天然气制氢的核心原理是通过甲烷（CH₄）与水蒸气（H₂O）在高温和催化剂作用下的蒸汽重整反应，分阶段生成氢气和二氧化碳，并经过提纯处理。‌ 

具体流程：‌

‌原料预处理‌

天然气需先经过脱硫处理，使用钴钼催化剂和氧化锌将有机硫转化为无机硫，防止后续催化剂中毒。

‌甲烷蒸汽重整反应‌

在镍基催化剂作用下，甲烷与水蒸气于‌700–900℃高温‌下反应，生成一氧化碳（CO）和氢气（H₂），反应式为：CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

(吸热)

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂(吸热)

此步骤需要外部供热，能耗较高。

‌水煤气变换反应‌

一氧化碳在‌300–400℃‌的温度条件下，进一步与水蒸气反应生成二氧化碳（CO₂）和更多氢气，反应式为：

CO + H₂O → CO₂ + H₂(放热)

总反应可表示为：

CH₄ + 2H₂O → 4H₂ + CO₂

氢气提纯‌

通过变压吸附（PSA技术）去除杂质，获得纯度达‌99.99%‌的氢气。

关键工艺参数

‌温度‌：重整反应需维持700–900℃，变换反应则为300–400℃。

‌压力‌：通常控制在1.5–2.5 MPa。

‌能耗‌：每生产1立方米氢气，需消耗0.4–0.5立方米天然气及0.34 kWh电力。

技术特点与挑战

‌优势‌：天然气资源丰富，适合大规模生产；技术成熟，氢气产率高。

‌挑战‌：反应需高温高压，能耗高；二氧化碳排放需通过捕集技术（如CCUS）处理以减少环境影响。

成本构成

‌原料成本‌：天然气价格占主导（约73.4%）。

‌能耗成本‌：电力、水等辅助资源占比约2.4%。

‌敏感性分析‌：天然气价格每上涨10%，制氢成本可能增加15–20%。

天然气制氢的关键在于‌高温催化反应‌和‌高效提纯工艺‌，其经济性和环保性仍在持续优化中，尤其是针对碳排放问题。

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