甲烷蒸汽重整（Steam Methane Reforming, SMR）

1. 技术原理与工艺流程

甲烷蒸汽重整（SMR）是当前全球最主流的制氢技术，占全球氢气产量的70%以上。其核心原理是通过高温催化反应将甲烷（CH₄）与水蒸气（H₂O）转化为氢气（H₂）和一氧化碳（CO），再通过水气变换反应（WGSR）进一步生成更多氢气。

反应步骤：

1. 重整反应：

   $${\text{CH}}_4+{\text{H}}_2\text{O}\stackrel{\text{催化剂}}{}\text{CO}+3{\text{H}}_2(\Delta H=+206\text{kJ/mol})$$

• 吸热反应，需外部供热（温度700–1000℃）；

• 使用镍基催化剂（如Ni/Al₂O₃），优化活性与抗积碳性能。

2. 水气变换反应：

   $$\text{CO}+{\text{H}}_2\text{O}\to {\text{CO}}_2+{\text{H}}_2(\Delta H=-41\text{kJ/mol})$$

• 将CO转化为H₂和CO₂，提升氢气产率。

3. 氢气纯化：

• 通过变压吸附（PSA）或膜分离技术去除CO₂、未反应的CH₄和其他杂质，获得纯度>99.9%的氢气。

工艺特点：

• 能源效率：全系统效率约65%-75%；

• 原料适应性：主要依赖天然气，也可处理液化石油气（LPG）等烃类。

2. 经济性与应用现状

成本分析：

• 原料成本主导：天然气价格占制氢总成本的70%-85%。以天然气价格2元/Nm³计算，氢气成本约为1.5–2元/Nm³。

• 设备投资：单位产能（1吨/天）投资约200-300万元，规模化生产可降低边际成本。

• 对比其他技术：

• 比电解水制氢（3.69元/Nm³）成本低50%以上；

• 比煤气化制氢（0.34元/Nm³）成本高，但碳排放更低。

应用场景：

• 炼油与化工：用于加氢裂化、合成氨、甲醇生产等；

• 交通燃料：部分加氢站采用现场SMR制氢（如日本ENEOS的“Hydrogen Town”项目）；

• 区域分布：北美、中东等天然气丰富地区主导，中国以煤制氢为主，但沿海地区（如广东、浙江）逐步推广SMR。

3. 环境挑战与碳排放

• 碳排放强度：每生产1公斤氢气排放约9-12公斤CO₂，全球年排放量超8.3亿吨。

• 低碳化路径：

• 蓝氢（结合CCUS）：通过碳捕集与封存技术减少80%-90%排放，但成本增加30%-50%；

• 绿氢替代：长期需转向电解水制氢，但依赖绿电成本下降。

技术改进方向：

• 催化剂优化：开发抗积碳、耐硫的镍基合金或非贵金属催化剂（如Co-Mo/Al₂O₃）；

• 工艺集成：与可再生能源耦合，例如利用太阳能供热降低天然气消耗；

• 模块化设计：小型化SMR装置适配分布式制氢场景。

4. 与其他制氢技术的对比

5. 未来发展方向

(1) 蓝氢规模化：

• CCUS技术集成：如挪威“Northern Lights”项目将SMR与海底CO₂封存结合，年产蓝氢50万吨；

• 政策驱动：欧盟碳边境税（CBAM）推动蓝氢出口，中国试点碳市场支持CCUS项目。

(2) 热化学循环技术：

• 化学链重整：使用金属氧化物（如Fe₂O₃）作为氧载体，分离CO₂并降低能耗；

• 太阳能辅助SMR：利用聚光太阳能（CSP）提供高温热能，减少天然气消耗。

(3) 智能化与数字化：

• AI优化控制：实时调整反应参数（如蒸汽/甲烷比、温度），提升效率3%-5%；

• 数字孪生技术：模拟反应器运行，预测催化剂寿命与维护周期。

甲烷蒸汽重整（SMR）凭借成熟的技术和低廉的成本，仍是当前氢能生产的支柱。然而，其高碳排放问题与碳中和目标存在冲突，亟需通过CCUS技术、可再生能源耦合及工艺创新向低碳化转型。未来，SMR将作为过渡技术，与绿氢共存，直至可再生能源制氢成本全面突破。