Характеристика
природного газа как сырья
Природный газ представляет собой смесь газообразных углеводородов с
преобладанием метана (CH₄), а также этана, пропана и бутана. Его
химическая чистота и высокая теплотворная способность делают его
основным сырьём для производства водорода. Водород, получаемый из
природного газа, используется как в промышленной химии, так и в
энергетике, включая топливные элементы.
Основные компоненты природного газа:
- Метан (CH₄) — до 90–95% объема; основной источник
водорода.
- Этан, пропан, бутан — 2–8%; обеспечивают
дополнительное сырьё для переработки.
- Примеси — CO₂, H₂S, N₂, водяной пар; требуют
предварительной очистки для предотвращения коррозии и отравления
катализаторов.
Методы получения водорода
Основными промышленными методами получения водорода из природного
газа являются паровой риформинг метана (Steam Methane Reforming,
SMR) и автотермический риформинг (Autothermal
Reforming, ATR).
1. Паровой риформинг метана
(SMR)
Паровой риформинг — наиболее распространённый метод. Процесс
проводится в присутствии катализатора (обычно никель на оксиде алюминия)
при высоких температурах 700–900 °C и давлениях 3–25 бар.
Основная реакция:
[ CH_4 + H_2O CO + 3H_2 H = +206 ]
Дополнительно протекает реакция водного газа:
[ CO + H_2O CO_2 + H_2 H = -41 ]
Особенности процесса:
- Эндотермичность основной реакции требует
постоянного теплообеспечения.
- Катализатор обеспечивает высокую скорость реакции и
предотвращает образование сажи.
- Выход водорода достигает 70–85% от
теоретического.
2. Автотермический риформинг
(ATR)
Автотермический риформинг сочетает окисление метана с паровой
конверсией. Реакция протекает при температурах 950–1100 °C в присутствии
катализатора:
[ CH_4 + O_2 CO + 2H_2]
Дальнейшая обработка включает реакцию водного газа для увеличения
выхода водорода. Преимущества ATR:
- Процесс эндоэкзотермически сбалансирован — нет
необходимости во внешнем источнике тепла.
- Позволяет работать при высоких давлениях, что
удобно для интеграции с другими технологическими процессами.
3. Частичная окисление метана
(POX)
В отличие от SMR, здесь метан частично окисляется кислородом без
водяного пара:
[ CH_4 + O_2 CO + 2H_2]
Метод обеспечивает быстрое производство синтез-газа, но отличается
меньшей селективностью и требует последующей переработки для увеличения
выхода водорода.
Очистка и сушка водорода
После получения синтез-газа водород выделяется и очищается:
- Удаление CO₂ — аминовой обработкой или методом
физической абсорбции (например, с использованием севропных
растворителей).
- Конверсия CO — для повышения выхода H₂ используется
реакция водного газа.
- Очистка H₂ — мембранные сепараторы или адсорбция
при переменном давлении (PSA) позволяют получать водород с чистотой
99,99%.
Технологические аспекты и
оптимизация
- Соотношение H₂O/CH₄ критично для максимального
выхода водорода и предотвращения деградации катализатора.
- Температура и давление напрямую влияют на
селективность и скорость реакции.
- Рециркуляция тепла в современных установках
позволяет значительно снижать энергозатраты.
- Катализаторы нового поколения (например, никель на
циркониевом носителе) увеличивают срок службы и устойчивость к
сульфурным примесям.
Применение полученного
водорода
Водород, получаемый из природного газа, используется в:
- Аммиачной промышленности (NH₃ для удобрений).
- Нефтехимии (гидрирование, гидрокрекинг, очистка
углеводородов).
- Энергетике — топливные элементы и синтез жидких
углеводородов (Fischer–Tropsch).
- Химической промышленности — производство метанола,
аминов и других органических соединений.
Важнейшим фактором является интеграция процессов получения водорода с
другими производственными цепочками, что позволяет снизить энергозатраты
и повысить экономическую эффективность.