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甲烷分子惰性，其活化需要在高温下进行，分含氧介质参与和无氧环境两种。含氧介质主要包括H 2 O、CO 2 与空气和O 2 等价廉、易得、大量的原料。制备合成气的化学反应方程式包括：
在实际进行过程中，CO具有反应活性且有毒害，直接排放既是极大的资源浪费，又会污染环境带来危害，因此不能随便排放。为最大化地获得氢气，必须引入如下反应：
水煤气变换反应：
这样从物质流角度分析，上述3个过程的总包反应方程式依次变为
第一个与第二个总包反应说明，CO 2 为制备过程碳的最终排放物。第三个反应引入CO 2 为介质的反应，属于特殊性反应案例，不具普遍意义。
然而从能量流角度分析，制备合成气的3个反应分别为高温位的强吸热、强放热与强吸热反应。水蒸气转化过程常需要燃烧相当于1/3原料气的燃料来为反应提供热能，而CO 2 重整过程约需要燃烧相当于42%原料气的燃料来为反应提供热能。而水煤气变换为低温位的中等反应。但制备水煤气变换反应的热能并不能为前面的合成气制备反应服务，因此，利用CO 2 为介质的过程代价巨大。
如果将原料与燃料气一并考虑，以水蒸气转化过程为例：
由此总包物流关系式（3-8）可以看出，每生产1t氢气，约放出7.3tCO 2 。事实上由于分离过程的存在，以及天然气开采、基建等过程的各类损失折算，每生产1t氢气，释放出的CO 2 要远大于这个数值，约达10～11t。
同时，在与有氧介质反应的过程中，如在氧气存在条件下的直接燃烧反应，既可以得到纯合成气，也可共产乙炔等高附加值产品，其中的共性问题是变成合成气后，如何最大化生产氢气的问题，工艺流程示意图如图3-1所示。
图3-1 天然气（经合成气）制备氢气的几条主要工艺流程示意图
其中的特性问题是甲烷在不同高温介质（水蒸气、CO 2 、O 2 ）及有无催化剂条件下如何活化、转化的问题。