天然氣制氫綠色生產(chǎn)設(shè)計(jì).ppt

25000t/y天然氣制氫綠色生產(chǎn)設(shè)計(jì),指導(dǎo)老師：李秀喜 副研究員 成員：何暢 李璟 黃相璇,主要內(nèi)容（Contents）,一、 立項(xiàng)背景,二、流程方案決策,三、流程模擬方案實(shí)施,四、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)分析,2019/6/30,2,一、立項(xiàng)背景,1、天然氣能源現(xiàn)狀及展望 據(jù)專家預(yù)測(cè),隨著全球探明天然氣儲(chǔ)量不斷上升,到21世紀(jì)中葉,世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中天然氣將從目前的25%增加到40% ,而石油將由現(xiàn)在的34%下降到20% ,煤炭基本維持在27%左右。21世紀(jì)是以天然氣為主要能源的時(shí)代。,2、中國(guó)能源需求總量中天然氣所占比重（%）,1、中國(guó)天然氣產(chǎn)量（億立方米）,截至2007年，中國(guó)石油資源探明率為38.5%，天然氣資源探明率僅為14.6%。石油與天然氣產(chǎn)量的當(dāng)量比僅為1：0.32。最新的油氣資源評(píng)價(jià)表明，全國(guó)天然氣資源量為47萬(wàn)億立方米，可探明的資源量為22萬(wàn)億立方米(按可探明率46.8%計(jì))。經(jīng)評(píng)估，天然氣可采資源量為14萬(wàn)億立方米(按可采率63.6%計(jì))。顯示出中國(guó)天然氣雄厚的資源潛力和良好的發(fā)展前景。,2019/6/30,3,2、氫能源現(xiàn)狀及展望,優(yōu)點(diǎn)：1 綠色清潔能源、燃燒值高 2 密度高、可儲(chǔ)存、可運(yùn)輸 3 來(lái)源豐富 應(yīng)用：1 燃料電池汽車和航天事業(yè) 2 化工石油工業(yè)原料 3 電子制造和食品封裝 等等 現(xiàn)在，為進(jìn)一步推動(dòng)氫能利用的發(fā)展，氫能技術(shù)已經(jīng)被列入我國(guó) “十一五”規(guī)劃和2015年遠(yuǎn)景規(guī)劃(能源領(lǐng)域) 。,氫燃料電池汽車,在北京奧運(yùn)會(huì)上，595輛綠色環(huán)保汽車成功地完成了奧運(yùn)史上新能源汽車最大規(guī)模的示范運(yùn)行，也向全世界亮出了中國(guó)交通的“綠色名片”。,市場(chǎng)調(diào)查,氫需求量趨勢(shì)圖（億公斤）：,據(jù)美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)（NRC）2006年的一項(xiàng)報(bào)告預(yù)測(cè)，氫經(jīng)濟(jì)將于2050年左右在世界全面展開，而“過(guò)渡”氫經(jīng)濟(jì)應(yīng)在30年的時(shí)間內(nèi)，亦即2037年左右出現(xiàn)。,三、目標(biāo)與任務(wù),目標(biāo)： 設(shè)計(jì)規(guī)模：年產(chǎn)2.5萬(wàn)噸天然氣制氫生產(chǎn)設(shè)計(jì)模擬 產(chǎn)品要求：氫氣的最小質(zhì)量純度達(dá)到99.95% 環(huán)保要求：CO2排空率在80%以上 任務(wù)： 1 根據(jù)生產(chǎn)要求選擇合適生產(chǎn)流程。 2 用Aspen plus 對(duì)流程進(jìn)行模擬，重點(diǎn)對(duì)反應(yīng)器，二氧化碳減排，和氫所減壓吸附進(jìn)行設(shè)計(jì)。 3 初步對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，計(jì)算過(guò)程發(fā)電量。 4 對(duì)模擬流程進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算,7,目前天然氣制氫的方法主要有兩大類： 1、天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫是長(zhǎng)期以來(lái)最經(jīng)濟(jì)的制氫方法,目前應(yīng)用廣泛。該方法的主要反應(yīng)如下:CH4+H2OCO+3H2。 2、天然氣裂解法制氫 根據(jù)反應(yīng)條件不同, 又分為熱裂解法和催化裂解法兩種。天然氣熱裂解制氫工藝流程為: 原料天然氣蓄熱式熱烈解爐提純分離成品。,方案選擇,經(jīng)小組討論，初步選定通過(guò)天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫，并對(duì)此方法進(jìn)行模擬與優(yōu)化。,二、 流程方案決策,9,10,11,三、 流程模擬方案實(shí)施,怎樣進(jìn)行模擬？,分塊模擬！,14,1 甲烷蒸氣轉(zhuǎn)化（SMR）,SMR反應(yīng)器設(shè)計(jì)（1）,反應(yīng)方程式 CH4+H2O CO+3H2 （Hr=2.061*105kj/kmol, endothermic R5 ） CH4+ 2H2O CO+4H2 （Hr=1.650*105kj/kmol, endothermic R6 ） CO+H2O CO2+4H2 (Hr=-4.11*104kj/kmol, exdothermic R1 ）,SMR反應(yīng)器設(shè)計(jì)（2）:,反應(yīng)速率計(jì)算方法：Langmuir-Hinshelwood Hougen-Watson(LHHW),總反應(yīng)速率表達(dá)式： 動(dòng)力學(xué)因數(shù)： 動(dòng)力表現(xiàn)： 吸收：,SMR反應(yīng)器設(shè)計(jì)（4）:,其中，反應(yīng)和吸收常數(shù)用如下表達(dá)式計(jì)算,指前因子A(ki) 和A(kadj)可以用阿德謬斯和范霍夫方程計(jì)算,2 水蒸汽轉(zhuǎn)化（WGS）,兩段轉(zhuǎn)化原因？ H2/CO,高溫反應(yīng)段(HTS，High Temperature Shift， 溫度：400-423) 對(duì)于低溫反應(yīng)段(LTS，Ligh Temperature Shift，溫度：190-210),WGS：HTS（High Temp Shift）和LTS （Low Temp Shift）,CO+H2O CO2+4H2 (Hr=-4.11*104kj/kmol, exdothermic R1 ） 同樣采用LHHW模型：,3 氫氣減壓吸附（PSA）,PSA 模型近似處理說(shuō)明,ASPEN PLUS缺少能夠合適模擬實(shí)際PSA過(guò)程的模塊，所以本模擬中用分流器SSPLIT代替PSA的作用。設(shè)定能回收90%的H2，其純度為99.95%,PSA結(jié)果：,4 熱交換供電（1）,熱交換供電（1）,5 二氧化碳減排供電量模擬分析,作用：分析進(jìn)行二氧化碳減排時(shí)，需要耗費(fèi)的能量，為該設(shè)計(jì)能量效率提供參考！,6 MEA法CO2減排設(shè)計(jì),MEA法CO2減排結(jié)果（進(jìn)料）,MEA法CO2減排結(jié)果（出料）,MEA法結(jié)果分析,最終結(jié)果,氫氣年產(chǎn)量：0.98x300x24x3600=2.54萬(wàn)噸,四、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)分析,年產(chǎn)量與年原料投入量 （按每個(gè)300工作天，每天工作24小時(shí)）,投資估算,成本估算,經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià),總結(jié)：,1 初步完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)，氫氣年產(chǎn)量2.54萬(wàn)噸/年，二氧化碳回收率達(dá)80%以上。 2 完成了利用LHHW模型模擬CH4和合成氣在平推流反反應(yīng)器中的反應(yīng)行為。 3 完成換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，對(duì)部分PSA排出富含CO的混合熱進(jìn)行余熱回收，同時(shí)換熱網(wǎng)出來(lái)的高壓蒸汽達(dá)到發(fā)電要求（573K，2.45X106N/m2），發(fā)電量為2.35MW。 4 較好的利用MEA回收產(chǎn)生的CO2，其中MEA能夠循環(huán)利用。 5 經(jīng)初步經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)分析得出, 該設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性能較好, 投資回收期為3.5年 不足: 1 技術(shù)手段并沒有解決PSA模擬的模擬,只是利用近似處理 2