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氫氣的來源與儲運

文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2021-07-06 10:00:00【

一、氫氣的來源

目前,氫氣主要還是用于工業,是重要的工業原料,主要用于石化、電子、建材、冶金等行業,主流的制氫方式包括:

(1)電解法

將直流電通過鉑電極(或其它惰性材料)通入水中,在陰極可以得到氫氣,純度高達99.5~99.8%。氯堿工業電解飽和食鹽水制氯氣和燒堿時,也同時得到副產品氫氣。在電解槽中,電解25%NaOH溶液,溫度控制在80~85℃,在陰極上析出氫氣,在陽極上析出氧氣,用這種方法制得的氫氣,含雜質很少,其純度為99.7%~99.8%。

(2)烴類裂解和蒸汽轉化法

碳氫化合物經過高溫裂解,裂解氣中含有大量氫氣,經過低溫冷凍系統,可得到90%的氫氣。如甲烷裂解法。 碳氫化合物在高溫和催化劑的作用下與水蒸氣作用,可以得到主要含氫氣和一氧化碳的一種混合氣體,如甲醇制氫。用分子篩吸附法或水煤氣轉化法除去CO,可得到純凈的氫氣。天然氣、油田氣和煉廠氣(石油煉制廠的副產氣體)等都可用烴類裂解法和烴類蒸氣轉化法得到氫氣。

(3)煤焦化或煤氣化制氫

焦化是指煤在隔絕空氣條件下,在900~1000℃制取焦炭,副產品為焦爐煤氣,焦爐煤氣組成中含氫氣55~60%(體積)、甲烷23~27%、一氧化碳6~8%等,而后將其中的萘、硫等雜質去除,通過變壓吸附裝置將焦爐煤氣中的氫氣提純,該工藝流程復雜,投資大,規模大能耗高,同時受到焦化行業的制約。

大型工業煤氣化爐如魯奇爐是一種固定床式氣化爐,所制得煤氣組成為氫氣37~39%(體積)、一氧化碳17~18%、二氧化碳32%、甲烷8~10%。我國擁有大型魯奇爐,每臺產氣量可達100000m3/h,另一種新型爐型為氣流床煤氣化爐,稱德士古煤氣化爐,用水煤漿為原料,目前已建有工業生產裝置生產合成氨、合成甲醇原料氣,其煤氣組成為氫氣35~36%(體積)、一氧化碳44~51%、二氧化碳13~18%、甲烷0.1%,甲烷含量低為其特點。采用煤氣化制氫方法,其設備費占投資主要部分,因此水煤氣制氫適合100000 m3/h以上的大型氫氣用戶,一般用于合成氨和甲醇生產中。

(4)其他制法

焦爐煤氣冷凍制氫:

把經初步提凈的焦爐氣冷凍加壓,使其他氣體液化而剩下氫氣。

釀造工業副產氫:

用玉米發酵丙酮、丁醇時,發酵罐的廢氣中有1/3以上的氫氣,經多次提純后可生產普氫(97%以上),把普氫通過用液氮冷卻到─100℃以下的硅膠列管中則進一步除去雜質(如少量N2)可制取純氫(99.99%以上),像北京釀酒廠就生產這種副產氫,用來燒制石英制品和供外單位用。

(5)各種制氫方法的比較

目前,我國使用最多的是天然氣制氫、甲醇制氫和電解水制氫。從工藝成熟程度來看,三種方法的工藝流程均十分成熟,天然氣制氫存在原料利用率低,工藝復雜,操作條件苛刻,設備制造要求高,控制水平要求高的特點。

從氫氣成本來看(參考目前主流能源價格),天然氣制氫的成本最低,每標方約1.3元,甲醇蒸汽轉化約2.5元,電解水制氫約5元。但在投資方面,天然氣制氫投資最高,甲醇最低,只有天然氣制氫投資的1/2-2/3,電解水制氫介于兩者之間。

從適應大規模生產的角度來看,天然氣制氫具有不可比擬的優勢。按30萬噸/年合成氨的規模計算,其制氫能力達到48000Nm3/h以上。目前國內甲醇蒸汽轉化制氫裝置,單系列規模達到8000Nm3/h。國內電解水槽的單臺制氫能力達到600Nm3/h,尚無達到1000Nm3/h以上的裝置運行。

在大型制氫裝置方面,煤制氫的成本比天然氣制氫稍低。根據測算,在煤價為500元/噸的情況下,大規模制氫成本僅為0.7元/Nm3,在天然氣價格為2.9元/Nm3的情況下,制氫成本約為1.3元/Nm3。

二、氫氣的儲運

目前國際上對氫氣的儲運主要有兩種模式:壓縮氫氣儲運(CH)和液化氫氣儲運(LH)。其中壓縮氫氣儲運是目前運用于加氫站的主流儲運供應手段,液化氫氣目前還是主要應用于火箭發射等航空航天領域和軍工領域。

(1)壓縮氫氣儲運

用于氫燃料電池的壓縮氫氣儲運,主要工藝流程為:氫氣純化-氫氣壓縮裝車-氫氣運輸等幾個環節。

氫氣純化:由于用于燃料電池的氫氣純度要求達到99.99%以上,因此在儲運之前,有必要對氫氣進行純化處理。目前氫氣純化的方法主要有膜分離法、低溫分離法、變壓吸附法、金屬氫化物法、催化脫氧法、聯合工藝法等。其中使用最多的是變壓吸附法,具有工藝流程簡單,自動化程度高,操作維修費用低,產品純度可調性強,一次分離同時除去多種雜質組分的特優點。變壓吸附(PSA)技術是以特定的吸附劑(多孔固體物質)內部表面對氣體分子的物理吸附為基礎,利用吸附劑在相同壓力下易吸附高沸點組分、不易吸附低沸點組分和高壓下吸附量增加、低壓下吸附量減少的特性,將原料氣在一定壓力下通過吸附床,相對于氫的高沸點雜質組分被選擇性吸附,低沸點的氫氣不易被吸附而穿過吸附床,達到氫和雜質組分的分離。

氫氣壓縮與裝車:純化后的氫氣,通過壓縮機壓縮到20MPa,進行裝車。從目前的技術水平看,為保證氫氣在儲運過程中的純度,壓縮機宜采用隔膜式壓縮機,輔以相關放散、溫控、安防等措施,通過防拉斷裝車柱對高壓槽車進行充裝。

氫氣高壓運輸:目前主要是通過20MPa的管束拖車進行公路運輸。根據了解,目前國內石家莊安瑞科等企業生產氫氣運輸的長管拖車,主要產品有兩種規格:7管26m3氫氣集裝管束,額定載氫量413kg,約合4526.6Nm3;10管23.7m3氫氣集裝管束,額定載氫量375kg,約合4200Nm3。

(2)液化氫氣儲運

不論是美國,歐洲,還是日本,對液氫的需求都是隨宇航事業的發展而增加的。我國的情況還要差一些,目前僅有陜西興平化肥廠的液氫生產裝置和101所新建液氫生產裝置可生產。興平裝置名義產量可達1200L/h,但開工生產率不足10%,因為產品僅供航天發射和氫氧發動機研制試驗用。而且工藝流程落后,生產設備陳舊,液氫價格異常昂貴,用戶一次購量超過100m3售價為20000元/m3 不足20m3時,價格竟高達50000元/m3。而且,每輛液氫鐵路槽車要外加10萬元的預冷費。101所新建氫液化裝置目前尚處試運行階段,許多方面還不能下結論。但有兩點似乎可以肯定:其一是氫液化工藝的技術水平提高了一大步;其二是液氫生產成本會有所降低,但不會降低很多。這主要是因為生產規模小,原料氫生產工藝落后(電解水制氫)、生產成本高。

中國航天科技集團101所順應全國氫燃料電池汽車發展的趨勢,已經開始了液氫從生產、儲運到車輛應用的研究和示范。在液氫生產方面,中航科技具備了高效正仲氫轉化器、先進除油系統、高集成度智能監控、全方位液氫品質監控等一系列核心技術,達到世界先進水平。目前由于主要設備依靠進口,液氫生產工廠的建設成本在130-140萬元/kg.h,隨著需求的擴大和國產化,成本將大幅降低。據介紹,該公司目前承接一個8000萬方/年的液氫工廠工程,總投資約4億元。

中航科技在LH/L-CGH方面也進行了大量的開發,目前已經進入驗證階段。其中關鍵設備—液氫低溫高壓柱塞泵已經完成了開發,正在進行可靠性驗證。其他相關BOG處理系統開發與驗證,系統參數匹配與優化等工作正在加速推進。

在車載系統的研究上,中航科技也進行了大儲量車載供氣系統的開發與驗證,其中液氫儲罐容積達到250L-1000L,整體重量只有300kg左右,可以廣泛用于長途重卡和客車使用。

中航科技在液氫運用于氫燃料電池汽車的系統性研究和突破,必將大大降低氫資源的儲運成本和使用成本,將會推動行業進行革命性的飛躍。

(3)其他儲運方式

除了主流的壓縮氫氣和液化氫氣以外,還有溶劑儲氫等多種方法,目前還沒有進入規?;瘍\的技術產品條件。我們主要關注以地質大學程寒松教授研發的常溫常壓儲氫技術。

據程寒松博士介紹,他帶領的團隊利用不飽和芳香化合物催化加氫的方法,成功攻克了氫能在常溫常壓下難以貯存和釋放這一技術瓶頸,實現了氫能液態常溫常壓運輸,而且克服了傳統高壓運輸高成本、高風險的弊病,所儲氫在溫和條件下加催化劑釋放后即可使用。儲氫材料的技術性能指標超過了美國能源部頒布的車用儲氫材料標準。

實驗室研究顯示,儲氫分子熔點可低至-20℃,能在150℃左右實現高效催化加氫,并在常溫常壓下進行儲存和運輸;催化脫氫溫度低于200℃,脫氫過程產生氫的純度可高達99.99%,并且不產生CO、NH3等其他氣體;儲氫材料循環壽命高、可逆性強(高于2000次);質量儲氫容量>5.5wt%,體積容量>50kg(H2)/m3。程寒松告訴記者,所用催化劑無需再生即可重復使用,5年內無需更新。業界認為該技術處于國際領先水平,并有可能引發氫能利用革命。

2016年,利用該技術試裝的工程樣車—“泰歌號”在武漢揚子江客車公司下線,標志著該項技術運用于實車,由于汽車使用氫氣的特殊性,該技術規?;瘧糜跉淙剂想姵仄囘€需進一步研究和完善。

(4)各種儲運方式的對比與定位

各種儲運方式主要受制于投資、成本、技術、生產的連續性、運輸距離、市場等因素。

在投資成本方面,常溫常壓方式儲運氫氣的成本最低,其次是壓縮儲運方式,液化氫氣方式最高。

在儲能密度方面,液氫最高,壓縮氫氣最低,常溫常壓方式居中。

在經濟運輸半徑方面,液氫的運輸半徑可以到1000km以上,壓縮氫氣的運輸半徑只能在周邊200km以內,常溫常壓儲氫的經濟運輸半徑理論上可以達到500km左右。

在產運成本方面,壓縮氫氣的產運成本約0.75元/方(200以內km),液氫的生產成本約0.4-0.7元/方(主要是電費),運輸成本約0.04元/方百公里。

在生產的連續性上,液氫的要求最高,其他儲運方式沒有苛刻要求。

在與銷售終端的對接上,常溫常壓儲氫模式適合于大規模的儲氫,暫時還不適用于車用。壓縮氫氣終端的投資高,能耗高,液氫終端的投資低,運營成本低,占地小,適于大規模推廣。

綜上所述,在目前氫燃料電池汽車市場處于培育階段,市場需求量不大的時期,壓縮氫氣是最適宜的儲運方式,待行業高速發展時期,液氫是加快基礎設施建設,穩定提供經濟資源供應的必由之路,其主要因素取決于氫氣制備的成本和廉價的電力供應。


此文關鍵字:氫氣

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