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甲醇制氢流程及设备配置技术报告

一、引言

氢能作为一种清洁、高效、可再生的二次能源，在全球能源转型浪潮中扮演着日益重要的角色。其广泛应用于化工合成、交通运输、发电及分布式能源等多个领域，对减少碳排放、改善能源结构具有深远意义。在众多制氢技术中，甲醇制氢凭借其原料来源广泛、反应条件温和、装置紧凑、投资成本相对较低及产品氢气纯度高等优势，成为中小规模氢气需求场景下的理想选择，尤其在分布式能源系统、燃料电池供氢及特定工业领域具有很强的竞争力。本报告旨在详细阐述甲醇制氢的工艺流程、核心设备配置及其技术特点，为相关项目的设计、建设与运行提供技术参考。

二、甲醇制氢工艺原理与流程

甲醇制氢技术主要基于甲醇与水蒸气在催化剂作用下发生的重整反应，生成富含氢气的混合气，再经净化处理获得高纯度氢气。其核心化学反应过程如下：

1.甲醇水蒸气重整反应（MSR）：

CH?OH(g)+H?O(g)→CO?(g)+3H?(g)ΔH°=+49.5kJ/mol(吸热反应)

此为主要反应，是氢气的主要来源。

2.甲醇分解反应：

CH?OH(g)→CO(g)+2H?(g)ΔH°=+90.7kJ/mol(吸热反应)

此为副反应，会生成一氧化碳。

3.一氧化碳变换反应（WGS）：

CO(g)+H?O(g)→CO?(g)+H?(g)ΔH°=-41.2kJ/mol(放热反应)

为提高氢气产量并降低后续净化难度，通常会将重整气中的CO通过变换反应转化为CO?和额外的H?。

基于上述反应，典型的甲醇制氢工艺流程主要包括以下单元操作：

（一）原料预处理单元

甲醇原料（通常为工业级甲醇，纯度≥99.5%）经原料泵加压后，与来自后续工序的循环水或脱盐水按一定比例混合，形成甲醇水溶液。此混合过程需精确控制甲醇与水的摩尔比，以确保重整反应的高效进行和催化剂的长周期稳定运行。混合后的甲醇水溶液进入汽化器（或预热器），利用系统余热或外部热源加热至沸点以上，完全汽化为甲醇水蒸气混合气。

（二）甲醇水蒸气重整反应单元

汽化后的甲醇水蒸气混合气进入重整反应器。重整反应器是核心设备，内部装填专用的甲醇水蒸气重整催化剂（通常为铜基催化剂）。反应器在一定的温度（通常____℃）和压力（通常0.8-2.0MPa）条件下运行。为维持吸热的重整反应所需热量，反应器外部需提供热源。热源供给方式多样，小型装置可采用电加热，较大型装置则多采用燃烧部分原料气（如未净化的重整气或额外补充的甲醇/天然气）或利用其他工艺的余热。在催化剂作用下，甲醇与水蒸气发生重整反应和变换反应，生成主要含H?、CO?以及少量CO、未反应的甲醇和水蒸气的混合气。

（三）气体冷却与冷凝单元

从重整反应器出来的高温反应气（通常____℃）首先进入换热器，与进入反应器前的甲醇水溶液进行换热，回收其显热以预热原料，提高系统热效率。随后，降温后的反应气进入冷凝器，进一步冷却至常温左右，使其中的大部分水蒸气和未反应的甲醇冷凝为液态。冷凝液可部分回收，经处理后循环回原料混合系统，以提高甲醇利用率并减少排放。

（四）净化单元

净化单元的目的是脱除重整气中的CO?、残余的CO以及微量的甲醇等杂质，获得高纯度氢气。

1.脱碳：脱除CO?的方法主要有吸收法（如胺法吸收、物理溶剂吸收）和变压吸附法（PSA）。PSA法因其操作简便、自动化程度高、氢气回收率高且产品纯度极高（可达99.999%以上），在甲醇制氢中得到广泛应用。

2.脱氧/CO：若后续应用对氢气中CO含量有极高要求（如燃料电池），在PSA之前或之后可能还需要增加脱氧或深度脱CO单元。例如，可采用选择性氧化法将微量CO氧化为CO?，或采用甲烷化法将微量CO、CO?与H?反应生成CH?和H?O（甲烷化反应：CO+3H?→CH?+H?O；CO?+4H?→CH?+2H?O）。甲烷化法会消耗少量氢气并生成甲烷，但可将CO和CO?降至ppm级以下。

经过净化单元处理后，即可得到符合要求的产品氢气，送至储氢系统或用户端。

三、主要设备配置与选型要点

甲醇制氢装置的设备配置需根据产能规模、原料特性、产品纯度要求及场地条件等因素综合确定。核心设备包括：

（一）原料供应与汽化系统

1.甲醇储罐：用于储存液态甲醇，通常采用立式或卧式压力容器，材质选用不锈钢或碳钢内衬防腐材料。需配备液位、温度、压力检测及安全泄放装置。

2.甲醇水泵/原料泵：用于将甲醇及脱盐水加压输送至混合器和汽化器。根据流量和扬程选择合适的离心泵或柱塞泵，材质需考虑甲醇的腐蚀性。

3.混合器：精确控制甲醇与水的混合比例，可采用静态混合器或带搅拌的混合罐。

4.汽化器/预热器：将甲醇水溶液加热汽化。常见形式有列管式换热