掺氢天然气分离工艺方案及经济性分析.pdf
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1、掺氢天然气分离工艺方案及经济性分析谭遥1 李琦2 王捷3 刘蔷4 黄晨直1 班久庆11.中国石油西南油气田公司天然气研究院 2.中国石油西南油气田公司规划计划处3.中国石油西南油气田公司蜀南气矿 4.中国石油西南油气田公司新能源事业部 摘要:目的 天然气管道掺氢输送被认为是氢能大规模、低成本、长距离运输的重要途径之一。为了获得高纯度氢气,需要在终端将掺氢天然气进行分离。目前,单一的氢气分离手段难以直接适用于低含量氢的掺氢天然气分离。方法 对比了几种常见的氢气分离技术的原理、工艺参数、优缺点等,结合掺氢天然气的特点,选定了“膜分离+变压吸附”耦合工艺路线,并针对掺氢比(摩尔分数,下同)分别为1
2、0%、1 5%、2 0%的掺氢天然气分离工艺方案进行了经济性分析,获得了各分离方案的成本。结果 掺氢比为1 0%、1 5%、2 0%的综合分离成本分别为0.8 4 67元/m3氢气、0.5 1 97元/m3氢气、0.3 8 26元/m3氢气。结论 较低含量的掺氢天然气分离成本较高,大规模推广应用仍面临经济性制约和诸多挑战。关键词:掺氢天然气;氢气分离;掺氢比;经济性分析D O I:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 7-3 4 2 6.2 0 2 3.0 4.0 0 7 引用格式:谭遥,李琦,王捷,等.掺氢天然气分离工艺方案及经济性分析J.石油与天然气化工,2 0 2 3,
3、5 2(4):4 1-4 7.T AN Y,L IQ,W A N GJ,e t a l.S c h e m e a n de c o n o m i c a n a l y s i so fh y d r o g e n-b l e n d e dn a t u r a l g a s s e p a r a t i o nJ.C h e m i c a lE n g i n e e r i n go fO i l&G a s,2 0 2 3,5 2(4):4 1-4 7.S c h e m ea n de c o n o m i ca n a l y s i so fh y d r o g
4、e n-b l e n d e dn a t u r a l g a s s e p a r a t i o nT a nY a o1,L iQ i2,W a n gJ i e3,L i uQ i a n g4,H u a n gC h e n z h i1,B a nJ i u q i n g11.R e s e a r c hI n s t i t u t eo fN a t u r a lG a sT e c h n o l o g y,P e t r o C h i n aS o u t h w e s tO i l&G a s f i e l dC o mp a n y,C h e
5、n g d u,S i c h u a n,C h i n a;2.P l a n n i n gD e p a r t m e n t o fP e t r o C h i n aS o u t h w e s tO i l&G a s f i e l dC o m p a n y,C h e n g d u,S i c h u a n,C h i n a;3.S o u t h e r nS i c h u a nG a sD i s t r i c t,P e t r o C h i n aS o u t h w e s tO i l&G a s f i e l dC o m p a n
6、 y,L u z h o u,S i c h u a n,C h i n a;4.N e wE n e r g yB u s i n e s sD e p a r t m e n t,P e t r o C h i n aS o u t h w e s tO i l&G a s f i e l dC o m p a n y,C h e n g d u,S i c h u a n,C h i n aA b s t r a c t:O b j e c t i v e H y d r o g e n-b l e n d e dn a t u r a l g a sp i p e l i n e i
7、s r e g a r d e da so n eo f t h e i m p o r t a n tw a y s t o t r a n s p o r t h y d r o g e ne n e r g yi nl a r g es c a l e,l o wc o s ta n dl o n gd i s t a n c e.I no r d e rt oo b t a i nh i g hp u r i t yh y d r o g e n,h y d r o g e n-b l e n d e dn a t u r a lg a sn e e d st ob es e p a
8、r a t e da t t h et e r m i n a l.A tp r e s e n t,t h ec o mm o nh y d r o g e ns e p a r a t i o n m e t h o d sa r en o td i r e c t l ya p p l i c a b l et ot h es e p a r a t i o no fh y d r o g e n-b l e n d e dn a t u r a l g a sw i t hl o wh y d r o g e nc o n c e n t r a t i o n.M e t h o d
9、 s T h i sp a p e r i n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e,p r o c e s sp a r a m e t e r s,a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ec o mm o nh y d r o g e ns e p a r a t i o nt e c h n o l o g y.C o m b i n e d w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fh y d r o g e n-b l e n
10、d e dn a t u r a l g a s,t h ec o u p l i n gp r o c e s sr o u t eo fm e m b r a n es e p a r a t i o n+p r e s s u r es w i n ga d s o r p t i o n i sd e t e r m i n e d,a n dt h ee c o n o m i ca n a l y s i s i sm a d eo nt h es e p a r a t i o np r o c e s ss c h e m eo fh y d r o g e n-b l e n
11、 d e dn a t u r a lg a sw i t hh y d r o g e nb l e n d i n gr a t i oo f1 0m o l%,1 5m o l%a n d2 0m o l%.T h es e p a r a t i o nc o s to fe a c hs e p a r a t i o ns c h e m e i ss p e c i f i e d.R e s u l t sT h ec o m p r e h e n s i v es e p a r a t i o nc o s to f 1 0%h y d r o g e nb l e n
12、d i n gr a t i oi s0.8 4 67y u a n/m3h y d r o g e n,t h ec o m p r e h e n s i v es e p a r a t i o nc o s to f1 5%h y d r o g e nb l e n d i n gr a t i o i s0.5 1 97y u a n/m3h y d r o g e n,a n dt h ec o m p r e h e n s i v es e p a r a t i o nc o s to f2 0%h y d r o g e nb l e n d i n gr a t i o
13、i s0.3 8 26y u a n/m3h y d r o g e n.C o n c l u s i o n sT h es e p a r a t i o nc o s to fh y d r o g e n-b l e n d e dn a t u r a lg a sw i t hl o wc o n c e n t r a t i o ni sh i g h,a n di t sl a r g e-s c a l ea p p l i c a t i o ns t i l l f a c e se c o n o m i cc o n s t r a i n t sa n dc h
14、 a l l e n g e s.K e y w o r d s:h y d r o g e n-b l e n d e dn a t u r a l g a s;h y d r o g e ns e p a r a t i o n;h y d r o g e nb l e n d i n gr a t i o;e c o n o m i ca n a l y s i s 氢能由于具有清洁、高效、质量能量密度高、易于转换成不同能源形式的特点,被认为是未来新能源的重要发展方向之一,是实现“双碳”目标的重要能源载体。近年来,世界发达国家逐步开始大力支持和投资氢能产业发展,如美国、日本及欧洲的一些发
15、达国家相继制定了氢能发展战略1。2 0 1 6年,我国国家能源局也发 布 了 能 源 技 术 革 命 创 新 行 动 计 划(2 0 1 6-2 0 3 0年)2,部署“氢能与燃料电池技术创新”任务,开启了我国氢能产业发展的新纪元。目前,氢气主要来源于传统化石燃料制氢、可再生能源制氢和工业副产氢3。传统化石燃料制氢由于其成本较低的特点,成为我国氢能产业发展初期的重要氢能供应方式之一4。但化石燃料制氢存在大量的C O2排放,所制得的氢气属于灰氢,终将被其他绿氢生产方式所取代。可再生能源制氢主要包括风、光等可再生能源发电制氢和生物质制氢,由于技术和成本问题,该技术目前尚处于实验室研究阶段。工业副产
16、氢主要来自于焦炉煤气、氯碱工业和丙烷脱氢,工业副14 石 油 与 天 然 气 化 工 第5 2卷 第4期 CHEM I C A LE N G I N E E R I NGO FO I L&G A S 作者简介:谭遥,1 9 9 5年生,硕士,2 0 2 1年毕业于中国石油大学(北京)机械与储运工程学院石油与天然气工程专业,现就职于中国石油西南油气田公司天然气研究院,主要从事氢能和气田水资源利用研究工作。E-m a i l:t a n y a o_l e a f p e t r o c h i n a.c o m.c n产氢的杂质较多,氢气摩尔分数为3 0%8 0%,通常采用变压吸附(p r e
17、 s s u r es w i n ga d s o r p t i o n,P S A)提纯得到高纯氢气。刘洋5选取流量为1 3 00 0 0 m3/h、H2摩尔分数3 0%的半焦炉煤气,使用P S A工艺对氢气进行分离提纯,获得了29 0 0m3/h的高纯氢气,氢气回收率高达8 0%9 0%。于永洋等6使用膜分离+P S A耦合工艺回收炼厂重整副产氢,提高了炼厂制氢效率。随着氢能的发展和应用,氢能储运成为制约氢能大规模应用的重要环节。在大规模输送需求下,管道输氢成为最经济的输送方式7。然而,大规模新建氢气输送管道的投资巨大,成本高昂。研究表明,向在役天然气管道掺入氢气,通过天然气管网进行输
18、送,在终端将天然气和氢气进行分离,可以大幅降低氢气的输送成本。本研究总结了常见的氢气分离技术,针对掺氢天然气低氢含量的特点,提出了适应掺氢天然气分离的氢气分离耦合技术方案,并对方案进行了经济性分析,旨在为天然气管道掺氢输送的发展提供参考。1 氢气分离技术进展1.1 氢气分离提纯主要工艺技术及对比目前,氢气分离提纯的主要工艺技术有P S A工艺、膜分离工艺以及深冷分离工艺等。在氢气分离提纯的过程中,由于氢气分离规模、原料气的杂质组成、氢含量、分离纯度、氢回收率等因素的差异,需要采用不同的氢气分离提纯技术。1.1.1 PP SS AA工工艺艺P S A工艺是利用固体吸附材料对不同气体组分吸附特性差
19、异实现气体的分离和提纯的。随后发展出真空变 压吸附(v a c u u m p r e s s u r es w i n ga d s o r p t i o n,V P S A)、快速真空变压吸附(r a p i dv a c u u m p r e s s u r es w i n g a d s o r p t i o n,R V P S A)等 技 术。1 9 9 7年,R a y m o n d等8首次公开了V P S A过程的专利。余夕志等9以化肥厂合成气和重整氢为原料制取高纯度氢气,利用V P S A装置提纯氢气,得到纯度9 9%(摩尔分数,下同)的产品氢气,氢气回收率达到8 9
20、%9 2%;在装置4 0%负荷条件下,实现产品氢气的操作成本为0.0 2 7元/m3,总费用为0.0 7 0元/m3,提高装置的负荷率,制氢的成本可进一步降低。L u b e r t i等1 0设计了V P S A用 于 从 甲 烷 蒸 汽 重 整 制 氢(s t e a m m a t h a n er e f o r m i n g,S MR)装置的P S A尾气中回收C O2,通过数值模拟的方法,评估了V P S A工艺的操作参数(如排气进料比、解析压力)对C O2分离纯度、回收率和能耗 的 影 响。结 果 表 明,使 用 改 进 的2床6步S k a r s t r o m循环,C O
21、2的分离纯度和回收率分别达到9 6.4%和8 9.7%,相比于传统的2床4步S k a r s t r o m循环 下C O2的 分 离 纯 度 和 回 收 率 仅 为9 5.3%和7 7.4%,分离性能更加优越。陶薇等1 1通过建立吸附模型,模拟不同组分气体在吸附床中的穿透曲线和吸附循环过程,探究了V P S A的操作参数对穿透曲线和氢气提纯效果的影响。结果表明,通过调整吸附压力、进气流率、循环步数、吸附时间、冲洗时间以及升压时间等操作参数后,产品氢气纯度将提升,但会导致氢气回收率下降。RUAN等1 2在现有P S A-V P S A-S C工艺基础上设计了一种P S A-V P S A-S
22、 C/HM工艺,改进后的工艺流程可使氢气的回收率从8 3%提高到9 8%,并且氢气分离提纯的成本与改造前基本相同;进一步使用P o l a r i s TM模块取代V P S A单元,对分离工艺进行优化,新工艺流程的氢气回收率略低于9 8%,但是氢气的分离提纯成本降低了4.3%,装置的建设成本也有所降低。卜令兵1 3采用数值模拟的方法,研究了5床3组分的P S A工艺制氢流程,分析了吸附过程中各气体含量变化规律。1.1.2 膜膜分分离离工工艺艺膜分离工艺是利用膜对特定气体组分具有选择性渗透和扩散的特性来实现气体的分离和提纯1 4。可用于氢气分离的气体分离膜种类繁多,常见的氢气分离膜包括致密金属
23、膜、无机多孔膜、MO F膜、有机聚合物膜以及混合基质膜1 5-1 6。最早用于氢气分离的气体分离膜是聚砜中空纤维膜,成功应用于合成氨厂的氢气分离回收1 7。以N i、P d、P t为代表的过渡金属元素及其合金制成的致密金属膜对氢气具有良好的选择透过性,应用前景良好1 8。殷朝辉等1 9研究了纯钯膜以及钯合金膜的透氢性能和抗杂质气体毒化性能,结果表明,钯膜在氢气的选择性和透过性方面均具有明显的优势,并通过添加A g、C u、A u等合金可以显著提高钯膜的稳定性和抗毒化性能2 0-2 2,但由于其生产工艺、成本和使用寿命等问题,将钯及其合金膜应用于工业大规模分离氢气仍面临一定的挑战性。沸石膜是最2
24、4谭遥 等 掺氢天然气分离工艺方案及经济性分析 2 0 2 3 常见的无机多孔膜。L a i等2 3在不使用有机模板的前提下,在不对称多孔氧化铝载体上制备出Z S M-5沸石膜,氢气的渗透率达到1.21 0-7m o l/(m2sP a)。L i u等2 4第一次在氧化铝基板上合成了连续互生的MO F-5膜 用 于 气 体 分 离,实 验 结 果 表 明,氢 气 在MO F-5膜中的扩展遵循K n u d s e n扩散行为。聚酰亚胺(P I)广泛应用于气体分离膜的制备,通常需要对P I进行预处理以提高膜的分离性能1 6。S h a o等2 5利用气相乙二胺(E D A)改性P I膜,实验结果
25、表明,改性后的P I膜对H2/C O2的选择性渗透率显著提高。1.1.3 其其他他分分离离工工艺艺深冷分离是利用气体组分沸点的差异实现气体分离的方法。孟祥清2 6以某煤制天然气工厂合成混合气为原料,使用深冷分离回收氢气和甲烷。李有斌等2 7使用深冷分离提纯多晶硅还原炉尾气回收装置中的循环氢气,通过模拟表明,该工艺可以有效去除循环氢气中体积分数为7 0%的磷化氢和9 5%的砷化氢。金属氢化物净化法是利用储氢合金材料只与氢气发生反应的特性来实现氢气的分离和提纯 的2 8。王兴国2 9通 过 建 立 金 属 氢 化 物 储 氢 容 器 模 型,明 确 了吸/放氢过程中金属氢化物床和相变材料中传热传质
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- 天然气 分离 工艺 方案 经济 分析
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