天然气现场制氢新工艺 的研究
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天然气现场制氢新工艺 的研究. 学生 汪丛伟 导师 王树东 研究员 2014年10月27日. 天然气现场制氢的意义及优势 天然气现场制氢的新工艺 总结与展望. 内容纲要. 研究背景. 设备投资大 氢气储运、分配困难. 规模集中制氢. 车载制氢. 启动时间 (10min) 启动能量 (7MJ/50kw ). 分散站制氢. ON-BOARD FUEL PROCESSING GO/NO-GO DECISION DOE DECISION TEAM COMMITTEE REPORT , August 2004. 天然气现场制氢优势. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
天然气现场制氢新工艺天然气现场制氢新工艺的研究的研究
学生 汪丛伟学生 汪丛伟导师 王树东 研究员导师 王树东 研究员2023年4月20日 星2023年4月20日 星期四期四
内容纲要
• 天然气现场制氢的意义及优势• 天然气现场制氢的新工艺• 总结与展望
研究背景
分散站制氢
规模集中制氢
ON-BOARD FUEL PROCESSING GO/NO-GO DECISION DOE DECISION TEAM COMMITTEE REPORT , August 2004
车载制氢
设备投资大氢气储运、分配困难
启动时间 (10min)启动能量 (7MJ/50kw )
天然气现场制氢优势天然气现场制氢优势
原燃料比较充足(天然气水合物)比较充足(天然气水合物)天然气清洁天然气清洁 ,, 能量密度大能量密度大供给方便 ( 完善的输运管道 )
制氢成本低,是目前最廉价的制氢方式之一制氢成本低,是目前最廉价的制氢方式之一
天然气水蒸汽转化
CO 高温变换
CO 低温变换
CO 甲烷化
CO2
脱除H2 分
离
天然气水蒸汽重整制氢(大规模)
US$3.66~5/kg H2
天然气水蒸汽重整制氢( 小规模 )
US$ 12 /kg H2
目前天然气水蒸汽规模制氢与现场制氢的成本比较
高成本 高成本
现有天然气水蒸汽重整工艺用于现场制氢是极其昂贵的,
开发现场制氢新工艺与新技术已成为当务之急 !!!重点: 1. 产氢 , 纯化一体化 , 技术集成 , 缩短工艺流程 ;
2. 装置投资小 , 生产成本低 ;
天然气水蒸汽重整CH4+H2O=CO+3H2, △ H298K= 206kJ/mol
CH4+2H2O=CO2+3H2, △ H298K= 165kJ/mol
CH4+2O2=CO2+2H2O ,△ H298K= -804 kJ/mol
天然气自热重整CH4+0.5O2=CO+2H2, △ H298K=-36 kJ/mol
CH4+H2O=CO+3H2, △ H298K=206kJ/mol
CH4+2H2O=CO2+3H2, △ H298K=165kJ/mol
天然气现场制氢的技术路线
产氢纯度高,分离相对易,但能效相对不高
能量效率高,但分离能耗相对较大
天然气现场制氢新工艺
集成换热式 ( 反应耦合)循环利用热流:壁式反应器,两段式反应器,多层
套筒式反应器降低传热传质阻力:板式反应器,微通道反应器
净化纯化式制备高纯度 H2 :膜反应器降低 CO 排放:双层催化剂无 CO 反应器
壁式反应器
Theophilos Ioannides, Xenophon E. Verykios, Development of a novel heat-integrated wall reactor for the partial oxidation of methane to synthesis gas, Catalysis Today 46 (1998) 71-81University of Patras, Greece
•反应器由陶瓷管组成,陶瓷管内表面沉积燃烧催化剂层,外表面沉积重整催化剂层•原料从里面的管子进入后被外层的出口气体预热,在反应区发生反应,放出的热量通过管壁传到外层,在那里发生吸热的重整反应。
循环利用热流Ⅰ
两段式重整反应器
Fraunhofer Institute , Germany
• 甲烷和水作为冷料通入换热器中与燃烧尾气换热,被加热至 450 - 600℃•进入一次重整器中进行重整反应(热量来自燃烧尾气的对流换热)•进入二次重整,热量来自陶瓷燃烧器的直接热辐射
Vogel, B., G. Schaumberg, A. Schuler, 1998, .Hydrogen Generation Technologies for PEM Fuel Cells,. 1998 Fuel Cell Seminar Abstracts, November 16-19, 1998, Palm Springs, CA, pp. 364-367.
循环利用热流Ⅱ
多层套筒式重整反应器
A novel steam reforming reactor for fuel cell distributed power generation, California Energy Commission, May 2000
存在问题:传热阻力较大 系统较庞大
循环利用热流Ⅲ
板式反应器
• 催化剂层&板的厚度很薄 ,大大提高了反应器的结构紧凑性 ,降低了传热与传质阻力• 板式反应器的效率比传统水蒸汽重整器高一个数量级,而体积和催化剂重量低 2个数量级• 板式反应器的换热效率提高。壁面和气相截面温度分布更均匀
M. Zanir, A. Gavriilidis, Catalytic combustion assisted methane steam reforming ina catalytic plate reactor, Chemical Engineering Science 58 (2003) 3947 – 3960
存在问题:催化剂涂覆困难
降低传热传质阻力Ⅰ
微通道反应器
Picture of a Velocy’s manufacturing scale-up microchannel reactor (Pacifi
c Northwest National Laboratory)
•微通道可把传热传质速率提高 1 ~ 2 个数量级•由于过程强化降低了操作成本•均匀布氧,先部分氧化后完全燃烧为原料预热和重整供热
A.Y. Tonkovicha, S. Perrya, W.A. Rogers, Microchannel process technology for compact methane steam reforming, Chemical Engineering Science 59 (2004) 4819 – 4824
存在问题: 反应器加工成本高 通道阻力降大
降低传热传质阻力Ⅱ
集成化膜反应器
Yu-Ming Lin, Min-Hon Rei, Process development for generating high purity hydrogenby using supported palladium membrane reactor as steam Reformer, International Journal of Hydrogen Energy 25 (2000) 211±219
CH4
存在问题:钯膜具有氢脆现象,如何增强稳定性?
净化纯化式Ⅰ
两层催化剂无 CO 水蒸气制氢反应器
Vladimir Galvita a, Kai Sundmacher, Hydrogen production from methane by steam reforming in a periodically operated two-layer catalytic reactor, Applied Catalysis A: General 289 (2005) 121–127Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems, Magdeburg, Germany
Step 1:Reduction Pt-CeO2-ZrO2 Fe3O4-CeO2-ZrO2
CH4
CO+H2 H2O+CO2
H2
H2O
H2O+H2
Pt-Ce2O3-ZrO2 Fe-Ce2O3-ZrO2
Step 2:Re-oxidation 存在问题:催化剂表面沉积碳,实际应用 ?
净化纯化式Ⅱ
总结与展望
将重整制氢 , 供热 , 纯化一体化 , 实现过程强化、系统高度集成是降低制氢成本的出路集成换热式 ( 热量耦合)净化纯化式(降低成本)
现场制氢新工艺要真正走向实际应用,还需切实解决自身的关键技术,扬长避短
谢谢大家谢谢大家 ! !
参考文献1.ON-BOARD FUEL PROCESSING GO/NO-GO DECISION, DOE DECISION TEAM COMMI
TTEE REPORT , August 20042.Theophilos I, Xenophon E. Verykios, Development of a novel heat-integrated wall reactor fo
r the partial oxidation of methane to synthesis gas, Catalysis Today 46 (1998) 71-813.M. Zanir, A. Gavriilidis, Catalytic combustion assisted methane steam reforming in a catalyt
ic plate reactor, Chemical Engineering Science 58 (2003) 3947 – 39604.Vogel, B., G. Schaumberg, A. Schuler, and A. Henizel, 1998, .Hydrogen GenerationTechnologies for PEM Fuel Cells,. 1998 Fuel Cell Seminar Abstracts, November 16-19, 1998,Palm Springs, CA, pp. 364-367.5. A.Y. Tonkovicha, S. Perrya,W.A. Rogersa, Microchannel process technology for compact
methane steam reforming, Chemical Engineering Science 59 (2004) 4819 – 48246. Vladimir G, Kai S, Hydrogen production from methane by steam reforming in a periodically
operated two-layer catalytic reactor, Applied Catalysis A: General 289 (2005) 121–127
7.A novel steam reforming reactor for fuel cell distributed power generation, California Energy Commission, May 2000
参考文献 ( 续 )
8. Yu M L, Min H R, Process development for generating high purity hydrogen by using supported palladium membrane reactor as steam Reformer, International Journal of Hydrogen Energy 25 (2000) 211-219
9. S Lin, Y Chen, C Lee, Dynamic modeling and control structure design of an experimental fuel processor, International Journal of Hydrogen Energy (in press)
10.Sheldon Lee,, Daniel V. A, Shabbir A, Hydrogen from natural gas: part I—autothermal reforming in an integrated fuel processor, International Journal of Hydrogen Energy 30 (2005) 829 – 842
11. A.Siddle, K.D. Pointon, R.W. Judd and S.L. Jones,FUEL PROCESSING FOR FUEL CELLS – A STATUS REVIEW AND ASSESSMENT OF PROSPECTS
现场制氢的市场需求分析现场制氢的市场需求分析
加氢站加氢站
分散电站分散电站
其他工业其他工业 半导体,电子行业高纯氢半导体,电子行业高纯氢
军事电源:战地指挥、潜军事电源:战地指挥、潜
水艇水艇
应急电源:要害部门如银应急电源:要害部门如银
行、医院、证券交易所行、医院、证券交易所