|
（一） 项目申报基本背景情况：
根据氢能生产来源和生产过程中的排放情况，人们将氢能分别命名为灰氢、蓝氢、绿氢。从当前的制氢成本来看，“灰氢”也即煤制氢的成本最低，而风电制氢的“绿氢”制取的成本最高，尽管预计随着制取技术进步，未来绿氢的成本会逐步下降，但可预见的是，未来10年，“灰氢”仍然具备成本优势。目前，作为清洁能源，煤制氢有个劣势，就是依赖化石能源，无法避免碳排放。相比之下，成本略高于“灰氢”的“蓝氢”，似乎成了当下最好的选择。
“蓝氢”也叫天然气制氢，其工艺原理就是先对天然气进行预处理，然后在转化炉中将甲烷和水蒸汽转化为一氧化碳和氢气等，余热回收后，在变换塔中将一氧化碳变换成二氧化碳和氢气，这一工艺技术的基础是在天然气蒸汽转化技术的基础上实现的。在变换塔中，催化剂存在的条件下，控制反应温度，转化气中的一氧化碳和水反应，生成氢气和二氧化碳。
虽然天然气也属于化石燃料，在生产蓝氢时也会产生温室气体，但由于使用了碳捕捉、利用与储存（CCUS）等先进技术，温室气体被捕获，减轻了对地球环境的影响，实现了低排放生产。
传统天然气制氢过程
根据行业研究机构数据，天然气制氢工艺目前在世界氢气制取市场占比排第一位。我国天然气制氢的占比排在第二，位于煤制氢之后。我国天然气制氢始于20世纪70年代，主要为合成氨提供氢气。近几年，我国天然气制氢行业产量快速增长，从2015年的277.5万吨增长到了2020年的458.9万吨。天然气制氢市场规模从2015年的421.34亿元，增长至2020年的756.11亿元。在A股上市公司中，目前有多家公司涉及“蓝氢”制取相关业务，包括卫星化学、富淼科技、佛燃能源、惠博普等。
（二）项目需求分析和必要性分析；
目前来看，天然气制取“蓝氢”制取在碳排放上优于煤制的“灰氢”，在制作成本上优于风电制取的“绿氢”，是当前制氢方式中，比较合理的一个选择，但是，“蓝氢”制取，同样也存在一些问题。
对于传统制氢工艺目前还存在一些问题，这些问题主要表现在以下几个方面：
（1）经济效益比较差，传统的制氢工业成本过高，燃料成本过高，过程中只有氢气一个产品，经济性不高，这也直接制约天然气制氢的进展，经济效益差，很多企业不愿意去做。
（2）余热收集再利用不高，在制氢过程中烟道出口温度过高，导致很多热量浪费，烟道气出口温度仍然很高，浪费了大量热能。
（3）制氢需要高温反应，这就需要比较昂贵的设备，否则不能满足制氢需求，同时还需要大量的燃料气，让企业制氢成本大增。
（4）造成一定的污染，在传统制氢过程中需要水蒸汽和氧气进行催化反应，会产生大量的二氧化碳，这不仅会带来资源浪费，甚至二氧化碳过量直接会影响环境。采取高效、低耗能已经成为天然气制氢发展的大趋势，寻找更高技术手段和先进方法的天然气制氢工艺有迫切的要求。
（三） 采用等离子法制氢及超细碳粉的原因
利用热等离子体（900-1600℃）技术进行生物能源热转化利用，是一项完全不同常规的天然气裂解的新工艺。等离子体制氢技术因系统启停迅速、工艺流程简单、可处理燃料种类多、投资及操作成本低等优势受到研究者的广泛关注。
热等离子体是指由大量电子、离子、中性原子和中性分子组成的，总的正电荷和负电荷数量近似相等而宏观上呈电中性的一种导电流体。按照温度差异，等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体。根据重粒子(中性原子、中性分子及离子)与电子温度的关系，又可以将低温等离子体分为热等离子体和冷等离子体。热等离子体(如电弧放电)处于热平衡或局域热平衡状态，重粒子温度接近电子温度(约104 K)。
热等离子体有较高的电子温度和较低的粒子温度，为化学反应提供了良好的条件：一方面，较高的电子能量可以使反应物激发、电离和离解，从而使反应物具有较强的化学活性；另一方面，整个反应体系的温度较低，从而降低了能量的消耗，节约了成本，同时，较低的体系温度也为化学反应提供了良好的淬灭条件，保证了反应定向进行和产物的获取。因此，采用热等离子体（900-1600℃）重整燃料制氢是近年全球研究的新方向。
常规热等离子体发生器的冷却需要采用水冷，而该工艺因工作过程为真空或惰性气体环境，发生器使用过程损耗后，冷却水将不可避免造成泄露，那时将造成严重后果。因此，采用气冷发生器的研究，是解决该工艺的瓶颈。我们恰恰已在长期等离子炬各种应用过程中，解决了该难题。
热等离子体分解CH4主要主要通过两种途径进行:
一是与自由电子直接碰撞进行分解,如:
CH4+e CH3+H+e CH4+e CH2+2H+e CH4+e C+3H+e
二是高温下进行自分解,如:
2CH4+ Q C2H2+3H2+ C 2C+4H+ Q
甲烷分子量16 乙炔是26 碳是12氢气是2根据方程式计算甲烷裂解氢气理论裂解量为25%，根据甲烷氢气质量（一个标准大气压,则1立方米天然气质量是728克；1立方氢气的重量=89.9克）计算得出，1立方甲烷可产生2立方氢气及500克碳黑
需要达到的技术指标
（1）等离子体热解产物由超细碳粉和氢气组成，无焦油存在，气体中可能残留小部分甲烷及乙炔。气体中H2含量可高达80％以上。
（2）通过催化和过滤剩余的乙炔和甲烷，氢气最终达到96%以上。
（四）项目主要内容和方案；
其工艺流程要点为：
4.0 通过沼气工程，将制备的甲烷合成气进行收集和提纯。
4.1通过一燃室3-4支气冷的等离子炬（工作气体为天然气，压力为6公斤，工作温度1600度），每小时流量为3-5立方/支，将需要裂解的天然气从尾部进气口送入等离子炬，通过等离子炬喷射口进入一燃室真空腔体；利用等离子的能量和热量，进行直接裂解天然气，一燃室后连接二燃室1-2支气冷的等离子炬（工作气体为氢气，压力为5-6公斤，工作温度1600度）把一燃室没有充分裂解的甲烷和乙炔，裂解和重整为更多的氢气和碳。
4.2 二燃室后接空气冷却器及余热锅炉，充分收集降温的热量，（本项目未包含，本项目为双层水冷管）,进入旋风收集器，将超细碳粉进行收集。 旋风后面连接催化和过滤吸附装置，将合成气里的其他残留气体进行催化和过滤（本项目未包含），之后进入收集器，将本项目需要的氢气和超细碳粉进行收集。 |
