天然氣制氫綠色生產(chǎn)設(shè)計(jì)

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)評價(jià)分析2023/1/62一、立項(xiàng)背景1、天然氣能源現(xiàn)狀及展望據(jù)專家預(yù)測,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、中國能源需求總量中天然氣所占比重（%）

1、中國天然氣產(chǎn)量（億立方米）

截至2007年，中國石油資源探明率為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。最新的油氣資源評價(jià)表明，全國天然氣資源量為47萬億立方米，可探明的資源量為22萬億立方米(按可探明率46.8%計(jì))。經(jīng)評估，天然氣可采資源量為14萬億立方米(按可采率63.6%計(jì))。顯示出中國天然氣雄厚的資源潛力和良好的發(fā)展前景。2023/1/632、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“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交通的“綠色名片”。市場調(diào)查氫需求量趨勢圖（億公斤）：據(jù)美國國家研究理事會(huì)（NRC）2006年的一項(xiàng)報(bào)告預(yù)測，氫經(jīng)濟(jì)將于2050年左右在世界全面展開，而“過渡”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Aspenplus對流程進(jìn)行模擬，重點(diǎn)對反應(yīng)器，二氧化碳減排，和氫所減壓吸附進(jìn)行設(shè)計(jì)。3初步對換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，計(jì)算過程發(fā)電量。4對模擬流程進(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)化制氫是長期以來最經(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+H2O→CO+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，初步選定通過天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫，并對此方法進(jìn)行模擬與優(yōu)化。二、流程方案決策91011三、流流程模擬擬方案實(shí)實(shí)施怎樣進(jìn)行行模擬？？分塊模擬擬！141甲烷蒸氣氣轉(zhuǎn)化（（SMR）SMR反反應(yīng)器設(shè)設(shè)計(jì)（1）反應(yīng)方程程式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）進(jìn)料進(jìn)料流量Kmol/s0.2溫度K733壓力N/sqcm2.45X10^6S/C4.6H2/CH40.25CO2/CH40.091N2/CH40.02SMR反反應(yīng)器設(shè)設(shè)計(jì)（2）:反應(yīng)速率率計(jì)算方方法：Langmuir-HinshelwoodHougen-Watson(LHHW)總反應(yīng)速速率表達(dá)達(dá)式：動(dòng)力學(xué)因因數(shù)：動(dòng)力表現(xiàn)現(xiàn)：吸收：SMR反反應(yīng)器設(shè)設(shè)計(jì)（4）:其中，反反應(yīng)和吸吸收常數(shù)數(shù)用如下下表達(dá)式式計(jì)算指前因子子A(ki)和A(kadj)可以用阿阿德謬斯斯和范霍霍夫方程程計(jì)算2水水蒸汽轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化（WGS））兩段轉(zhuǎn)化化原因？？H2/CO高溫反應(yīng)應(yīng)段(HTS，HighTemperatureShift，溫度度：400-423℃)對于低溫溫反應(yīng)段段(LTS，LighTemperatureShift，溫度：：190-210℃)WGS：HTS（HighTempShift）和LTS（LowTempShift）CO+H2OCO2+4H2(△Hr=-4.11*104kj/kmol,exdothermicR1）同樣采用用LHHW模型：3氫氫氣減壓壓吸附（（PSA）PSA模模型近近似處理理說明ASPENPLUS缺少能夠夠合適模模擬實(shí)際際PSA過程的模模塊，所所以本模模擬中用用分流器器SSPLIT代替PSA的作用。。設(shè)定能能回收90%的H2，其純度度為99.95%PSA結(jié)結(jié)果：H2PRODOFFGAS-ATemperatureK298.15298.15PressureN/sqm20870002087000VaporFrac11MoleFlowkmol/sec0.4902450.274721MassFlowkg/sec5.5212973.093995VolumeFlowcum/sec0.5840770.327302EnthalpyMMkcal/hr-33.6287-18.8447MoleFlowkmol/sec

CH40.00010.073

H2O1.12E-061.66E-03

H20.490.0545

CO21.56E-040.1402

N24.39E-060.001417

CO2.37E-060.000761

O2004熱熱交換換供電（（1）熱交換供供電（1）5二二氧化化碳減排排供電量量模擬分分析作用：分分析進(jìn)行行二氧化化碳減排排時(shí)，需需要耗費(fèi)費(fèi)的能量量，為該該設(shè)計(jì)能能量效率率提供參參考！6MEA法CO2減排設(shè)計(jì)計(jì)MEA法CO2減排結(jié)果果（進(jìn)料料）MoleFlowkmol/hrFLUEGASMEALEANMEA

H2O590.1102063020.44

MEA00.7366943224.45

CO21825.38900.008949

N25555.39700

O2191.225900

HCO3-0033.57884

MEACOO-002326.335

MEA+002436.05

CO3-20037.97956

H3O+006.48E-07

OH-000.176754TotalFlowkmol/hr8162.1220.73669471079.02TotalFlowkg/hr252711451730020TotalFlowl/min48345250.74525129976.24TemperatureC1604040MEA法CO2減排結(jié)果果（出料料）MoleFlowkmol/hr

LEAN-MEA

CO2

SEPOUT

H2O59643.183791.443254.5206

MEA5811.0860.0002480

CO20.0010372862.6950.032224

N200.1967680.001963

O201.6631810.024383

HCO3-9.48061100.000264

MEACOO-1057.4300

MEA+1118.78600

CO3-225.6657602.42E-10

H3O+1.94E-0700.000264

OH-0.54331801.18E-09TotalFlowkmol/hr67666.186655.998254.5797TotalFlowkg/hr1611102194349.34587.535TotalFlowl/min27404.68180291376.82991TemperatureC40101.698130MEA法結(jié)果分分析乙醇胺用量，Kmol/h5811.086進(jìn)料中CO2量,Kmol/h1825.390CO2回收量,Kmol/h2862.695CO2排空量,Kmol/h267.987CO2排空量14.67%最終結(jié)果果氫氣產(chǎn)量，Kg/s

0.98產(chǎn)品H2中能量，MW112.63CO2產(chǎn)量，Kg/s10.18提供給SMR能量，MW174.06提供發(fā)電的蒸汽量，Kg/s3.77BFW供熱量，MW16.41生產(chǎn)需求電量，MW3.63效率58.60發(fā)電量，MW2.35額外需電量，MW1.71氫氣年產(chǎn)量：：0.98x300x24x3600=2.54萬噸四、經(jīng)濟(jì)評價(jià)價(jià)分析年產(chǎn)量與年原原料投入量（按每個(gè)300工作天，每天天工作24小時(shí)）產(chǎn)品氫氣25400噸/年2.5萬元/噸原料進(jìn)口天然氣（澳洲）90800噸/年0.170萬元/噸銅系I催化劑3617.59kg/次60元/kg鐵系催化劑74389.24kg/次35元/kg銅系II催化劑74389.24kg/次60元/kg工業(yè)用水763758.72噸/年1.8元/噸工業(yè)用電2352.2400萬度/年1.2元/度投資估算項(xiàng)目價(jià)格（萬元/年）預(yù)定生產(chǎn)裝置的建設(shè)投資25400固定資金29882流動(dòng)資金8394建設(shè)期利息2070項(xiàng)目總投資40346成本估算項(xiàng)目價(jià)格（萬元/年）原材料和相關(guān)動(dòng)力費(fèi)用21400相關(guān)勞務(wù)費(fèi)用5715折舊費(fèi)2540大修費(fèi)1270固定資金貸款利息2070流動(dòng)資金貸款利息582與資金有關(guān)的費(fèi)用6462固定成本12177可變成本21400生產(chǎn)成本33576.3總成本33576.3經(jīng)濟(jì)評價(jià)銷售收入63500萬元/年增值稅5858萬元/年所得稅7942萬元/年利潤（毛利）24065.3萬元/年凈利潤16123萬元/年總投資利潤率59.65%投資回收期3.5年總結(jié)：1初步完成項(xiàng)目目設(shè)計(jì)目標(biāo)，，氫氣年產(chǎn)量量2.54萬噸/年，二氧化碳碳回收率達(dá)80%以上。2完成了利用LHHW模型模擬CH4和合成氣在平平推流反反應(yīng)應(yīng)器中的反應(yīng)應(yīng)行為。3完成換熱網(wǎng)絡(luò)絡(luò)設(shè)計(jì)，對部部分PSA排出富含CO的混合熱進(jìn)行行余熱回收，，同時(shí)換熱網(wǎng)網(wǎng)出來的高壓壓蒸汽達(dá)到發(fā)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)利用用。5經(jīng)初步經(jīng)濟(jì)評評價(jià)分析得出出,該設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性性能較好,投資回收期為為3.5年不足:1技術(shù)手段并沒沒有解決PSA模擬的模擬,只是利用近似似處理2缺少對MEA模塊的靈敏度度分析和優(yōu)化化,即對分析在不不同CO2回收率下MEA模塊的功耗。。3由于缺少大部部分設(shè)備的報(bào)報(bào)價(jià)信息，經(jīng)經(jīng)濟(jì)評價(jià)分析析估算不夠清清晰，其設(shè)備備投資費(fèi)用有有待細(xì)化。9、靜夜四四無鄰，，荒居舊舊業(yè)貧。。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、雨中中黃葉葉樹，，燈下下白頭頭人。。。20:46:0520:46:0520:4612/28/20228:46:05PM11、以我獨(dú)沈沈久，愧君君相見頻。。。12月-2220:46:0520:46Dec-2228-Dec-2212、故人江海別別，幾度隔山山川。。20:46:0520:46:0520:46Wednesday,December28,202213、乍乍見見翻翻疑疑夢夢，，相相悲悲各各問問年年。。。。12月月-2212月月-2220:46:0520:46:05December28,202214、他鄉(xiāng)鄉(xiāng)生白白發(fā)，，舊國國見青青山。。。28十十二二月20228:46:05下下午20:46:0512月月-2215、比不了了得就不不比，得得不到的的就不要要。。。十二月228:46下午午12月-2220:46December28,202216、行動(dòng)出成果果，工作出財(cái)財(cái)富。。2022/12/2820:46:0520:46:0528December202217、做前前，能能夠環(huán)環(huán)視四四周；；做時(shí)時(shí)，你你只能能或者者最好好沿著著以腳腳為起起點(diǎn)的的射線線向前前。。。8:46:05下下午8:46下下午午20:46:0512月月-229、沒沒有有失失敗敗，，只只有有暫暫時(shí)時(shí)停停止止成成功功??！。。12月月-2212月月-22Wednesday,December28,202210、很多多事情情努力力了未未必有有結(jié)果果，但但是不不努力力卻什什么改改變也也沒有有。。。20:46:0520:46:0520:4612/28/20228:46:05PM11、成功就是是日復(fù)一日日那一點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)小小努力力的積累。。。12月-2220:46:0520:46Dec-2228-Dec-2212、世間成事，，不求其絕對對圓滿，留一一份不足，可可得無限完美美。。20:46:0520:46:0520:46Wednesday,December28,202213、不知香香積寺，，數(shù)里入入云峰。。。12月-2212月-2220:46:0620:46:06December28,202214、意志堅(jiān)強(qiáng)強(qiáng)的人能把把世界放在在手中像泥泥塊一樣任任意揉捏。。28十二二月20228:46:06下下午20:46:0612月-2215、楚塞三湘接接，荊門九派派通。。。十二月228:46下下午12月-2220:46December28,202216、少年年十五五二十十時(shí)，，步行行奪得得胡馬馬騎。。。2022/12/2820:46:0620:46:0628December202217、空空山山新新雨雨后后，，天天氣氣晚晚來來秋秋。。。。8:46:06下下午午8:46下下午午20:46:0612月月-229、楊柳散散和風(fēng)，，青山澹澹吾慮。。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、閱讀一一切好書書如同和和過去最最杰出的的人談