制氫工藝
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2022-03-11
制氫工藝的實(shí)例教程
壓力：1.0-2.5MPa;天然氣單耗: 0.5-0.56Nm3/ Nm3氫氣;電耗: 0.8-1.5/ Nm3氫氣;規(guī)模: 1000 Nm3/h ~100000 Nm3/h;純度: 符合工業(yè)氫、純氫(GB/T7445-1995);年運(yùn)行時(shí)間: 大于8000h。
3、天然氣水蒸汽重整制氫需解決的關(guān)鍵問(wèn)題
天然氣水蒸汽重整制氫需吸收大量的熱，制氫過(guò)程能耗高，燃料成本占生產(chǎn)成本的50-70%。遼河油田在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量有成效的研究工作，在油氣集輸企業(yè)建有大批工業(yè)生產(chǎn)裝置，考慮到氫在煉廠和未來(lái)能源領(lǐng)域的應(yīng)用，天然氣水蒸氣轉(zhuǎn)化工藝技術(shù)不能滿足未能滿足大規(guī)模制氫的要求。因此研究和開(kāi)發(fā)更為先進(jìn)的天然氣制氫新工藝技術(shù)是解決廉價(jià)氫源的重要保證，新工藝技術(shù)應(yīng)在降低生產(chǎn)裝置投資和減少生產(chǎn)成本方面應(yīng)有明顯的突破。
4、天然氣制氫新工藝和新技術(shù)分析
天然氣絕熱轉(zhuǎn)化制氫。該技術(shù)最突出的特色是大部分原料反應(yīng)本質(zhì)為部分氧化反應(yīng) ，控速步驟已成為快速部分氧化反應(yīng)，較大幅度地提高了天然氣制氫裝置的生產(chǎn)能力。天然氣絕熱轉(zhuǎn)化制氫工藝采用廉價(jià)的空氣做氧源，設(shè)計(jì)的含有氧分布器的反應(yīng)器可解決催化劑床層熱點(diǎn)問(wèn)題及能量的合理分配，催化材料的反應(yīng)穩(wěn)定性也因床層熱點(diǎn)降低而得到較大提高，天然氣絕熱轉(zhuǎn)化制氫在加氫站小規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)制氫更能體現(xiàn)其生產(chǎn)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。該新工藝具有流程短和操作單元簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，可明顯降低小規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)制氫裝置投資和制氫成本。
天然氣部分氧化制氫。天然氣催化部分氧化制合成氣，相比傳統(tǒng)的蒸汽重整方法比，該過(guò)程能耗低，采用極其廉價(jià)的耐火材料堆砌反應(yīng)器，但天然氣催化部分氧化制氫因大量純氧而增加了昂貴的空分裝置投資和制氧成本。采用高溫?zé)o機(jī)陶瓷透氧膜作為天然氣催化部分氧化的反應(yīng)器，將廉價(jià)制氧與天然氣催化部分氧化制氫結(jié)合同時(shí)進(jìn)行。
展開(kāi) 根據(jù)預(yù)計(jì)的富氫PSA尾氣低發(fā)熱值（LHV），尾氣火嘴的設(shè)計(jì)發(fā)熱量為8.39GJ/hr。
在開(kāi)車期間，因?yàn)橹挥刑烊粴馊剂?，所以只使用天然氣燒嘴。投用尾氣火嘴的前提是天然氣燒嘴?jīng)投用。整個(gè)燃燒系統(tǒng)可以在運(yùn)行過(guò)程中自行監(jiān)測(cè)火焰狀況的紫外線火焰探測(cè)儀BMS700。尾氣火嘴沒(méi)有特別的火焰監(jiān)測(cè)設(shè)備。
天然氣重整制氫工廠實(shí)際性能參數(shù)
通過(guò)實(shí)際穩(wěn)定生產(chǎn)期間的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，得到實(shí)際性能參數(shù)。
實(shí)際天然氣制氫裝置單耗=0.473NCMH天然氣/NCMH氫氣
設(shè)計(jì)天然氣制氫裝置熱效率=76.36%（產(chǎn)品熱值/原料熱值）
計(jì)算中氫氣產(chǎn)品熱值3.545kw/NCMH，天然氣熱值11.257kw/NCMH，蒸汽熱值0.77403kw/kg）
天然氣重整制氫工廠工藝特點(diǎn)
1、當(dāng)前價(jià)格經(jīng)濟(jì)最好的工藝
2、行業(yè)配范圍非常廣，生產(chǎn)規(guī)模從小到大全部適用：從各種規(guī)模的設(shè)備都非常成熟，所以不論是醫(yī)藥、電子氣的小戶；或者石化、冶金、化工、玻璃、光伏那樣的中等戶；還是煉油、化肥、樹(shù)胎類精細(xì)化學(xué)品那樣的大用戶，SMR工藝都可以滿足。
3、實(shí)際生產(chǎn)關(guān)鍵控制點(diǎn)多，工況波動(dòng)較大，參數(shù)調(diào)整后滯后效果嚴(yán)重。就工藝本身而言，天然氣重整制氫的工藝不算太復(fù)雜，不過(guò)天然氣的重整反應(yīng)是一個(gè)強(qiáng)吸熱反應(yīng)，且需要的反應(yīng)基礎(chǔ)溫度很高，至少需要800℃左右，所以溫度控制是SMR工廠主要抓手，但由于溫度控制需要微分控制，所以調(diào)節(jié)很復(fù)雜，一旦工況波動(dòng)，很容易使控制閥門運(yùn)行數(shù)據(jù)離散。但總體來(lái)言，畢竟工藝還是比較成熟，只要調(diào)整得當(dāng)，還是能夠通過(guò)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人的全自動(dòng)工廠。面對(duì)日常的控制，需要控制的部分也很少，按照系統(tǒng)單元分開(kāi)的話，需要關(guān)注：工藝系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)和煙道系統(tǒng)。
展開(kāi) 氫燃燒的產(chǎn)物是水，與其他燃料相比，氫燃料是世界上最干凈的能源，被譽(yù)為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的二次能源。如果作為汽車的能源，在考慮全生命周期后，氫燃料電動(dòng)車的能源效率約為29%，高于鋰離子電動(dòng)車的28%及燃油車的14%。在“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)下，氫能汽車成為了各車企競(jìng)相爭(zhēng)奪的賽道。
氫能源與電能、太陽(yáng)能、風(fēng)能等同屬于清潔能源，在制氫站生產(chǎn)儲(chǔ)運(yùn)氫氣的過(guò)程中，為防止過(guò)量泄漏的氫氣發(fā)生爆炸，需要安裝氫氣儲(chǔ)罐區(qū)氣體檢測(cè)儀，2022年七月下旬，?？诠夥?em>制氫高壓加氫一體站更換一批氫氣管道氣體報(bào)警器用于氫站儲(chǔ)罐區(qū)，氫氣傳感器用于制氫站氫氣泄漏監(jiān)測(cè)，并入PLC、DCS系統(tǒng)，聯(lián)鎖報(bào)警自動(dòng)控制電磁閥風(fēng)機(jī)等設(shè)備的啟停。
工業(yè)制氫站制氫工藝流程原理主要有以下4種：
1、甲醇裂解制氫
甲醇轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)是以甲醇、脫鹽水為主要原料,甲醇水蒸汽在催化劑床層轉(zhuǎn)化成主要含氫氣和二氧化碳的轉(zhuǎn)化氣,該轉(zhuǎn)化氣再經(jīng)變 壓吸附技術(shù)提純,得到純度為 99.9～99.999%的產(chǎn)品氫氣的工藝技術(shù)。
2、天然氣制氫
天然氣制氫工藝流程主要包括凈化系統(tǒng)與轉(zhuǎn)化系統(tǒng)和提純系統(tǒng).凈化系統(tǒng)主要包括對(duì)原料氣的烯烴、含硫進(jìn)行凈化(原因是轉(zhuǎn)化催化劑的敏感).轉(zhuǎn)化系統(tǒng)主要是以凈化氣、蒸汽在轉(zhuǎn)化催化劑的作用下,轉(zhuǎn)化成氫氣、CO/CO2,然后經(jīng)過(guò)以Fe3O4為催化劑使得CO轉(zhuǎn)化成C02和氫氣,最后經(jīng)過(guò)凈化系統(tǒng),得到純度較高的氫氣。
3、氨分解制氫
利用液氨為原料,氨經(jīng)裂解后,每公斤液氨裂解可制得2.64Nm3 混合氣體,其中含75%的氫氣和25%的氮?dú)?。所得的氣體含雜質(zhì)較少(雜質(zhì)中含水汽約2克/立方 米,殘余氨約1000ppm), 再通過(guò)分子篩獲得高純度的氫氣。
展開(kāi) 經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，人們已經(jīng)掌握了日益先進(jìn)、不斷成熟的核能技術(shù)，成為當(dāng)前人類大規(guī)模工業(yè)制氫的最佳選擇。核能制氫是將核反應(yīng)堆與先進(jìn)制氫工藝耦合，進(jìn)行氫的大規(guī)模生產(chǎn)。核能制氫具有不產(chǎn)生溫室氣體、以水為原料、高效率、大規(guī)模等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)氫氣大規(guī)模供應(yīng)的重要解決方案。
核能制氫原理
核能制氫就是利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱作為制氫的能源，通過(guò)選擇合適的工藝，實(shí)現(xiàn)高效、大規(guī)模的制氫；同時(shí)減少甚至消除溫室氣體的排放。核能制氫原理示意如圖所示。
核能制氫原理示意圖
核能到氫能的轉(zhuǎn)化途徑較多，包括以水為原料經(jīng)電解、熱化學(xué)循環(huán)、高溫蒸汽電解制氫，以硫化氫為原料裂解制氫，以天然氣、煤、生物質(zhì)為原料的熱解制氫等。以水原料時(shí)，整個(gè)制氫工藝過(guò)程都不產(chǎn)生CO?，基本可以消除溫室氣體排放；以其他原料制氫時(shí)只能減少碳排放。另外，利用核電電解水只是核能發(fā)電與傳統(tǒng)電解的簡(jiǎn)單聯(lián)合，仍屬于核能發(fā)電領(lǐng)域，一般不視為真正意義上的核能制氫技術(shù)。因此，以水為原料、全部或部分利用核熱的熱化學(xué)循環(huán)和高溫蒸汽電解被認(rèn)為是代表未來(lái)發(fā)展方向的核能制氫技術(shù)。
核能到氫能的轉(zhuǎn)化途徑
瑞典公司將利用核反應(yīng)堆制氫
綠色能源革命正在影響能源生產(chǎn)項(xiàng)目，核能制氫也成為國(guó)外眾多國(guó)家開(kāi)始試驗(yàn)的一大制氫方式。
近日，
瑞典
研究人員
開(kāi)發(fā)出一種核能制氫方式，
以最大限度
減少
污染。
利用核能發(fā)電電解水制氫，會(huì)得到“粉氫”。瑞典能源研究人員正在鉆研粉氫的可持續(xù)性，因?yàn)槔煤四?em>制氫會(huì)給環(huán)境帶來(lái)放射性危害。
核能也有其顯著的優(yōu)點(diǎn)，核能發(fā)電向大氣中排放的溫室氣體幾乎為零；此外，核能正成為化石燃料的替代品，并且核能的低成本也為人所青睞。
展開(kāi) 因此，定量化評(píng)估 CCUS技術(shù)在降低煤制氫碳足跡方面的作用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
評(píng)估方法
02
本文所探討的煤制氫耦合CCUS技術(shù)主要涵蓋煤炭開(kāi)采及洗選①、煤炭運(yùn)輸、煤制氫氣、CO2 捕集、CO2 運(yùn)輸、CO2封存②等技術(shù)環(huán)節(jié)。需要說(shuō)明的是，上述過(guò)程中產(chǎn)生的非CO2溫室氣體以及由煤炭自燃所引起的碳排放在本文中均不予考慮。綜上，煤制氫耦合CCUS技術(shù)的碳足跡核算邊界如圖1所示。
圖1 煤制氫耦合CCUS技術(shù)全流程能源相關(guān)
碳足跡評(píng)價(jià)系統(tǒng)邊界
鑒于煤氣化可能成為我國(guó)煤制氫工藝的重要途徑，故本文假設(shè)制氫技術(shù)路線為煤氣化制氫。從技術(shù)原理來(lái)看，煤氣化制氫是煤粉、煤漿或煤焦與氣化劑在高溫下進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，生成 H2與一氧化碳（CO）的合成氣，再經(jīng)過(guò)變換、低溫甲醇洗工藝、氫氣提純等工序，得到高純度產(chǎn)品氫氣的工藝過(guò)程，其工藝流程如圖2所示。
圖2 煤制氫耦合CCUS技術(shù)工藝流程示意圖
煤制氫耦合CCUS 技術(shù)碳足跡評(píng)估涉及的主要技術(shù)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)處理過(guò)程包括：
（1）煤炭開(kāi)采及洗選；（2）煤炭運(yùn)輸；（3）煤制氫；（4）CO2捕集、運(yùn)輸與封存。
展開(kāi) 
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制氫工藝的最新內(nèi)容
該項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)在獨(dú)山子石化分公司煉油老區(qū)35KV北區(qū)變北側(cè)預(yù)留用地內(nèi)，新建一套產(chǎn)氫規(guī)模為1000Nm3/h的采用堿性電解水工藝制氫試驗(yàn)裝置（簡(jiǎn)稱電解水制氫裝置），整體呈東西向布置，總占地面積 2400 m2，東側(cè)為 80 萬(wàn)噸／年催化汽油加氫裝置、100萬(wàn)噸/年蠟油加氫裝置，西側(cè)為預(yù)留用地，北側(cè)為預(yù)留用地，南側(cè)為 35KV 北區(qū)變。
但電解水制氫具有工藝簡(jiǎn)單、無(wú)污染、產(chǎn)出氫氣純度高等優(yōu)勢(shì)，能夠很好地與可再生能源結(jié)合，達(dá)到大幅度降低制氫成本的效果[9]。
煤制氫能源轉(zhuǎn)化效率取均值，即59. 5%，這與當(dāng)前主流煤制氫工藝（冷煤氣制氫）的產(chǎn)氫效率（不到60%）是基本吻合的。參考中國(guó)已建成投產(chǎn)的CCUS示范項(xiàng)目，CO2運(yùn)輸距離基本未超過(guò)100 km，故此處假定CO2運(yùn)輸距離為100 km。
在一家合資企業(yè)中，韓國(guó)現(xiàn)代石油銀行公司與沙特阿美公司簽署了一項(xiàng)協(xié)議，它將從沙特阿美公司獲取液化石油氣貨物并將其轉(zhuǎn)化為氫氣 (H 2 )，并將副產(chǎn)品CO 2氣體送出向沙特提供制氫工藝，用于從地下抽取更多石油。在 EOR中利用捕獲的 CO 2取得成功后，該領(lǐng)域的投資正在增加。
2.CH4重整捕集
CH4重整是目前主要的制氫工藝，通常使用蒸汽的方式。該過(guò)程首先將反應(yīng)容器升溫至800~900℃，然后將CH4（通常來(lái)自海底開(kāi)采的天然氣）與蒸汽在催化劑的作用下混合反應(yīng)，從而生成H2和一氧化碳（CO）的合成氣。然后，將合成氣傳輸?shù)剿?氣反應(yīng)器中，進(jìn)而將CO和水轉(zhuǎn)化為更多的H2和CO2。
工業(yè)制氫站制氫工藝流程原理主要有以下4種：
1、甲醇裂解制氫
甲醇轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)是以甲醇、脫鹽水為主要原料,甲醇水蒸汽在催化劑床層轉(zhuǎn)化成主要含氫氣和二氧化碳的轉(zhuǎn)化氣,該轉(zhuǎn)化氣再經(jīng)變 壓吸附技術(shù)提純,得到純度為 99.9～99.999%的產(chǎn)品氫氣的工藝技術(shù)。
以水原料時(shí)，整個(gè)制氫工藝過(guò)程都不產(chǎn)生CO?，基本可以消除溫室氣體排放；以其他原料制氫時(shí)只能減少碳排放。另外，利用核電電解水只是核能發(fā)電與傳統(tǒng)電解的簡(jiǎn)單聯(lián)合，仍屬于核能發(fā)電領(lǐng)域，一般不視為真正意義上的核能制氫技術(shù)。因此，以水為原料、全部或部分利用核熱的熱化學(xué)循環(huán)和高溫蒸汽電解被認(rèn)為是代表未來(lái)發(fā)展方向的核能制氫技術(shù)。
表1 三種典型電解制氫技術(shù)對(duì)比
由表1可以看出:堿性電解槽技術(shù)相對(duì)比較成熟，可以應(yīng)用于大規(guī)模制氫，且工藝簡(jiǎn)單，成本低，但其難以快速啟動(dòng)及適應(yīng)變載，無(wú)法快速調(diào)節(jié)制氫速率，與可再生能源發(fā)電適配性較差。
以水原料時(shí)，整個(gè)制氫工藝過(guò)程都不產(chǎn)生CO?，基本可以消除溫室氣體排放；以其他原料制氫時(shí)只能減少碳排放。另外，利用核電電解水只是核能發(fā)電與傳統(tǒng)電解的簡(jiǎn)單聯(lián)合，仍屬于核能發(fā)電領(lǐng)域，一般不視為真正意義上的核能制氫技術(shù)。因此，以水為原料、全部或部分利用核熱的熱化學(xué)循環(huán)和高溫蒸汽電解被認(rèn)為是代表未來(lái)發(fā)展方向的核能制氫技術(shù)。
就工藝本身而言，天然氣重整制氫的工藝不算太復(fù)雜，不過(guò)天然氣的重整反應(yīng)是一個(gè)強(qiáng)吸熱反應(yīng)，且需要的反應(yīng)基礎(chǔ)溫度很高，至少需要800℃左右，所以溫度控制是SMR工廠主要抓手，但由于溫度控制需要微分控制，所以調(diào)節(jié)很復(fù)雜，一旦工況波動(dòng)，很容易使控制閥門運(yùn)行數(shù)據(jù)離散。但總體來(lái)言，畢竟工藝還是比較成熟，只要調(diào)整得當(dāng)，還是能夠通過(guò)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人的全自動(dòng)工廠。
