天然气制氢绿色生产设计

25000t/y天然气制氢绿色生产设计SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology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）SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology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SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2019/10/42一、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。3.1612.117.1281002468101219982005201020152、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）499.5410.5558.53693.676092002004006008001000200420052006200720082010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。SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2019/10/432、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)》。SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology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”。SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology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Aspenplus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SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology7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+H2O→CO+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。SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology二、流程方案决策SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology9SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology10SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology11SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology三、流程模拟方案实施SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology怎样进行模拟？分块模拟！SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology141甲烷蒸气转化（SMR）FEED1STM-SMR2FEEDTOTHEAT-INSYNGAS1HEAT-OUTFUELTOTAIRFUEL3OFFGASBMIXER-3SMRFURNCE-4MIXER-1SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnologySMR反应器设计（1）反应方程式CH4+H2OCO+3H2（△Hr=2.061*105kj/kmol,endothermicR5）CH4+2H2OCO+4H2（△Hr=1.650*105kj/kmol,endothermicR6）CO+H2OCO2+4H2(△Hr=-4.11*104kj/kmol,exdothermicR1）进料进料流量Kmol/s0.2温度K733压力N/sqcm2.45X10^6S/C4.6H2/CH40.25CO2/CH40.091N2/CH40.02SYNGAS1SMRSouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnologySMR反应器设计（2）:SYNGAS1SMR反应速率计算方法：Langmuir-HinshelwoodHougen-Watson(LHHW)总反应速率表达式：动力学因数：动力表现：吸收：SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnologySMR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SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2水蒸汽转化（WGS）SYNGAS1FRPREHT2SYNGAS2FEED1H2-RCY1FPREHT2BFW-SMR1HTS-INSTM-SMR1HTS-OUT1BFW2-INALTS-INSTM2-OUTLTS-OUTBFW3-INDBFW3-OUTLTS-OUT2HTEX-1AMIXER-2HTEX-1BHTSHTEX-2LTSHTEX-3两段转化原因？H2/CO高温反应段(HTS，HighTemperatureShift，温度：400-423℃)对于低温反应段(LTS，LighTemperatureShift，温度：190-210℃)SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnologyWGS：HTS（HighTempShift）和LTS（LowTempShift）CO+H2OCO2+4H2(△Hr=-4.11*104kj/kmol,exdothermicR1）同样采用LHHW模型：HTS-OUT1LTS-INHTSHTEX-2LTSSouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology3氢气减压吸附（PSA）LTS-OUT2COND-IN1H2O-OUTPSA-INH2-PRODOFFGAS-ABFW3-INABFW3-INBBFW3-INCBFW3-INDHTER-3CONDSSPLITPSAVALVEMIXER-4PUMP3SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnologyPSA模型近似处理说明PSA-INH2-PRODOFFGAS-ASSPLITPSAASPENPLUS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%SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnologyPSA结果：H2PRODOFFGAS-ATemperatureK298.15298.15PressureN/sqm20870002087000VaporFrac11MoleFlowkmol/sec0.4902450.274721MassFlowkg/sec5.5212973.093995VolumeFlowcum/sec0.5840770.327302EnthalpyMMkcal/hr-33.6287-18.8447MoleFlowkmol/secCH40.00010.073H2O1.12E-061.66E-03H20.490.0545CO21.56E-040.1402N24.39E-060.001417CO2.37E-060.000761O200SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology4热交换供电（1）HEAT-OUTSTM-SMR1STM-SMR2FLU-GAS1BFW4-INAFLU-GAS2STM4-OUTFLU-GAS3H2OFLU-GAS4HTEX-4AHTEX-4BSEP2HTER-5SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology热交换供电（1）SYNGAS1FRPREHT2SYNGAS2FEED1H2-RCY1FPREHT2BFW-SMR1HTS-INSTM-SMR1HTEX-1AMIXER-2HTEX-1BSouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology5二氧化碳减排供电量模拟分析FLU-GAS3FLU-GAS4H2O-OUT1FLU-GAS5FLU-GAS6H2O-OUT2CO2PRD2IMPCO2PRD3CO2PRD4CO2PRD5SEP2FANSEP3SEP4MIXER5HTER-6COMP1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-RCY1FPREHT2BFW-SMR1HTS-INSTM-SMR1HTS-OUT1BFW2-INALTS-INSTM2-OUTLTS-OUTBFW3-INDBFW3-OUTLTS-OUT2FLU-GAS1BFW4-INASTM4-OUTFLU-GAS3FLU-GAS4H2O-OUT1COND-IN1PSA-INH2O-OUTH2-PRODOFFGAS-ABFW3-INABFW3-INBBFW3-INCCO2PRD4CO2PRD5CO2PRD3CO2PR