環(huán)境污染，全世界的氣候變暖，氫能以其清潔和可再生的優(yōu)勢而作為質(zhì)子交換膜燃料電池電動車的首選燃料。在眾多的新能源中，氫能將成為 21 世紀(jì)最理想的能源。

20、目前，約 96%的氫是通過石油、天然氣、煤等化石資源制取的，其中以天然氣制氫最為經(jīng)濟(jì)和合理?，F(xiàn)有的天然氣制氫技術(shù)主要包括天然氣的水蒸氣重整、自熱重整、部分氧化重整、離子重整、催化裂解等。3.1 天然氣水蒸氣重整蒸汽重整是目前使用最廣泛的制氫方式，目前全世界一半以上的氫氣是由蒸汽重整而制得的。采用這種方法，將燃料與水蒸汽混合后進(jìn)入重整器，在高溫和催化劑的作用下發(fā)生重整反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。天然氣蒸汽重整的基本反應(yīng)方程式為： （1） （2） （3）前兩個(gè)反應(yīng)為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，摩爾流速顯著增加，在高溫低壓下，甲烷的轉(zhuǎn)化率很高，幾乎能達(dá)到平衡轉(zhuǎn)化率。與前兩個(gè)反應(yīng)不同的是，變換反應(yīng)（3）為放熱反應(yīng)，

21、反應(yīng)前后的物質(zhì)的量不變，隨著溫度的降低轉(zhuǎn)化率提高，且反應(yīng)轉(zhuǎn)化率與壓力無關(guān)。為了維持以上的兩個(gè)吸熱反應(yīng)（1）和（2） ，通常將氧氣或空氣引入反應(yīng)器進(jìn)行氧化反應(yīng)： （4）此外，由于天然氣里還含有少量重質(zhì)烴，因此重?zé)N重整和重?zé)N氫化裂解的反應(yīng)也將伴隨發(fā)生： （5）第 3 章 天然氣制氫技術(shù)分析- 7 - （6）天然氣蒸汽重整制氫的工藝流程由原料氣處理、蒸汽轉(zhuǎn)化、變換和氫氣提純四大單元組成：3.1.1 原料氣處理單元主要是天然氣的脫硫，采用 MnO 和 ZnO 脫硫劑脫去 H2S 和 SO2。原料氣的處理量較大，因此在壓縮原料氣時(shí)，選擇較大的離心式壓縮機(jī)。3.1.2 蒸汽轉(zhuǎn)化單元水蒸氣為氧化劑，在鎳催化

22、劑的作用下將烴類物質(zhì)轉(zhuǎn)化，得到制取氫氣的轉(zhuǎn)化氣。轉(zhuǎn)化爐的型式結(jié)構(gòu)各有特點(diǎn)，上下集氣管的結(jié)構(gòu)和熱補(bǔ)償方式以及轉(zhuǎn)化管的固定方式也不同。雖然對流段換熱器設(shè)置不同，但在蒸汽轉(zhuǎn)化單元都采用了高溫轉(zhuǎn)化和相對較低水碳比的工藝操作參數(shù)設(shè)置，有利于轉(zhuǎn)化深度的提高，從而節(jié)約原料消耗。3.1.3 CO 變換單元轉(zhuǎn)化爐送來的原料氣，含一定量的 CO，變換的作用是使 CO 在催化劑存在的條件下，與水蒸汽反應(yīng)而生成 CO2和 H2。按照變換溫度分，變換工藝可分為高溫變換(350400)和中溫變換(低于 300350)。近年來，由于注重對資源的節(jié)約，在變換單元的工藝設(shè)置上，開始采用 CO 高溫變換加低溫變換的兩段變換工藝設(shè)

23、置，以近一步降低原料的消耗。3.1.4 氫氣提純單元各制氫公司在工藝中已采用能耗較低的變壓吸附(PSA)凈化分離系統(tǒng)代替了能耗高的脫碳凈化系統(tǒng)和甲烷化工序，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和簡化流程的目標(biāo)，在裝置出口處可獲得純度高達(dá) 99.9%的氫氣。盡管在工業(yè)上有著重要的地位，天然氣水蒸氣重整反應(yīng)也有著很多顯著的缺陷：(1)制氫過程成本高，燃料成本占生產(chǎn)成本的 52%68%；(2)煙道氣出口溫度仍然很高，浪費(fèi)了大量熱能；(3)反應(yīng)溫度高，需要昂貴的耐高溫反應(yīng)器，同時(shí)也要用大量燃料氣；第 3 章 天然氣制氫技術(shù)分析- 8 -(4)會排放大量的 CO2，不僅造成能源浪費(fèi)，也造成 CO2對全球氣候的負(fù)面影響。3.2 天然

24、氣部分氧化重整甲烷部分氧化法(POM)實(shí)際上是由甲烷與氧氣進(jìn)行不完全氧化生成 CO 和H2。該反應(yīng)可在較低溫度 750800下達(dá)到 90%以上的熱力學(xué)平衡轉(zhuǎn)化：目前 POM 法主要以活性組分 Ni、Rh 和 Pt 等為主的負(fù)載型催化劑，反應(yīng)器主要有固定床反應(yīng)器、蜂窩狀反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器等。POM 法制合成氣或氫同傳統(tǒng)的蒸氣轉(zhuǎn)化方法比，具有能耗低，反應(yīng)速率較蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)快 12 個(gè)數(shù)量級，操作空速大等優(yōu)勢。從 20 世紀(jì) 90 年代以來，甲烷部分氧化制合成氣或氫已成為人們研究的熱點(diǎn)。雖然 POM 法制氫近 10 多年以來發(fā)展較快，但其在高純廉價(jià)氧的來源、催化劑床層的熱點(diǎn)問題、催化材料的反應(yīng)穩(wěn)定

25、性、操作體系的安全性等方面存在的問題尚待解決，這些因素都限制了該工藝的發(fā)展。逐漸解決上述問題是該工藝技術(shù)研究的發(fā)展趨勢。近來國內(nèi)外正在研究一種第 3 章 天然氣制氫技術(shù)分析- 9 -陶瓷膜反應(yīng)器，在高溫下從空氣中分離出純氧與天然氣催化部分氧化制氫同時(shí)進(jìn)行，從而解決高純廉價(jià)氧的來源問題，并大大降低了能耗。英國 Amoco 公司、美國 TRW、英國 DavyMcKee 和國內(nèi)的大連物化所、大慶石化研究院等對該工藝均有研究。近年來鈣鈦礦型致密透氧膜受到人們的普遍關(guān)注，該過程集空分與反應(yīng)為一體，降低了操作成本，還可以通過膜壁控制氧氣的進(jìn)料有效的控制反應(yīng)進(jìn)程，但膜的透氧量和膜的熱穩(wěn)定性問題制約著該過程的

26、發(fā)展。3.3 天然氣自熱重整甲烷自熱轉(zhuǎn)化(ATRM)是結(jié)合 SRM 和 POM 的一種方法。自熱反應(yīng)的氣體有氧氣、水蒸氣和甲烷。自熱轉(zhuǎn)化工藝的化學(xué)反應(yīng)比較復(fù)雜，主要有甲烷部分氧化反應(yīng)，蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)以及變換反應(yīng)：Topsoe 公司開發(fā)的由兩部份組成的 ATRM 反應(yīng)器將蒸氣轉(zhuǎn)化和部分氧化結(jié)合在同一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行。反應(yīng)器的上部是燃燒室，用于甲烷的部分氧化燃燒，而甲烷和水蒸氣重整在反應(yīng)器的下部進(jìn)行。該工藝?yán)蒙喜康牟煌耆紵懦龅臒崃刻峁┙o下部的吸熱反應(yīng)，這樣在限制了反應(yīng)器內(nèi)的最高溫度的同時(shí)降低了能耗。SRM 是吸熱反應(yīng)，POM 是放熱反應(yīng)，兩者結(jié)合后存在一個(gè)新的熱力學(xué)平衡。該熱力學(xué)平衡是由原料氣中

27、 O2/CH4 和 H2O/CH4 的比例決定的，所以 ATRM 反應(yīng)的關(guān)鍵是最佳的 O2/CH4 和 H2O/CH4 的比例，這樣可以得到最多的 H2、最少的 CO 和積碳量。研究表明，O2/CH4 的增加會降低氫氣的產(chǎn)率，而 H2O/CH4 的增加能提高生成氫氣的量。自熱轉(zhuǎn)化工藝一般采用富氧空氣或氧氣，因此需氧氣分離裝置，增加了投資，這是制約該工藝發(fā)展和應(yīng)用的主要障礙。目前制氧技術(shù)正在迅速發(fā)展，其中透氧膜的研究開發(fā)具有重要意義，如開發(fā)成功勢必大幅度降低制氧成本，將有利地推動 ATRM 工藝的發(fā)展。3.4 天然氣催化裂解近年來有不少甲烷在催化劑上的裂解反應(yīng)的相關(guān)研究，但最初目的是研究制合成氣

28、及碳納米材料。隨著燃料電池應(yīng)用前景的普遍看好，甲烷的催化裂解制氫逐漸成為研究熱點(diǎn)。甲烷催化裂解生成碳和氫氣，甲烷分解反應(yīng)是溫和的吸熱反應(yīng)，產(chǎn)物氣中不含碳氧化合物，避免了 SRM、POM、ATRM 法制氫工藝中需要分離提純氫的工第 3 章 天然氣制氫技術(shù)分析- 10 -序，降低了整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)成本。近年來國內(nèi)外研究者對甲烷催化裂解反應(yīng)進(jìn)行了大量研究，但很少有人將其用于大規(guī)模的制氫過程，主要是基于研究甲烷制合成氣機(jī)理及生成碳納米材料。催化劑的種類是影響甲烷裂解的重要因素，所用催化劑包括金屬催化劑和非金屬催化劑。甲烷催化裂解制氫有其自身的優(yōu)點(diǎn)，但制約該工藝發(fā)展的主要是適宜甲烷裂解制氫/催化劑再生循環(huán)

29、的長壽命催化劑的開發(fā)。該過程制氫的同時(shí)副產(chǎn)大量的碳，若該過程欲獲得大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，關(guān)鍵的問題是解決好產(chǎn)生的碳能夠具有特定的重要用途和廣闊的市場前景，否則必將限制其規(guī)模的擴(kuò)大。第 4 章 氣體清潔能源科學(xué)問題分析- 11 -第 4 章 氣體清潔能源科學(xué)問題分析4.1 氣體能源是清潔能源之冠煤是我國能源的主體、能源安全的保證。2002 年我國的能源結(jié)構(gòu)是：煤占67，石油占 23，水電占 7，天然氣占 3。2000 年我國生產(chǎn)原煤 9.98 億噸；2005 年為 22.05 億噸；2011 年煤炭消費(fèi)量為 35.8 億噸，煤在總能源中的比重上升至約 70”3。發(fā)展生產(chǎn)、滿足人民生活需要，都離不開煤

30、；采煤、燒煤是我國大氣和環(huán)境污染的主要源頭，治理霧霾、建設(shè)生態(tài)文明社會，回避不了傳統(tǒng)煤炭產(chǎn)業(yè)的改造與革命。通過“煤地下氣化”可使煤變?yōu)闅怏w清潔能源，生產(chǎn)廉價(jià)、無污染的氫能源。改變氣體清潔能源在我國能源結(jié)構(gòu)中的比重，是一種一箭雙雕的絕技。在當(dāng)今能源中，氣體能源最清潔，它有天然生成的和人造的兩種：前者有天然氣、可燃冰、煤層氣、氫氣；后者有頁巖氣、油頁巖、沼氣、煤化氣、人造的氫能源等。而可作為戰(zhàn)略考慮的氣體清潔能源的僅有：天然氣、可燃泳、頁巖氣、煤化氣（含煤地下氣化和制氫） 。4.2 煤地下氣化是最佳選擇我國大氣微塵污染物主要來自燃煤，約占大氣污染物的 80。因此，我國霧霾的治理可以是：（1）減少燃

31、燒用煤；（2）用其他能源取代煤的主體地位；（3）將煤變?yōu)榍鍧嵉臍怏w能源后再利用。4.2.1 將我國煤炭產(chǎn)量降下來的可能性減少燒煤， “簽底抽薪”是對癥下藥的好辦法。然而，這種辦法并不能從根本上解決我國的環(huán)境、大氣污染。這是因?yàn)楝F(xiàn)代經(jīng)濟(jì)是一個(gè)整體，停止一批企業(yè)生產(chǎn)，將引發(fā)一系列新的、更大的問題。例如：停產(chǎn)企業(yè)工人的再就業(yè)；其上游企業(yè)產(chǎn)品的銷售；下游產(chǎn)業(yè)的原料供給，影響整個(gè)經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)、正常運(yùn)轉(zhuǎn)。然而，必須指出：只要事前做好綜合、得失平衡分析，關(guān)停一批高能耗、高污染、低效益產(chǎn)業(yè)，仍然是十分必要的好辦法。我國能源利用效率既低于西方發(fā)達(dá)國家，也低于世界平均水平，提高的空間很大。通過節(jié)約、挖潛、加強(qiáng)管理來提

32、高能源效益，是現(xiàn)實(shí)、可行的好辦法，必須認(rèn)真做好。然而，由于受到基礎(chǔ)技術(shù)條件制約，它不可能在短時(shí)間內(nèi)從根本上改變我國能源利用落后的狀態(tài)，也很難抵消隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展而不斷提高的能源需求。盡管如此，把節(jié)約、挖潛、加強(qiáng)管理作為一種廉價(jià)第 4 章 氣體清潔能源科學(xué)問題分析- 12 -而有效的輔助措施，不僅不應(yīng)被忽視，而且應(yīng)時(shí)時(shí)處處注意將它做好。4.2.2 改變我國以煤為主能源結(jié)構(gòu)的可能性為了優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)，發(fā)改委于 2007 年 8 月編制了可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃 。2020 年我國的能源結(jié)構(gòu)為：煤：62.52（32 億噸） ，石油：14.36，天然氣：6.425，核電：1.99，水電：8.54，風(fēng)能：2

33、.11，太陽能：1.18，地?zé)幔?.23，生物能：2.63。從中可以看出：到 2020 年我國能源仍然是以煤為主體，2013 年煤產(chǎn)量 37.8 億噸（超過了 2020 年產(chǎn) 32 億噸的目標(biāo)） ，年初暴發(fā)了我國大面積霧霾災(zāi)害。事實(shí)表明：世界上所有的能源都不可能在數(shù)十年內(nèi)替代煤在我國的主導(dǎo)地位。4.2.3 煤地下氣化是提升氣體清潔能源比的最佳選擇要在我國搞好生態(tài)文明建設(shè)、根治霧霾只能是：逐步改變用煤方式，把煤變成清潔的氣體或油后再利用。辦法有三：“煤變油” 、 “煤地面氣化” 、 “煤地下氣化” 。前兩者不改變現(xiàn)有的從地下采煤方式， “煤地下氣化”則是將煤的氣化爐建在煤層中，使煤變成水煤氣。煤

34、地下氣化已有近百年的歷史，我國也有幾十年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并有自己的專利技術(shù)：大斷面、長通道兩階段氣化新工藝4。用余力教授開發(fā)的煤地下氣化工藝可生產(chǎn)出氫含量高達(dá) 60以上的“水煤氣” ，從而找到了生產(chǎn)廉價(jià)氫的新方法，其影響深遠(yuǎn)，已引起英、澳的重視與仿效。煤地下氣化省去了采煤工序，無需在地面建氣化爐、制油廠，將煤渣留在地下不占地、煤資源利用充分、還能生產(chǎn)廉價(jià)氫，這是“煤變油” 、 “煤地面氣化”不可相比的。近年王作棠教授在甘肅華亭將煤地下氣化與發(fā)電聯(lián)結(jié)起來，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定供氣與發(fā)電，并在引導(dǎo)地下氣化方向上獲得重大突破。隨著“煤地下氣化”技術(shù)的日臻成熟，完全自動化也只是時(shí)間問題。 “煤地下氣化”是已有近百年歷史的老工藝，其原理是：煤在地下燃燒，達(dá)高溫 1200以上，再加入水汽使固態(tài)煤分解、化合，變成“水煤氣” ，而后采出，將煤矸石、煤灰留在地下，不占地，不污染土地與大氣，通過充填減輕或完全消除地表下陷5；從根本上消除地下采煤的多種地質(zhì)災(zāi)害；生產(chǎn)員工減少，勞動條件改善，塵肺病根除；將煤氣中和燃燒后產(chǎn)