この度、Sinopecが分散配置した高メタンガス水素製造プラント（300Nm3/h）の納入式を無事完了いたしました。ここでは、天然ガスからの水素製造プロセスについて簡単にご説明いたします。
エネルギー消費の激化に伴い、新たなエネルギー源の開拓は重要な課題となっている。最も有望なエネルギー源である水素は、豊富な供給源、ほぼ無公害、高い変換効率、そして幅広い応用可能性を備えている。天然ガスからの水素製造は、中国のエネルギー危機をある程度緩和し、中国のエネルギー利用構造の変革をさらに促進する可能性がある。
本稿では、天然ガスからの水素製造の原理、天然ガスからの水素製造のプロセスと技術、天然ガスからの水素製造技術の分類、および天然ガスからの水素製造のコスト計算に焦点を当てる。
1 原理とプロセス 天然ガスからの水素製造
1.1天然ガスからの水素製造の原理
天然ガス水素製造プロセスの原理は、まず天然ガスを前処理し、次に改質器でメタンと水蒸気を一酸化炭素と水素に変換し、廃熱回収後、シフトタワーで一酸化炭素を二酸化炭素と水素に変換することである。このプロセス技術の基礎は、天然ガス水蒸気変換技術に基づいて実現されている。シフトタワーでは、触媒の存在下で反応温度を制御し、変換ガス中の一酸化炭素を水と反応させて水素と二酸化炭素を生成する。
適切な圧力と温度条件下では、天然ガス中のアルカンは一連の化学反応を経て変換ガスを生成します。変換ガスは、自動制御下で各種吸着剤を備えたPAS装置を通過すると、一酸化炭素、二酸化炭素などの不純物が吸着塔によって吸着され、水素がガス消費ユニットに送られて不純物の吸着剤を吸着します。脱着後、分析ガスは燃料としてシフト炉に送られ、吸着剤も再生されます。
主な反応式は以下のとおりです。
天然ガスと水が800～900℃でニッケル酸化物触媒と反応して、一酸化炭素と水素を生成する。
反応式は次のとおりです。CH4 + H2O → CO + H2-Q
一酸化炭素と水は、300～400℃で酸化鉄触媒と反応して二酸化炭素と水素を生成する。
反応式は次のとおりです。CO + H2O → CO2 + H2 + Q
さらに、準備プロセスにおける関連技術指標要件は以下のとおりです。
圧力は一般的に1.5～2.5MPa、天然ガスの単位消費量は水素1m³あたり0.4～0.5m³です。運転時間：8000時間以上。工業規模：1000m³/H～100000m³/h。
1.2 天然ガス水素製造プロセス
天然ガスからの水素製造プロセスは、主に原料ガスの前処理、天然ガスの水蒸気変換、一酸化炭素変換、水素精製の4つのプロセスから構成される。
最初のステップは原料の前処理ステップです。ここでの前処理とは、主に原料ガスの脱硫を指します。実際のプロセス運転では、一般的に天然ガス中の有機硫黄を無機硫黄に変換して除去するために、天然ガス用コバルトモリブデン水素化亜鉛系脱硫剤が使用されます。ここで処理される原料天然ガスの流量は大きいため、高圧の天然ガス源を使用するか、天然ガス圧縮機の選定時に十分な余裕を持たせる必要があります。
第2段階は、天然ガスの水蒸気変換です。改質器ではニッケル触媒を用いて、天然ガス中のアルカンを、主成分が一酸化炭素と水素である原料ガスに変換します。
次に、触媒の存在下で一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素と二酸化炭素を生成し、水素と二酸化炭素を主成分とする変換ガスを得る。変換温度の違いにより、一酸化炭素の変換プロセスは中温変換と高温変換の2種類に分けられる。高温変換温度は約360℃、中温変換プロセスは約320℃である。近年、技術対策の発展に伴い、一酸化炭素の高温変換と低温変換の2段階プロセス設定が採用されており、資源消費をさらに節約できる。ただし、変換ガス中の一酸化炭素含有量が高くない場合は、中温変換のみを採用できる。
最後の工程は水素の精製です。現在、最も一般的に使用されている水素精製システムはPASシステム（PSA精製分離システムとも呼ばれる）です。このシステムは、エネルギー消費量が少なく、プロセスがシンプルで、高純度の水素を生成できます。最高で99.99%の純度に達することが可能です。
投稿日時：2021年11月11日