在加氫站內(nèi)進行小型橇裝天然氣制氫具有占地小、高效環(huán)保和節(jié)約成本等優(yōu)點。分析了小型橇裝天然氣制氫工藝的技術(shù)優(yōu)勢，以我國 2021 年成功建造的首套 250 m3/h橇裝天然氣制氫裝置為例，總結(jié)了橇裝天然氣制氫加氫一體站的工藝技術(shù)現(xiàn)狀，對比了國產(chǎn)橇裝天然氣制氫裝置與國外同類產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)，并對我國橇裝天然氣制氫的發(fā)展趨勢進行了預(yù)期。佛山明城綜合能源站是我國首座使用橇裝天然氣制氫的加氫站，也是國內(nèi)第二座站內(nèi)天然氣制氫的加氫站，使用國產(chǎn)首套橇裝天然氣制氫有效解決了用氫難和用氫貴的難題，對我國加氫站產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有積極、重要的示范效應(yīng)。

 

 

以下正文

 

 

氫能全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵核心技術(shù)正趨于成熟，燃料電池出貨量快速增長，成本持續(xù)下降，加氫站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)明顯提速，發(fā)展氫能已成為全球能源變革重要趨勢和機遇。氫能作為一種來源豐富、綠色低碳并且應(yīng)用廣泛的二次能源，是我國能源低化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵一環(huán)，大力發(fā)展氫能也是我國實現(xiàn)“碳達峰”、“碳中和”目標的重要方式[1-4]。2022 年3 月，國家發(fā)改委發(fā)布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035 年）》，首次在國家層面明確了氫能的三大戰(zhàn)略定位：氫能是未來國家能源體系的重要組成部分；氫能是用能終端實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體；氫能產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展方向。

 

交通是氫能的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，加氫站是為氫能交通供氫的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是連接上游氫氣制取和運輸，下游燃料電池汽車應(yīng)用的重要樞紐，其普及程度決定了氫燃料電池汽車的商業(yè)化進程[5-6]。在國家和地方政策的引導(dǎo)和大力支持下，我國近年來加氫站建設(shè)明顯提速，2016 年僅有 10 座，2022 年7 月已達 272 座，居世界第一，預(yù)計到 2025 年將超過 1000 座[7]。從國內(nèi)外已經(jīng)運營的燃料電池汽車和加氫站的實際情況來看，加氫站項目的盈利能力并不強，對補貼的依賴程度較高，其中一個重要原因就是燃料電池汽車所需氫氣純度高、供應(yīng)難且價格高[8-10]，這也是制約氫能交通發(fā)展的瓶頸，而造成這一問題的主要原因在于氫氣運輸環(huán)節(jié)的效率低和成本高[11-12]。氫氣的體積能量密度極小，70 MPa氫氣的體積能量密度也僅為汽油的 15%左右，目前普遍采用的氫氣管束車操作壓力多為 20 MPa，僅可滿載 200——300 kg的氫氣，且回空壓力不能過低，導(dǎo)致整體利用率僅為 75%——85%。國內(nèi)的加氫站實際運行中，終端氫氣成本中 20%——30%是氫氣儲運成本，全國已運行的加氫站氫氣售價受地域影響，差異較大，終端價格為 45——100 ¥/kg，相比汽油、柴油和純電動競爭力較弱，預(yù)計只有當加氫站的氫氣售價低于 40 ¥/kg時才能使氫能從“政策驅(qū)動”換擋為“市場驅(qū)動”[13-15]。國內(nèi)外正在興起的小型橇裝天然氣制氫可在加氫站內(nèi)以極小的占地就地生產(chǎn)氫氣，能夠有效解決這一難題。在加氫站內(nèi)制氫能省去昂貴的氫氣運輸環(huán)節(jié)，顯著降低氫氣成本，在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，能快速提升氫氣的競爭力。加氫站的一個重要發(fā)展趨勢就是采用站內(nèi)制氫，全球約 15%的加氫站是制氫加氫一體站，這一比例在日本更是超過了 30%，且未來這一比例還將繼續(xù)提高。

 

橇裝天然氣制氫不僅是簡單的大型天然氣制氫小型化，在緊湊型轉(zhuǎn)化爐、催化劑和集成設(shè)計等方面還需要進行創(chuàng)新，目前國外發(fā)達國家已有多種產(chǎn)品和大量加氫站應(yīng)用項目，而 2021 年國內(nèi)才在這一領(lǐng)域才有所突破，實現(xiàn)了首套國產(chǎn)橇裝天然氣制氫裝置的研制和站內(nèi)天然氣制氫加氫一體站的示范運行。本文以我國 2021 年成功建造和運行的的首套全國產(chǎn)化的 250 m3/h橇裝天然氣制氫裝置為例，總結(jié)制氫加氫一體站的工藝技術(shù)現(xiàn)狀，并對國產(chǎn)橇裝天然氣制氫裝置與國外同類產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)進行對比分析，對我國橇裝天然氣制氫的發(fā)展趨勢進行預(yù)測。

 

 

站內(nèi)小型橇裝天然氣制氫的制氫規(guī)模為200——800 m3/h，橇體內(nèi)的所有設(shè)備設(shè)施集中在一個緊湊的集裝箱內(nèi)部，視為一套相對獨立的工藝設(shè)備整體，其典型工藝流程包括天然氣脫硫、天然氣水蒸汽重整、CO水汽變換和變壓吸附（PSA）4 個主要工藝單元，（歡迎關(guān)注氫電邦公眾號帶您了解更多干貨，資料請?zhí)砑觪dbang11獲取）如圖 1 所示，并輔助蒸汽發(fā)生系統(tǒng)以從高溫煙氣中回收熱量，如循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、脫鹽水系統(tǒng)，還包括燃料氣系統(tǒng)、儀控系統(tǒng)、泄漏檢測與報警系統(tǒng)等[16-17]。

 

 

原料天然氣中的硫化物，如硫化氫（H2S）、硫氧化碳（COS）、二硫化碳（CS2）、硫醇（RSH）、硫醚（RSR）、噻吩（C4H4S）等及微量鹵素元素會造成重整催化劑、變換催化劑和PSA吸附劑性能降低甚至失活，因此天然氣在送入轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化之前，必須凈化到總硫（以H2S計）含量≤ 0.1 μmol/mol、總鹵素（以Cl-1 計）含量≤ 0.1 μmol/mol。

 

天然氣水蒸汽重整是強吸熱反應(yīng)，過程中需要的熱量通過燃燒PSA解吸氣提供，不足的部分通過一部分燃料天然氣來補充。重整轉(zhuǎn)化爐是站內(nèi)橇裝天然氣制氫設(shè)備的“心臟”，是為整個系統(tǒng)提供熱源及反應(yīng)的核心，包含轉(zhuǎn)化管、轉(zhuǎn)化爐體、燃燒器、煙氣對流換熱組件和鼓風(fēng)機/引風(fēng)機等。重整反應(yīng)通常選用Ni基催化劑，小型橇裝天然氣制氫裝置由于床層高度小、催化劑裝填量少、空速高且水碳比（水蒸氣與天然氣的物質(zhì)的量比，下同）低，對催化劑的性能要求遠高于傳統(tǒng)大型天然氣制氫重整催化劑，需要進行創(chuàng)新開發(fā)。置于重整轉(zhuǎn)化爐內(nèi)部的燃燒器能夠滿足天然氣和PSA解吸氣同時燃燒，并將熱量以輻射傳熱方式傳遞給爐管內(nèi)的工藝氣進行催化，燃燒后的煙氣溫度達 900——1050 ℃，通過副產(chǎn)水蒸汽實現(xiàn)熱量回收。副產(chǎn)水蒸汽作為重整反應(yīng)的反應(yīng)原料加入工藝系統(tǒng)，過程中需要調(diào)配好水碳比，過低的水碳比可能會導(dǎo)致催化劑積炭，長時間水碳比過高會影響催化劑壽命。除影響催化劑壽命外，過高水碳比會造成大量未參與反應(yīng)的蒸汽在轉(zhuǎn)化爐中被加熱，然后又被水冷器冷卻，增加能耗，正常工況下站內(nèi)橇裝天然氣制氫設(shè)備無蒸汽對外輸出。

 

CO會導(dǎo)致燃料電池中的催化劑中毒，從而影響電堆壽命，因此變換工段將轉(zhuǎn)化氣中大量CO變換為CO2，以便盡可能多的生產(chǎn)氫氣，并使變換后的氣體在PSA中更容易提純得到滿足純度要求的氫氣產(chǎn)品，實際一般控制CO含量（物質(zhì)的量分數(shù)）≤ 10 × 10-6，高于GB/T 37244-2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣》的要求（經(jīng)過PSA提純后的氫氣純度（物質(zhì)的量分數(shù)，下同）需≥ 99.97%）。實際運行中，為了更好的保護燃料電池，氫氣產(chǎn)品純度需≥ 99.999%。

 

 

制氫的方法包括化石燃料制氫、電解水制氫、化工尾氣制氫和生物質(zhì)制氫等，目前全球近 50%的氫氣來自于天然氣制氫[18-19]。在可再生電力成本尚未降低到一定水平的相當長一段時期內(nèi)，天然氣制氫將是支撐全球氫能發(fā)展的主要過渡方式。天然氣的主要成分是甲烷，每個甲烷分子中含有 4 個氫原子，是含氫比例最高的化石能源。

 

在加氫站內(nèi)小型制氫屬于分布式制氫，主要包括電解水制氫、甲醇制氫、液化石油氣（LPG）制氫和天然氣/城市燃氣制氫等。其中最具發(fā)展前景的就是站內(nèi)小型天然氣/城市燃氣制氫，相比甲醇制氫和LPG制氫，可以就地采用天然氣、城市燃氣或LNG作為原料，利用完善的深入市場末端的城市燃氣基礎(chǔ)設(shè)施就可便捷制取純度≥ 99.999%的高純度氫氣[20-22]。

 

小型橇裝天然氣制氫相比大中型天然氣制氫更貼近用戶，更適應(yīng)于氫氣儲運成本高的產(chǎn)業(yè)特征，基于目前已經(jīng)完善的天然氣產(chǎn)業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施，提供穩(wěn)定充足且低價的氫源，是天然氣產(chǎn)業(yè)與氫能產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展的重要融合點。目前國內(nèi)運行的加氫站外購氫氣的到站價格為 30——40 ¥/kg，橇裝天然氣制氫裝置在考慮了運營消耗和設(shè)備折舊的情況下，天然氣價格為 2.5 ¥/m3 時，氫氣成本為 20——22 ¥/kg（不含氫氣增壓及加注環(huán)節(jié)），具有市場競爭力[23-26]。

 

 

目前加氫站的短缺制約著燃料電池汽車的規(guī)模化推廣，而橇裝天然氣制氫裝置具有小型化、橇裝化和高度集成的緊湊式設(shè)計的優(yōu)勢，公路運輸便捷，因該裝置占地極小，尤其適用于在基本占據(jù)了各級城市交通的樞紐位置的加油和加氣站內(nèi)快速改造實施，解決建站難題，降低選址的難度。國內(nèi)加氫站已朝向油-氫、氣-氫、油-氣-氫和油-氣-電-氫綜合能源服務(wù)站的方向發(fā)展，這不僅有利于集約用地，還能顯著降低制氫成本，促進我國加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)[28-30]。橇裝制氫占地約為傳統(tǒng)天然氣制氫工業(yè)裝置的 1/3，原料比甲醇和LPG獲得更加便捷、環(huán)保和減排[31-33]。從橇裝天然氣制氫裝置運輸至站場，能在 2——3 天完成安裝，1——2 周完成調(diào)試，1——2 個月實現(xiàn)滿負荷生產(chǎn)，可與加氫站其他設(shè)備設(shè)施同步實施，加快加氫站建設(shè)。

 

 

佛燃能源明城綜合能源站是我國首個采用站內(nèi)橇裝天然氣制氫裝置的制氫加氫一體站，設(shè)計制氫規(guī)模為 1500 kg/d，目前第一臺正在運行的橇裝天然氣制氫裝置制氫規(guī)模為 500 kg/d，另一臺制氫規(guī)模為 1000 kg/d的裝置預(yù)計 2023 年 5 月投運。

 

典型橇裝天然氣制氫加氫一體站工藝流程如圖 2 所示。橇裝天然氣制氫裝置制得的氫氣經(jīng)過緩沖罐后，先經(jīng)過 20 MPa壓縮機增壓，儲存在 20 MPa儲氫瓶組中，再經(jīng)過 45 MPa壓縮機增壓，經(jīng)順序控制盤順序控制后分 3 路分別至高、中和低壓固定儲氫瓶組儲存。氫氣加注時，加氫機通過順序控制盤按照低、中和高壓順序從儲氫瓶組取氣，達到設(shè)定壓差后切換儲氫瓶組順序，保證加氣速率。20 MPa儲氫瓶組也具備對外充裝氫氣管束車的功能，使橇裝制氫運行具有連續(xù)性，提高了加氫站運營的靈活性，可在夜間加氫負荷低時實現(xiàn)對外充裝。

 

 

 

國外有Air Product、Hygear、Osaka Gas、Air Liquide和Linde等多家公司開發(fā)了適合于加氫站用的小型橇裝天然氣制氫設(shè)備，而國內(nèi)擁有集裝箱式高度緊湊型的橇裝天然氣制氫商業(yè)化產(chǎn)品的企業(yè)比較少。2021 年，中海石油氣電集團有限責任公司（簡稱“氣電集團”）、西南化工研究設(shè)計院有限公司（簡稱“西南院”）和佛燃能源三方聯(lián)合開發(fā)了我國首套250 m3/h（500 kg/d）的小型橇裝天然氣制氫裝置，并于 2021 年 12 月調(diào)試成功，2022 年順利通過滿負荷性能考核和第三方鑒定，鑒定結(jié)果為達到國際先進水平，8 月正式運行，為燃料電池公交車加注。國內(nèi)外小型橇裝天然氣制氫設(shè)備技術(shù)參數(shù)對比如表 1 所示，綜合性能對比后可以看出，國內(nèi)小型橇裝天然氣制氫裝置技術(shù)水平已基本與國外技術(shù)處于同一梯隊。

 

 

從制氫規(guī)模上來看，與加氫站主流規(guī)模 500 kg/d和1000 kg/d相匹配的 250 m3/h和 500 m3/h的橇裝天然氣制氫裝置作為標準型更具市場優(yōu)勢，國內(nèi)外產(chǎn)品的制氫規(guī)模也主要為這兩種規(guī)格。從產(chǎn)品氫氣壓力來看，主要廠商都選擇了低壓制氫方案，這是由于低壓有利于提高重整轉(zhuǎn)化效率，對原料的適用性更廣，尤其適應(yīng)于低壓城市燃氣。但低壓方案如果應(yīng)用于原料氣壓力較高的場景需要先降壓，造成了壓力能浪費，且低壓不利于后端氫氣提純單元PSA或負壓變壓吸附（VPSA）的效率提升，因此壓力≥ 2 MPa的中壓方案有望成為主流。單位產(chǎn)品的天然氣消耗量方面，國內(nèi)外產(chǎn)品相差不大，煙氣熱量回收效率、對PSA解吸氣的有效利用和裝置負荷是影響消耗的關(guān)鍵因素，另外原料氣的貧富程度也有較大影響，含有更多C2、C3+的富氣的單位產(chǎn)品的原料氣消耗更低。

 

影響裝置尺寸的因素除了本身的設(shè)計和壓力外，各設(shè)備供貨商的產(chǎn)品尺寸也對整體有較大的響。國內(nèi)裝置的緊湊度還需提升，未來采用中壓方案后，關(guān)鍵設(shè)備及管道尺寸將有所減小，尤其是重整轉(zhuǎn)化爐的結(jié)構(gòu)優(yōu)化創(chuàng)新將大幅度減小裝備整體尺寸。小型橇裝天然氣制氫裝置需要換熱器、廢熱鍋爐與汽包、PSA及非標設(shè)備等眾多供應(yīng)商的參與，在采購量少且經(jīng)濟效益有限的情況下，各供應(yīng)商為小型化設(shè)備專門研發(fā)的積極性不足，在已有產(chǎn)品中選擇適合于小型化設(shè)備非常困難，甚至可能出現(xiàn)設(shè)計能力與規(guī)模不能完全匹配的情況。日本OsakaGas公司的裝置產(chǎn)品的緊湊度非常高，這得益于日本國內(nèi)相關(guān)供貨商的集體創(chuàng)新，為小型化研發(fā)了定制化產(chǎn)品。

 

 

我國橇裝天然氣制氫已經(jīng)實現(xiàn)了從“0”到“1”的歷史性跨越，為加快氫能在交通領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一種便捷且低價的氫源獲取方式，具有廣闊的市場發(fā)展?jié)摿ΑＮ磥韲a(chǎn)橇裝天然氣制氫技術(shù)將加速朝著“系列化、標準化、數(shù)字化、零碳化”的高端氫能裝備方向發(fā)展，在加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中發(fā)揮更大的驅(qū)動作用。

 

（1）加快技術(shù)升級迭代。整體而言，我國橇裝天然氣制氫裝置研究仍處于初始階段，在技術(shù)成熟度、標準化、品牌化和工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域還有差距，下一步需要加強在重整轉(zhuǎn)化爐、催化劑和系統(tǒng)集成等方面的技術(shù)創(chuàng)新升級。比如考慮選擇性透過膜、流化床膜反應(yīng)器和微通道反應(yīng)器等新型重整轉(zhuǎn)化爐[34]，優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)，提升系統(tǒng)集成水平。調(diào)動供應(yīng)商的聯(lián)動創(chuàng)新，研發(fā)出針對橇裝裝置專用的小型配套設(shè)備，優(yōu)化整體系統(tǒng)配置，提升裝置的緊湊度和能量轉(zhuǎn)化效率，達到日本Osaka Gas公司橇裝制氫產(chǎn)品的國際領(lǐng)先水平。

 

（2）制氫規(guī)模系列化，應(yīng)用場景多元化。把橇裝制氫的規(guī)模適應(yīng)性拓寬至 5——800 m3/h，氣源適用性從城市燃氣和天然氣擴大到沼氣、生物質(zhì)氣和LPG，不僅可以應(yīng)用于加氫站，也可以為玻璃廠和電子廠等提供工業(yè)用高純氫氣，如果匹配燃料電池，還能實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)和備用電源。不同規(guī)模的制氫產(chǎn)品系列能夠細化切分市場，拓展多元化的應(yīng)用場景。比如 200——800 m3/h規(guī)模的橇裝天然氣制氫產(chǎn)品可以用在制氫加氫站和煉鋼廠等小型工業(yè)用戶；50——100 m3/h規(guī)模的橇裝天然氣制氫產(chǎn)品可以用在社區(qū)和建筑用的熱電聯(lián)供，作為工業(yè)備用電源或為玻璃和電子等小型工業(yè)用戶供氫；5——50 m3/h規(guī)模的橇裝天然氣制氫產(chǎn)品可以用于小型社區(qū)和辦公樓的熱電聯(lián)供，作為小型備用電源等。

 

（3）標準化與個性化定制相結(jié)合。為了進一步降低成本，需要在設(shè)計、采購和建造過程中做好標準化工作，打造標準化圖紙，進行批量化建造，集中采購并定型產(chǎn)品，與供貨商形成聯(lián)合機制，以上措施有望將橇裝天然氣制氫裝置的設(shè)計和建造周期縮短 30%以上，裝置成本降低 20%——40%。除了標準化產(chǎn)品外，為更好的適應(yīng)市場需求，也可根據(jù)用戶原料氣參數(shù)和對氫氣純度和制氫規(guī)模的需求進行個性化定制。

 

（4）提升數(shù)字化和智能化水平。以數(shù)字化和智能化為橇裝天然氣裝置賦能，提升裝置的智能化控制水平，實現(xiàn)一鍵開停車、一鍵負荷調(diào)整、移動終端遠程查看與控制、安全智能化管控、運行大數(shù)據(jù)智能分析、關(guān)鍵設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)和狀態(tài)智能診斷等。

 

（5）探索零碳化。積極研發(fā)與橇裝天然氣制氫相匹配的小型碳捕集技術(shù)，探索高緊湊型的高效捕集，低成本將“灰氫”變“藍氫”。

 

氫能在我國實現(xiàn)“雙碳”目標中，發(fā)揮了連接“新”、“舊”的橋梁作用，成為構(gòu)建以可再生能源為主體能源的新型能源系統(tǒng)的重要支撐和樞紐。在大規(guī)模低成本可再生能源制氫到來之前，天然氣制氫是最清潔、高效、低碳且低成本獲取氫源的方式。站內(nèi)小型橇裝天然氣制氫具有緊湊性、便捷性和高效性，能有效解決氫氣供應(yīng)難題，大幅度降低氫氣成本，加快我國加氫站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。首套國產(chǎn)250 m3/h橇裝天然氣制氫裝置在佛山明城制氫加氫一體站的運行示范，為我國加氫站產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和突破站內(nèi)天然氣制氫限制提供了樣板工程。

 

目前限制我國橇裝天然氣制氫裝置大規(guī)模應(yīng)用的因素主要是缺少標準規(guī)范且管理上要求裝置入化工園區(qū)，裝置的技術(shù)成熟度有待提升，裝置成本仍偏高等。針對這些難題，編制站內(nèi)橇裝天然氣制氫的標準正在進行中，開展安全相關(guān)的專題研究和試驗，進一步在技術(shù)升級迭代、制氫規(guī)模系列化、應(yīng)用場景多元化及標準化、個性化定制、數(shù)字化、智能化和零碳化等方面仍需加大研究，有望打造一個高端氫能裝備制造產(chǎn)業(yè)，驅(qū)動我國氫能產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。