天然气制氢绿色生产设计.ppt

25000t/y天然气制氢绿色生产设计,指导老师：李秀喜 副研究员 成员：何畅 李璟 黄相璇,主要内容（Contents）,一、 立项背景,二、流程方案决策,三、流程模拟方案实施,四、经济评价分析,2019/6/30,2,一、立项背景,1、天然气能源现状及展望 据专家预测,随着全球探明天然气储量不断上升,到21世纪中叶,世界能源消费结构中天然气将从目前的25%增加到40% ,而石油将由现在的34%下降到20% ,煤炭基本维持在27%左右。21世纪是以天然气为主要能源的时代。,2、中国能源需求总量中天然气所占比重（%）,1、中国天然气产量（亿立方米）,截至2007年，中国石油资源探明率为38.5%，天然气资源探明率仅为14.6%。石油与天然气产量的当量比仅为1：0.32。最新的油气资源评价表明，全国天然气资源量为47万亿立方米，可探明的资源量为22万亿立方米(按可探明率46.8%计)。经评估，天然气可采资源量为14万亿立方米(按可采率63.6%计)。显示出中国天然气雄厚的资源潜力和良好的发展前景。,2019/6/30,3,2、氢能源现状及展望,优点：1 绿色清洁能源、燃烧值高 2 密度高、可储存、可运输 3 来源丰富 应用：1 燃料电池汽车和航天事业 2 化工石油工业原料 3 电子制造和食品封装 等等 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”规划和2015年远景规划(能源领域) 。,氢燃料电池汽车,在北京奥运会上，595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的“绿色名片”。,市场调查,氢需求量趋势图（亿公斤）：,据美国国家研究理事会（NRC）2006年的一项报告预测，氢经济将于2050年左右在世界全面展开，而“过渡”氢经济应在30年的时间内，亦即2037年左右出现。,三、目标与任务,目标： 设计规模：年产2.5万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99.95% 环保要求：CO2排空率在80%以上 任务： 1 根据生产要求选择合适生产流程。 2 用Aspen plus 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。 3 初步对换热网络设计，计算过程发电量。 4 对模拟流程进行经济核算,7,目前天然气制氢的方法主要有两大类： 1、天然气蒸汽转化制氢 天然气蒸汽转化制氢是长期以来最经济的制氢方法,目前应用广泛。该方法的主要反应如下:CH4+H2OCO+3H2。 2、天然气裂解法制氢 根据反应条件不同, 又分为热裂解法和催化裂解法两种。天然气热裂解制氢工艺流程为: 原料天然气蓄热式热烈解炉提纯分离成品。,方案选择,经小组讨论，初步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。,二、 流程方案决策,9,10,11,三、 流程模拟方案实施,怎样进行模拟？,分块模拟！,14,1 甲烷蒸气转化（SMR）,SMR反应器设计（1）,反应方程式 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反应器设计（2）:,反应速率计算方法：Langmuir-Hinshelwood Hougen-Watson(LHHW),总反应速率表达式： 动力学因数： 动力表现： 吸收：,SMR反应器设计（4）:,其中，反应和吸收常数用如下表达式计算,指前因子A(ki) 和A(kadj)可以用阿德谬斯和范霍夫方程计算,2 水蒸汽转化（WGS）,两段转化原因？ H2/CO,高温反应段(HTS，High Temperature Shift， 温度：400-423) 对于低温反应段(LTS，Ligh Temperature Shift，温度：190-210),WGS：HTS（High Temp Shift）和LTS （Low Temp Shift）,CO+H2O CO2+4H2 (Hr=-4.11*104kj/kmol, exdothermic R1 ） 同样采用LHHW模型：,3 氢气减压吸附（PSA）,PSA 模型近似处理说明,ASPEN PLUS缺少能够合适模拟实际PSA过程的模块，所以本模拟中用分流器SSPLIT代替PSA的作用。设定能回收90%的H2，其纯度为99.95%,PSA结果：,4 热交换供电（1）,热交换供电（1）,5 二氧化碳减排供电量模拟分析,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！,6 MEA法CO2减排设计,MEA法CO2减排结果（进料）,MEA法CO2减排结果（出料）,MEA法结果分析,最终结果,氢气年产量：0.98x300x24x3600=2.54万吨,四、经济评价分析,年产量与年原料投入量 （按每个300工作天，每天工作24小时）,投资估算,成本估算,经济评价,总结：,1 初步完成项目设计目标，氢气年产量2.54万吨/年，二氧化碳回收率达80%以上。 2 完成了利用LHHW模型模拟CH4和合成气在平推流反反应器中的反应行为。 3 完成换热网络设计，对部分PSA排出富含CO的混合热进行余热回收，同时换热网出来的高压蒸汽达到发电要求（573K，2.45X106N/m2），发电量为2.35MW。 4 较好的利用MEA回收产生的CO2，其中MEA能够循环利用。 5 经初步经济评价分析得出, 该设计经济性能较好, 投资回收期为3.5年 不足: 1 技术手段并没有解决PSA模拟的模拟,只是利用近似处理 2