按照行业需求生产制取蓝氢

在气候变化和全球碳减排目标的驱动下，人们不断探索氢能，出现多种生产方式，各有优势，各具挑战。绿氢由可再生能源发电直接制取，是符合未来可持续发展的理想选择，但受经济性、生产技术和可扩展性的限制，需要生产大量其他颜色的氢气作为绿氢的补充，持续推进氢能的应用可行性。

目前，在全球范围内主要生产灰氢和蓝氢，利用天然气燃料，通过蒸汽甲烷重整（SMR）或自热重整（ATR）工艺生产制取，相对容易实现。这两种氢气的生产方法相同，但蓝氢优于灰氢，蓝氢在制取过程中会同时捕集和封存过程中排放的二氧化碳，而在灰氢的制取过程中，二氧化碳直接排放至大气中。因此，普遍认为蓝氢是低碳氢气。

蒸汽甲烷重整（SMR）是成熟的热化学工艺，原料甲烷气（比如天然气）在催化剂的催化作用下与3...25 bar（43.5...363 psi）压力的高温蒸汽发生化学反应。这一工艺在炼油、化肥制造和甲醇生产等行业中已有悠久的应用历史。

反应产物为合成气，即氢气和一氧化碳的混合气体。随后发生水煤气变换（WGS）反应，将一氧化碳转化为额外的氢气，同时生成二氧化碳和少量一氧化碳副产品。

自热重整（ATR）是相对较新的工艺方法，特别适合大规模制氢应用。反应设备装置的投资较大，但碳捕集效率更高。这得益于重整装置控制氧气进气量，减少了生成的一氧化碳的体积，因此可以得到比蒸汽甲烷重整（SMR）纯度更高的二氧化碳气体。

此外，自热重整（ATR）会氧化部分甲烷，生成合成气，因此无需外部热源。同蒸汽甲烷重整（SMR）一样，通过水煤气变换（WGS）反应可以尽量提高氢气的产量。

一般说来，选择蒸汽甲烷重整（SMR），还是选择自热重整（ATR）工艺生产制取蓝氢，需要综合评估多个因素，包括但不限于以下几点：

• 设计生产规模
• 氢气纯度要求
• 现有原料天然气的组分
• 资金来源
• 预估运营成本
• 全球或地区经济格局

蒸汽甲烷重整（SMR）制取蓝氢的过程包括三个关键化学反应，以及第四个可选反应。

1. 甲烷重整
这是最主要的化学反应，甲烷（CH₄，通常来自天然气）与蒸汽（H₂O)在镍基催化剂的作用下发生化学反应，反应在700...1,100 °C(1,300...2,000 °F)高过程温度和3...25 bar (43.5...363 psi)过程压力下进行。反应产物为合成气，即氢气（H₂）和一氧化碳（CO）和混合气体。这是吸热反应过程，需要输入热量。

CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ (ΔH = +206 kJ/mol)

2. 水煤气转换反应
合成气随后进行水煤气转换反应，一氧化碳在催化剂（通常为氧化铁或铜基催化剂）作用下与蒸汽进一步反应，生成更多的氢气和二氧化碳（CO₂）。这是放热反应过程，释放热量。

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (ΔH = -41 kJ/mol)

3. 去除二氧化碳
混合气体产物内含氢气、二氧化碳，以及部分未发生反应的甲烷。大部分二氧化碳通过胺液吸附技术去除，即胺液吸收溶解二氧化碳，留下净化处理后的氢气。

CO₂ + 胺液 ⇌ 胺-CO₂混合物（简化化学分子式）

4. 纯化氢气（可选）
参照纯度要求，可以进一步执行纯化操作。变压吸附（PSA）和膜分离技术是两种最常用的方法，变压吸附（PSA）利用吸附材料选择性捕集二氧化碳，膜分离技术则使用只允许氢气通过的专用滤膜。

催化剂对于蒸汽甲烷重整（SMR）至关重要，它有助于加快反应速度。但是，随着时间的推移，催化剂会逐渐耗尽，必须再生或更换。甲烷重整是吸热过程，水煤气变换是放热过程，均需要精确的热量管理，才能保证反应高效进行。

对比蒸汽甲烷重整（SMR），自热重整（ATR）的优势在于一氧化碳排放量更少，二氧化碳的捕集效率更高- 约为95%，而SMR仅有60 %）。 自热重整（ATR）制取蓝氢的过程分为以下几个关键步骤。

1. 原料气预热和混合
预热天然气（主要成分是甲烷）和蒸汽，控制向混合气体注入的氧气（O₂）的进气量。

2. 燃烧
部分甲烷与注入的氧气发生燃烧反应，释放大量热量，为后续重整反应提供热量。

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O (ΔH = -890 kJ/mol)

3. 重整
重整反应是吸热反应，利用燃烧释放的热量。

蒸汽重整： CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ (ΔH = +206 kJ/mol)
部分氧化： 2CH₄ + O₂ ⇌ 2CO + 4H₂ (ΔH = -36 kJ/mol)

4. 水煤气变换反应
同蒸汽甲烷重整（SMR）一样，重整反应产物一氧化碳在催化剂作用下与蒸汽进一步反应，生成更多的二氧化碳：

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (ΔH = -41 kJ/mol)

5. 去除二氧化碳
同蒸汽甲烷重整（SMR）一样，通常通过胺液吸附技术去除混合气体中的二氧化碳，留下净化处理后的氢气。

6. 纯化氢气（可选）
如需要，可以选择变压吸附（PSA）和膜分离等技术进一步提高氢气的纯度。

蒸汽甲烷重整（SMR）无需稳定的氧气进气气源，相比之下，工艺较简单，使用成本较低。但自热重整（ATR）自带燃烧反应，热量自给自足，启动后就无需外部供热，比蒸汽甲烷重整（SMR）更加节能。

此外，自热重整（ATR）合成气中的氢气和一氧化碳的占比较高，对于部分下游应用非常有利。自热重整（ATR）系统一般能够更快应对生产需求的变化。综上所述，新建的蓝氢生产装置更青睐自热重整（ATR）。

脱离碳捕集、利用与封存技术（CCUS）讨论蓝氢生产是不全面、不完整的。工艺过程非常复杂，首先需要将废气中的二氧化碳和其他气体分离开来，常常选择采用吸附技术，比如胺液选择性碳捕集。

捕集到的二氧化碳经过压缩和液化处理后达到超临界状态，高效运输（管道运输较为常见）至合适的地质层长期封存。可选封存位置包括枯竭油气藏、含盐地下蓄水层和盐丘。

碳捕集与封存（CCS）技术提供了管理碳排放的具体方法，但长期安全性还有待解决。少量泄漏也可能对周边生态系统和地下水造成潜在影响。

同利用可再生能源发电直接制取的绿氢相比，人们一直在探讨蓝氢对环境的影响。有人认为，关注蓝氢可能会延长向可再生能源和绿氢的过渡时间。

从财务角度分析，碳捕集与封存（CCS）技术需要成本投入，导致蓝氢比灰氢的生产成本高。不过，上述成本正在逐渐降低。不仅如此，对灰氢征收碳税、政府出台激励措施鼓励企业使用蓝氢，建立碳气限额及交易系统，都使得蓝氢，甚至是绿氢，更具经济可行性。

除了环保和经济方面的考量，成功部署蓝氢生产还需要高精度现场仪表和控制系统协同工作，共同保障过程的可靠性、高效性和安全性。蒸汽甲烷重整（SMR）和自热重整（ATR）工艺都需要安装多台传感器，持续监控过程参数，将实时数据上传至复杂的控制系统，从而优化生产，减少浪费，降低风险。

温度传感器对于维持理想反应条件、防止催化剂降解至关重要，搭配压力传感器，确保反应器和管道的内部环境安全。流量计可靠监测气体和液体的全过程流动状况，有助于精准控制反应物组分占比和介质流量。流量计对于计量交接测量点同样至关重要。

而拉曼光谱分析仪、TDLAS可调谐二极管激光吸收光谱分析仪等气体分析仪产品能够监测多个测量点，提供不同测量点的气体组分信息，帮助操作员验证过程效率，及早识别问题，保证氢气纯度。

随着氢能基础设施的扩建推进，蓝氢起着关键作用，在等待绿氢时代到来的同时推动氢能应用的深入研究，以及持续效率提升。蒸汽甲烷重整（SMR）和自热重整（ATR）是被公认的可行的制氢方法，有效平衡了经济和环保因素，技术成熟。碳捕集、利用与封存（CCUS）技术持续进步，不断提高碳捕集效率和长期碳封存的安全性。但是，蓝氢产量真正超越灰氢，仍需努力前行。

全球都在努力应对不断变化的复杂能源形势，迫切需要基于多因素综合考量的平衡方法 —— 考虑不同颜色的氢气利弊，并且优先考虑长期可持续性。需要使用不同颜色的氢能和可再生能源，提高电气化水平，甚至是有效利用化石燃料，尽管需要采取减排措施。我们必须充分利用箭筒中的每一支箭，针对实际应用择优选择解决方案，才能赢得能源革命的最终胜利。