天然气制氢绿色生产设计

1、主要内容（主要内容（Contents）一、一、 立项背景立项背景 二、流程方案决策二、流程方案决策三、流程模拟方案实施三、流程模拟方案实施四、经济评价分析四、经济评价分析2一、立项背景一、立项背景1 1、天然气能源现状及展望、天然气能源现状及展望n 据专家预测据专家预测, ,随着全球探明天然气储量不断上升随着全球探明天然气储量不断上升, ,到到2121世纪中叶世纪中叶, ,世界能源消费结世界能源消费结构中天然气将从目前的构中天然气将从目前的25%25%增加到增加到40% ,40% ,而石油将由现在的而石油将由现在的34%34%下降到下降到20% ,20% ,煤炭基煤炭基本维持在本维持在27%2

2、7%左右。左右。2121世纪是以天然气为主要能源的时代。世纪是以天然气为主要能源的时代。2 2、中国能源需求总量中天然气所占比重（、中国能源需求总量中天然气所占比重（% %） 1 1、中国天然气产量（亿立方米）、中国天然气产量（亿立方米） n 截至截至20072007年，中国石油资源探明率为年，中国石油资源探明率为38.5%38.5%，天然气资源探明率仅为，天然气资源探明率仅为14.6%14.6%。石油。石油与天然气产量的当量比仅为与天然气产量的当量比仅为1 1：0.320.32。最新的油气资源评价表明，全国天然气资源。最新的油气资源评价表明，全国天然气资源量为量为4747万亿立方米，可探明的

3、资源量为万亿立方米，可探明的资源量为2222万亿立方米万亿立方米( (按可探明率按可探明率46.8%46.8%计计) )。经评。经评估，天然气可采资源量为估，天然气可采资源量为1414万亿立方米万亿立方米( (按可采率按可采率63.6%63.6%计计) )。显示出中国天然气雄。显示出中国天然气雄厚的资源潜力和良好的发展前景。厚的资源潜力和良好的发展前景。 32 2、氢能源现状及展望、氢能源现状及展望n 优点：优点：1 1 绿色清洁能源、燃烧值高绿色清洁能源、燃烧值高 2 2 密度高、可储存、可运输密度高、可储存、可运输 3 3 来源丰富来源丰富 应用：应用：1 1 燃料电池汽车和航天事业燃料电

4、池汽车和航天事业 2 2 化工石油工业原料化工石油工业原料 3 3 电子制造和食品封装电子制造和食品封装 等等等等n 现在，为进一步推动氢能利用的发展，氢能技术已经被列入我国现在，为进一步推动氢能利用的发展，氢能技术已经被列入我国 “ “十一五十一五”规划和规划和20152015年远景规划年远景规划( (能源领域能源领域) ) 。氢燃料电池汽车氢燃料电池汽车n 在北京奥运会上，在北京奥运会上，595595辆绿色环保汽车成功地完成了奥运史上辆绿色环保汽车成功地完成了奥运史上新能源汽车最大规模的示范运行，也向全世界亮出了中国交通新能源汽车最大规模的示范运行，也向全世界亮出了中国交通的的“绿色名片绿

5、色名片”。 市场调查市场调查氢需求量趋势图（亿公斤）：氢需求量趋势图（亿公斤）：据美国国家研究理事会（据美国国家研究理事会（NRCNRC）20062006年的一项报告预测，氢经济将于年的一项报告预测，氢经济将于20502050年左右在世界全面展开，而年左右在世界全面展开，而“过渡过渡”氢经济应在氢经济应在3030年的时间内，亦即年的时间内，亦即20372037年左右出现。年左右出现。 三三、目标与任务目标与任务目标目标： 设计规模：年产设计规模：年产2.52.5万吨天然气制氢生产设计模拟万吨天然气制氢生产设计模拟 产品要求：氢气的最小质量纯度达到产品要求：氢气的最小质量纯度达到99.95%99

6、.95% 环保要求：环保要求：COCO2 2排空率在排空率在80%80%以上以上任务：任务： 1 1 根据生产要求选择合适生产流程。根据生产要求选择合适生产流程。 2 2 用用Aspen plus Aspen plus 对流程进行模拟，重点对反应器，二氧化碳减排，和对流程进行模拟，重点对反应器，二氧化碳减排，和氢所减压吸附进行设计。氢所减压吸附进行设计。 3 3 初步对换热网络设计，计算过程发电量。初步对换热网络设计，计算过程发电量。 4 4 对模拟流程进行经济核算对模拟流程进行经济核算7n 目前天然气制氢的方法主要有两大类：目前天然气制氢的方法主要有两大类：1 1、天然气蒸汽转化制氢、天然气

7、蒸汽转化制氢 天然气蒸汽转化制氢是长期以来最经济的制氢方法天然气蒸汽转化制氢是长期以来最经济的制氢方法, ,目前应用广泛目前应用广泛。该方法的主要反应如下。该方法的主要反应如下:CH:CH4 4+H+H2 2OCO+3HOCO+3H2 2。2 2、天然气裂解法制氢、天然气裂解法制氢 根据反应条件不同根据反应条件不同, , 又分为热裂解法和催化裂解法两种。天然气热又分为热裂解法和催化裂解法两种。天然气热裂解制氢工艺流程为裂解制氢工艺流程为: : 原料天然气原料天然气蓄热式热烈解炉蓄热式热烈解炉提纯提纯分离分离成品。成品。方案选择方案选择经小组讨论，初步选定通过天然气蒸汽转化制氢，经小组讨论，初步

8、选定通过天然气蒸汽转化制氢，并对此方法进行模拟与优化。并对此方法进行模拟与优化。二、二、 流程方案决策流程方案决策91011三、三、 流程模拟方案实施流程模拟方案实施 怎样进行模拟？怎样进行模拟？分块模拟！分块模拟！141 1 甲烷蒸气转化（甲烷蒸气转化（SMRSMR）FEED1STM-SMR2FEEDTOTHEAT-INSYNGAS1HEAT-OUTFUELTOTAIRFUEL3OFFGASBMIXER-3SMRFURNCE-4MIXER-1SMR反应器设计（反应器设计（1）反应方程式反应方程式CH4+H2O CO+3H2 （Hr=2.061*105kj/kmol, endothermic

9、R5 ） CH4+ 2H2O CO+4H2 （Hr=1.650*105kj/kmol, endothermic R6 ） CO+H2O CO2+4H2 (Hr=-4.11*104kj/kmol, exdothermic R1 ） 进料进料进料流量进料流量 Kmol/sKmol/s0.20.2温度温度 K K733733压力压力 N/N/sqcmsqcm2.45X1062.45X106S/CS/C4.64.6H2/CH4H2/CH40.250.25CO2/CH4CO2/CH40.0910.091N2/CH4N2/CH40.020.02SYNGAS1SMRSMR反应器设计（反应器设计（2）:SYN

10、GAS1SMR反应速率计算方法：反应速率计算方法：Langmuir-HinshelwoodLangmuir-Hinshelwood Hougen-Watson(LHHWHougen-Watson(LHHW) )总反应速率表达式：总反应速率表达式：动力学因数：动力学因数：动力表现：动力表现：吸收：吸收：SMR反应器设计（反应器设计（4）:其中，反应和吸收常数用如下表达式计算其中，反应和吸收常数用如下表达式计算指前因子指前因子A(kiA(ki) ) 和和A(kadjA(kadj) )可以用阿德谬斯和范霍夫方程计算可以用阿德谬斯和范霍夫方程计算2 水蒸汽转化（水蒸汽转化（WGS）SYNGAS1FRP

11、REHT2SYNGAS2FEED1H2-RCY1FPREHT2BFW-SMR1HTS-INSTM-SMR1HTS-OUT1BFW2-INALTS-INSTM2-OUTLTS-OUTBFW3-INDBFW3-OUTLTS-OUT2HTEX-1AMIXER-2HTEX-1BHTSHTEX-2LTSHTEX-3两段转化原因？两段转化原因？ H H2 2/CO/CO高温反应段高温反应段(HTS(HTS，High Temperature ShiftHigh Temperature Shift， 温度：温度：400-423)400-423)对于低温反应段对于低温反应段(LTS(LTS，LighLigh T

12、emperature Shift Temperature Shift，温度：，温度：190-210)190-210) WGS：HTS（High Temp Shift）和）和LTS （Low Temp Shift）CO+H2O CO2+4H2 (Hr=-4.11*104kj/kmol, exdothermic R1 ）同样采用LHHW模型：HTS-OUT1LTS-INHTSHTEX-2LTS3 氢气减压吸附（氢气减压吸附（PSA）LTS-OUT2COND-IN1H2O-OUTPSA-INH2-PRODOFFGAS-ABFW 3-INABFW 3-INBBFW 3-INCBFW 3-INDHTER

13、-3CONDSSPLITPSAVALVEMIXER-4PUMP3PSA 模型近似处理说明模型近似处理说明PSA-INH2-PRO DO FFG AS-ASSPLITPSAASPEN PLUSASPEN PLUS缺少能够合适模拟实际缺少能够合适模拟实际PSAPSA过程的模块过程的模块，所以本模拟中用分流器，所以本模拟中用分流器SSPLITSSPLIT代替代替PSAPSA的作用。的作用。设定能回收设定能回收90%90%的的H H2 2，其纯度为，其纯度为99.95%99.95%PSA结果：结果：H2PRODH2PRODOFFGAS-AOFFGAS-ATemperature KTemperature

14、 K298.15298.15298.15298.15Pressure N/Pressure N/sqmsqm2087000208700020870002087000Vapor Vapor FracFrac1 11 1Mole Flow Mole Flow kmolkmol/sec/sec0.4902450.4902450.2747210.274721Mass Flow kg/secMass Flow kg/sec5.5212975.5212973.0939953.093995Volume Flow cum/secVolume Flow cum/sec0.5840770.5840770.3273

15、020.327302Enthalpy Enthalpy MMkcalMMkcal/hr/hr-33.6287-33.6287-18.8447-18.8447Mole Flow Mole Flow kmolkmol/sec/sec CH4CH40.00010.00010.0730.073 H2OH2O1.12E-061.12E-061.66E-031.66E-03 H2H20.490.490.05450.0545 CO2CO21.56E-041.56E-040.14020.1402 N2N24.39E-064.39E-060.0014170.001417 COCO2.37E-062.37E-06

16、0.0007610.000761 O2O20 00 04 热交换供电（热交换供电（1）H E A T-OU TS TM -S M R 1S TM -S M R 2FLU -GA S 1B FW 4-IN AFLU -GA S 2S TM 4-OU TFLU -GA S 3H 2OFLU -GA S 4H TE X -4AH TE X -4BS E P 2H TE R -5热交换供电（热交换供电（1）SYNGAS1FRPREHT2SYNGAS2FEED1H2-RCY1FPREHT2BFW-SMR1HTS-INSTM-SMR1HTEX-1AMIXER-2HTEX-1B5 二氧化碳减排供电量模拟分析

17、二氧化碳减排供电量模拟分析FLU-G AS3FLU-G AS4H2O -O UT1FLU-G AS5FLU-G AS6H2O -O UT2CO 2PRD2IMPCO 2PRD3CO 2PRD4CO 2PRD5SEP2FANSEP3SEP4MIXER5HTER-6CO MP1作用：分析进行二氧化碳减排时，需要耗费的能量，为该设计能量效率提供参考！作用：分析进行二氧化碳减排时，需要耗费的能量，为该设计能量效率提供参考！FUEL3OFFGASBFUELTOTAIRHEAT-INFEEDTOTHEAT-OUTSYNGAS1FEED1STM-SMR2FRPREHT2SYNGAS2H2-RCY1FPREH

18、T2BFW-SMR1HTS-INSTM-SMR1HTS-OUT1BFW2-INALTS-INSTM2-OUTLTS-OUTBFW3-INDBFW3-OUTLTS-OUT2FLU-GAS1BFW4-INASTM4-OUTFLU-GAS3FLU-GAS4H2O-OUT1COND-IN1PSA-INH2O-OUTH2-PRODOFFGAS-ABFW3-INABFW3-INBBFW3-INCCO2PRD4CO2PRD5CO2PRD3CO2PRD2FLU-GAS6IMPFLU-GAS5H2O-OUT2MIXER-1FURNCE-4SMRMIXER-3HTEX-1AMIXER-2HTEX-1BHTSHTE

19、X-2LTSHTEX-3HTEX-4AHTEX-4BSEP2HTER-3CONDSSPLITPSAVALVEMIXER-4PUMP3COMP1HTER-6MIXER5SEP4SEP3FANFLUEABSLEANMEA TREATGAS RICH-MEAFLUEGAS FLUECOOLFLUEBLOWFLUESEPSEPOUT RICH-P1LEAN-P2RICHSTPRLEANSTRCLEANSTPRCO2 WATER MEA LEANMEXLEAN-MEA ABSORBERCOOLER1COOLER2SEPBLOWERPUMP1SOL-HEXPUMP2STRIPPERMIXERSOL-COO

20、L6 MEA法法CO2减排设计减排设计MEA法法CO2减排结果（进料）减排结果（进料）Mole Flow Mole Flow kmolkmol/hr/hrFLUEGASFLUEGASMEAMEALEANMEALEANMEA H2OH2O590.1102590.11020 063020.4463020.44 MEAMEA0 00.7366940.7366943224.453224.45 CO2CO21825.3891825.3890 00.0089490.008949 N2N25555.3975555.3970 00 0 O2O2191.2259191.22590 00 0 HCO3-HCO3-

21、0 00 033.5788433.57884 MEACOO-MEACOO-0 00 02326.3352326.335 MEA+MEA+0 00 02436.052436.05 COCO3 3-2-20 00 037.9795637.97956 H3O+H3O+0 00 06.48E-076.48E-07 OH-OH-0 00 00.1767540.176754Total Flow Total Flow kmolkmol/hr/hr8162.1228162.1220.7366940.73669471079.0271079.02Total Flow kg/hrTotal Flow kg/hr25

22、2711252711454517300201730020Total Flow l/minTotal Flow l/min483452548345250.7452510.74525129976.2429976.24Temperature C1604040MEA法法CO2减排结果（出料）减排结果（出料）Mole Flow Mole Flow kmolkmol/hr/hr LEAN-MEALEAN-MEA CO2CO2 SEPOUTSEPOUT H2OH2O59643.1859643.183791.4433791.443254.5206254.5206 MEAMEA5811.0865811.0860

23、.0002480.0002480 0 CO2CO20.0010370.0010372862.6952862.6950.0322240.032224 N2N20 00.1967680.1967680.0019630.001963 O2O20 01.6631811.6631810.0243830.024383 HCO3-HCO3-9.4806119.4806110 00.0002640.000264 MEACOO-MEACOO-1057.431057.430 00 0 MEA+MEA+1118.7861118.7860 00 0 CO3-2CO3-225.6657625.665760 02.42E

24、-102.42E-10 H3O+H3O+1.94E-071.94E-070 00.0002640.000264 OH-OH-0.5433180.5433180 01.18E-091.18E-09Total Flow Total Flow kmolkmol/hr/hr67666.1867666.186655.9986655.998254.5797254.5797Total Flow kg/hrTotal Flow kg/hr16111021611102194349.3194349.34587.5354587.535Total Flow l/minTotal Flow l/min27404.682

25、7404.681802913180291376.8299176.82991Temperature CTemperature C4040101.6981101.69813030MEA法结果分析法结果分析乙醇胺用量，乙醇胺用量，Kmol/h5811.086进料中进料中CO2量量, Kmol/h1825.390CO2回收量回收量, Kmol/h2862.695CO2排空量排空量, Kmol/h267.987CO2排空量排空量14.67%最终结果最终结果氢气产量，氢气产量，Kg/s 0.98产品产品H2中能量，中能量，MW112.63CO2产量，产量，Kg/s10.18提供给提供给SMR能量，能量，M

26、W174.06提供发电的蒸汽量，提供发电的蒸汽量， Kg/s3.77BFW供热量，供热量，MW16.41生产需求电量，生产需求电量，MW3.63效率效率58.60发电量，发电量，MW2.35额外需电量，额外需电量，MW1.71氢气年产量：氢气年产量：0.98x300 x24x3600=2.540.98x300 x24x3600=2.54万吨万吨四、经济评价分析四、经济评价分析年产量与年原料投入量年产量与年原料投入量（按每个300工作天，每天工作24小时）产品产品氢气氢气25400吨吨/年年 2.5万元万元/吨吨原料原料进口天然气（澳洲）进口天然气（澳洲）90800吨吨/年年 0.170万元万元

27、/吨吨 铜系铜系I催化剂催化剂3617.59kg/次次 60元元/kg 铁系催化剂铁系催化剂74389.24kg/次次 35元元/kg铜系铜系II催化剂催化剂74389.24kg/次次 60元元/kg工业用水工业用水763758.72吨吨/年年 1.8元元/吨吨 工业用电工业用电2352.2400万度万度/年年1.2元元/度度 投资估算投资估算项目项目价格（万元价格（万元/年）年）预定生产装置的建设投资预定生产装置的建设投资25400固定资金固定资金29882流动资金流动资金8394建设期利息建设期利息2070项目总投资项目总投资40346成本估算成本估算项目项目价格（万元价格（万元/年）年）原材料和相关动力费用原材料和相关动力费用21400相关