摘要：針對(duì)傳統(tǒng)液化天然氣（LNG）氣化過(guò)程資源利用率低，常規(guī)的氫氣液化能量消耗大的問(wèn)題，提出一種甲烷蒸汽制氫-LNG預(yù)冷氫氣液化儲(chǔ)氫優(yōu)化系統(tǒng)的構(gòu)建，完成資源的耦合。分別對(duì)甲烷蒸汽制氫條件和LNG預(yù)冷氫氣液化儲(chǔ)氫條件進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，重整反應(yīng)溫度為1 000℃，重整反應(yīng)壓力為1 MPa，水碳比為3.0。LNG預(yù)冷氫氣液化最佳條件為，預(yù)壓壓力為4 MPa，原料液化天然氣流股LNG的質(zhì)量流量為80 t/h，經(jīng)甲烷蒸汽制氫-LNG預(yù)冷氫氣液化儲(chǔ)氫最終液氫產(chǎn)率為9.17 t/h，純度為99.99%，單位液氮消耗功率約為73.4 kW·h/kg，液化子系統(tǒng)比能耗為14.7 kW·h/kg，液化子系統(tǒng)比能耗明顯低于傳統(tǒng)液化子系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：液態(tài)天然氣；制氫儲(chǔ)氫；節(jié)能效果；系統(tǒng)能耗；LNG冷能

中圖分類號(hào)：TQ116.2+5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）02-0133-04

Optimization and application effect of hydrogen production and storage system of LNG receiving station

LV Zhijun1，TIAN Xiangyu1，XU Hao2，LI Yinghui2

（1.National Pipeline Network Group Shenzhen Natural Gas Co.，Ltd.，Guangdong，Shenzhen 518000，Guangdong China；

2.Beijing Aerospace Experimental Technology Research Institute，Beijing 100071，China）

Abstract：In order to solve the problems of low resource utilization rate and high energy consumption of convention?al hydrogen liquefaction in the traditional liquefied natural gas（LNG）gasification process，an optimization system for methane steam hydrogen production and LNG pre-cooled hydrogen liquefaction and hydrogen storage was pro?posed to complete the coupling of resources.The conditions for hydrogen production by methane steam and the liq?uefaction and storage of LNG pre-cooled hydrogen were optimized，and the practical application effects were ana?lyzed.The experimental results showed that the temperature of the reforming reaction was 1 000℃，the pressure of the reforming reaction was 1 MPa，and the water-to-carbon ratio was 3.0.The optimal conditions for LNG pre-cooled hydrogen liquefaction were as follows：the preloading pressure was 4 MPa，the mass flow rate of the raw LNG flow strand LNG was 80 t/h，the final liquid hydrogen yield was 9.17 t/h，the purity was 99.99%，the power con?sumption per unit of liquid nitrogen was about 73.4 kW·h/kg，and the specific energy consumption of the liquefac?tion subsystem was 14.7 kW·h/kg，which was significantly lower than that of the traditional liquefaction subsystem.

Key words：liquid natural gas；hydrogen production and storage；energy saving effect；system energy consumption；LNG cold energy

隨著我國(guó)對(duì)LNG需求量的增加，很多城市新增了LNG接收站，回收LNG冷能資源，降低資源的浪費(fèi)。為進(jìn)一步增加資源的利用，部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究。如研究了接收站LNG冷能利用與BOG回收利用匹配性[1]。提出了一種利用LNG冷能回收輕烴和BOG的綜合工藝系統(tǒng)[2]。研究了LNG冷能由煤制天然氣低溫甲醇洗裝置回收利用的可行性[3]。研究了LNG冷能回收制冰技術(shù)，并分析了項(xiàng)目投資收益，與傳統(tǒng)制冰技術(shù)進(jìn)行比較，最后提出應(yīng)用前景展望[4]。以上學(xué)者的研究為回收LNG冷能提供了參考，但還無(wú)法達(dá)到理想要求?；诖?，本試驗(yàn)以文獻(xiàn)[5]為參考，構(gòu)建了甲烷蒸汽制氫-LNG預(yù)冷氫氣液化儲(chǔ)氫優(yōu)化系統(tǒng)，并對(duì)其節(jié)能效果進(jìn)行分析。

1試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)方法

通過(guò)Aspen HYSYS搭建LNG預(yù)冷氫氣液化工藝流程。為簡(jiǎn)化模擬個(gè)過(guò)程，本試驗(yàn)假設(shè)不考慮冷卻器和換熱器內(nèi)的壓降，換熱器內(nèi)溫差不超過(guò)5℃，壓縮機(jī)絕熱效率與膨脹機(jī)等熵效率均設(shè)置為90%，忽視勢(shì)能與動(dòng)能對(duì)整個(gè)過(guò)程的影響。

1.2甲烷蒸汽制氫過(guò)程

（1）將常溫常壓的液態(tài)水泵入換熱器內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱完成后進(jìn)入混合器，與混合器內(nèi)的甲烷混合后通過(guò)加熱器進(jìn)行加熱反應(yīng)，然后進(jìn)入重整反應(yīng)器進(jìn)行重整反應(yīng)；

（2）完成重整反應(yīng)的產(chǎn)物進(jìn)入換熱器進(jìn)行降溫處理，再進(jìn)入高溫水煤氣變換反應(yīng)器，將重整產(chǎn)物中的一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳；

（3）反應(yīng)完成后的氣體再次進(jìn)入換熱器降溫后，又進(jìn)入低溫水煤氣變換反應(yīng)器，使一氧化碳進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氫氣和二氧化碳；

（4）轉(zhuǎn)化后的氣體進(jìn)入冷卻器進(jìn)行降溫處理后，在分離器的作用下分離出液態(tài)水，得到原料氫氣。

1.3 LNG預(yù)冷氫氣液化

（1）原料氫氣在混流器處與系統(tǒng)回流氫氣進(jìn)行混合，在壓縮機(jī)的作用下進(jìn)行預(yù)壓縮處理，進(jìn)入由多流LNG換熱器組成的預(yù)冷系統(tǒng)，進(jìn)行回流氫氣和LNG換熱處理；

（2）換熱結(jié)束后，經(jīng)過(guò)預(yù)冷的氫氣流會(huì)依次進(jìn)入LNG換熱器和膨脹機(jī)內(nèi)，通過(guò)與回流氫氣換熱和膨脹降溫的方式完成氫氣探冷；

（3）經(jīng)過(guò)探冷的氫氣再次進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹，使其狀態(tài)從氣相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合啵M(jìn)入分離器后分理出液態(tài)氫氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐內(nèi)，而氣態(tài)的低溫氫氣重新進(jìn)入系統(tǒng)，與原料氫氣混合，參與下一過(guò)程的轉(zhuǎn)化。

2結(jié)果與討論

2.1甲烷蒸汽制氫過(guò)程條件優(yōu)化

2.1.1重整反應(yīng)溫度優(yōu)化

重整反應(yīng)溫度對(duì)甲烷轉(zhuǎn)化率、氫氣純度和氫氣產(chǎn)率的影響見(jiàn)圖1。

由圖1可知，純度和氫氣產(chǎn)率均表現(xiàn)出先增加后趨于平衡的變化趨勢(shì)。這是因?yàn)檎麄€(gè)重整反應(yīng)均為吸熱反應(yīng)，高溫對(duì)于吸熱反應(yīng)的正向進(jìn)行產(chǎn)生積極的效果，因此反應(yīng)溫度越高，反應(yīng)進(jìn)程越快，甲烷轉(zhuǎn)化率增加，氫氣的產(chǎn)率和純度也顯著增加[7-8]。當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到1 000℃后，甲烷轉(zhuǎn)化率不再進(jìn)一步增加，氫氣的產(chǎn)率和純度變化也不明顯。這就說(shuō)明1 000℃已經(jīng)達(dá)到了吸熱反應(yīng)的最佳溫度。

2.1.2重整反應(yīng)壓力優(yōu)化

重整反應(yīng)壓力對(duì)甲烷轉(zhuǎn)化率、氫氣純度和氫氣產(chǎn)率的影響見(jiàn)圖2。

由圖2可知，隨壓力的提升，甲烷轉(zhuǎn)化率和氫氣產(chǎn)率均緩慢下降，氫氣純度幾乎不發(fā)生變化。說(shuō)明重整壓力對(duì)氫氣純度的影響較小。這是因?yàn)闅錃饧兌戎皇芩簹庾儞Q的影響，一但水煤氣變換達(dá)到平衡，幾乎不受重整的壓力的影響[9-10]。因此甲烷轉(zhuǎn)化率與氫氣產(chǎn)率均有一定下降[11-12]。綜上，從反應(yīng)進(jìn)程方面考慮，重整反應(yīng)壓力應(yīng)不超過(guò)1 MPa，實(shí)驗(yàn)選擇重整反應(yīng)壓力為1 MPa。

2.1.3水碳比優(yōu)化

水碳比對(duì)甲烷轉(zhuǎn)化率、氫氣純度和氫氣產(chǎn)率的影響見(jiàn)圖3。

由圖3可知，水碳比的增加，甲烷轉(zhuǎn)化率和氫氣產(chǎn)率、氫氣濃度均有一定提升。這是因?yàn)樗急鹊脑黾?，重整反?yīng)中反應(yīng)物的摩爾量增加，對(duì)于反應(yīng)的正向進(jìn)行產(chǎn)生促進(jìn)的效果[13]。但水碳比過(guò)高會(huì)明顯增加工藝能耗，造成資源浪費(fèi)[14-15]。當(dāng)水碳比超過(guò)3.0時(shí)，二氧化碳轉(zhuǎn)化率和氫氣產(chǎn)率增加趨勢(shì)較小，因此選擇適合的水碳比為3.0。

2.2 LNG預(yù)冷氫氣液化條件優(yōu)化

2.2.1預(yù)壓縮壓力優(yōu)化

預(yù)壓縮壓力對(duì)系統(tǒng)比能耗和氫氣液化率的影響見(jiàn)圖4。

由圖4可知，隨預(yù)壓縮壓力的增加，系統(tǒng)能耗比緩慢降低，氫氣液化率明顯增加。這是因?yàn)轭A(yù)壓壓力越大，系統(tǒng)壓力降低，液化所需的制冷效應(yīng)減弱，從而減少了制冷所需的能量[16-17]。在預(yù)壓縮壓力為1 MPa～4 MPa內(nèi)，系統(tǒng)比能耗和氫氣液化率變化較大。綜合考慮，選擇適合的預(yù)壓壓力為4 MPa。

2.2.2 LNG加壓壓力優(yōu)化

LNG加壓壓力對(duì)比能耗的影響見(jiàn)圖5。

由圖5可知，隨LNG加壓壓力的增加，系統(tǒng)比能耗逐漸下降，但下降的趨勢(shì)并不明顯。這是因?yàn)樵跉錃忸A(yù)冷階段，LNG與系統(tǒng)回流氫氣共同提供冷源，為氫氣預(yù)冷提供能量，因此LNG加壓壓力的改變對(duì)系統(tǒng)比能耗只有較小的影響[18-20]。

2.3應(yīng)用效果

已經(jīng)確定了甲烷蒸汽制氫過(guò)程最佳條件為，重整反應(yīng)溫度為1 000℃，重整反應(yīng)壓力為1 MPa，水碳比為3.0。LNG預(yù)冷氫氣液化最佳條件為，預(yù)壓壓力為4 MPa。結(jié)合LNG接收站的實(shí)際數(shù)據(jù)，觀察甲烷蒸汽制氫-LNG預(yù)冷氫氣液化儲(chǔ)氫系統(tǒng)的優(yōu)化效果。設(shè)定流程中的原料液化天然氣流股LNG的質(zhì)量流量為80 t/h，最終產(chǎn)品液氫情況見(jiàn)表1。

由表1可知，經(jīng)甲烷蒸汽制氫-LNG預(yù)冷氫氣液化儲(chǔ)氫最終液氫產(chǎn)率為9.17 t/h，純度為99.99%，單位液氮消耗功率約為73.4 kW·h/kg，液化子系統(tǒng)比能耗為14.7 kW·h/kg，而傳統(tǒng)氫氣提純及液化工藝比能耗約為18 kW·h/kg。這就說(shuō)明所提出的甲烷蒸汽制氫-LNG預(yù)冷氫氣液化儲(chǔ)氫優(yōu)化系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的節(jié)能效益。

3結(jié)語(yǔ)

（1）整個(gè)重整反應(yīng)均為吸熱反應(yīng)，高溫可促進(jìn)吸熱反應(yīng)的正向，對(duì)甲烷轉(zhuǎn)化率和氫氣的產(chǎn)率、純度的增加產(chǎn)生積極的影響；

（2）壓力增加會(huì)使得重整反應(yīng)平衡向降低壓強(qiáng)方向移動(dòng)，即高壓對(duì)反應(yīng)進(jìn)程產(chǎn)生不良影響，因此甲烷轉(zhuǎn)化率與氫氣產(chǎn)率均有一定下降；

（3）水碳比的增加會(huì)增加重整反應(yīng)中反應(yīng)物的摩爾量，可促進(jìn)重整反應(yīng)的正向進(jìn)行，甲烷轉(zhuǎn)化率和氫氣產(chǎn)率均明顯提升；

（4）LNG預(yù)冷氫氣液化階段預(yù)壓壓力越大，系統(tǒng)壓力下降，液化所需的制冷效應(yīng)減弱，制冷所需的能量減少；

（5）氫氣預(yù)冷階段，LNG與系統(tǒng)回流氫氣共同提供冷源，為氫氣預(yù)冷提供能量。LNG加壓壓力的改變幾乎不影響系統(tǒng)比能耗，在實(shí)際的應(yīng)用中，可根據(jù)天然氣輸送需求改變LNG加壓壓力；

（6）經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的甲烷蒸汽制氫-LNG預(yù)冷氫氣液化儲(chǔ)氫系統(tǒng)液化子系統(tǒng)比能耗為14.7 kW·h/kg，明顯低于傳統(tǒng)氫氣提純及液化工藝比能耗，表現(xiàn)出良好的節(jié)能效益。

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（責(zé)任編輯：平海，蘇幔）