氫催化燃燒供熱脫氫系統及其能效分析

李海港，吳 飛，程 臣

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氫催化燃燒供熱脫氫系統及其能效分析

李海港，吳 飛，程 臣

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

有機液體儲氫密度大但脫氫溫度高，因此如何提供熱源已成為急需解決的技術難題。本文設計的催化燃燒供熱脫氫系統，具有系統內自供氫、低溫、無火焰、安全的優點。建立脫氫系統的能效分析模型，并計算了不同儲氫載體脫氫系統的能效。研究結果表明，氫氣催化燃燒可以滿足有機液體脫氫系統的能量需求。通過提高有機液體脫氫效率，降低尾氣外排溫度可以提高系統效率和能效。開發的能效分析模型可用于篩選有機液體儲氫載體。

氫 催化燃燒 有機液體 能效分析

0 引言

氫燃料電池直接將氫氣的化學能轉變成電能，具有效率高、環境友好、無噪音、模塊化等特性，被認為是首選的清潔能源技術[1]。氫氣的儲運是燃料電池運行中的關鍵技術之一。由于氫氣的理化特性，高壓低溫儲運氫氣存在極大的風險[2]。有機液體儲氫具有儲氫量大、密度高、效率高，氫載體儲存、運輸和維護安全方便，加脫氫反應高度可逆，儲氫劑可循環使用等特點，該技術由Sultan等人于1975年提出，國內外開展了大量的研究[3]。目前已經開發出苯、甲苯、萘等芳香烴類和咔唑、乙基咔唑等雜環類等儲氫材料[4-7]。但有機液體氫化物脫氫溫度高于160℃，質子交換膜燃料電池的余熱無法滿足脫氫對能量的需求。燃料電池供電提供脫氫所需能量，熱效率較低，對氫氣需求量大。因此，熱源已經成為限制有機液體儲氫技術廣泛應用的難題。

為解決以上難題，本文設計了氫氣自供應催化燃燒供熱脫氫系統，并建立了能效分析模型。與電加熱脫氫相比，熱效率高，具有極高的應用推廣價值。

1 系統描述

氫催化燃燒供熱脫氫系統包括氫氧催化燃燒單元、氫空供給單元、有機液體（H2-OL）儲運單元和電控單元四部分，工藝流程如圖1所示。氫氧催化燃燒單元主要由三個換熱器組成。1）催化燃燒換熱器H101，列管式。以氫氧催化燃燒為熱源，以H2-OL為冷介質，兩流體并流換熱。氫氧催化燃燒溫度控制為240℃，H2-OL流體控制在200℃，此時H2-OL發生脫氫反應。2）原料換熱器H102，板翅式。以脫氫后有機液體（OL）為熱介質（200℃），H2-OL原料為冷介質（常溫），兩種流體逆流換熱。3）空氣換熱器H103，板翅式。以催化燃燒尾氣為熱介質（240℃），空氣為冷介質（常溫），兩種流體逆流換熱。氫空供給單元由氣液分離器SP201、干燥器V203、氫氣緩沖罐V201、氮氣儲罐V202和離心風機P201組成。H2-OL脫氫再經氣液分離、干燥后得到高純氫氣，其中一部分氫氣輸送至氫氧催化燃燒單元，用于維持脫氫反應，剩余氫氣引入燃料電池電堆發電。H2-OL儲運單元主要由原料儲罐V301、OL儲罐V302和原料輸送泵P301組成。H2-OL原料經隔膜泵計量、增壓后輸出，進入原料換熱器H102預熱后進入催化燃燒換熱器脫氫。電控單元實現溫度顯示與控制、液位顯示與控制、壓力顯示與控制、流量顯示與控制功能。

該系統除啟動時需在儲罐V201內預存一定量氫氣外，正常運行時不需外部提供氫燃料，實現了儲氫、脫氫和供氫的一體化，此外具有制氫速率可調、在線供氫、自動控制、安全可靠的諸多優點。

2 能效分析模型

為簡化模型，忽略了泵與離心風機的功耗，模型推導如下。

2.1 燃料電池需氫量

根據燃料電池功率計算所需氫氣量H（g/min）。

式中：FC為燃料電池功率kW，FC為燃料電池效率，H為氫氣的熱值，此處取低熱值，1.2×105kJ/kg。

2.2 氫催化燃燒單元

系統熱源來自于氫氧催化燃燒，進料均以常溫進入系統，設定為25℃，并以此為標準溫度計算熱能。

1）原料預熱

式中H2-OL和OL依次為有機液體氫化物和有機液體的比熱容J/(g?K)。

根據物料平衡根據原理存在關系式（3）和（4）。

H+FH=×ηe×H（4）

1'=1+εe2×（2-3） （5）

2）空氣預熱

將式（6）化簡整理，則空氣預熱后溫度按式（7）計算。

4'=4+εe3×（5-5'） （7）

3）催化燃燒

式中H為催化燃燒中氫氣的轉化率。

燃燒吸熱量C（kJ/min）為燃料升溫所需熱量，即氫氣和空氣升溫至燃燒點所需熱量。其中氫氣來自于氫氣緩沖罐，未經預熱，其溫度為氣液分離器工作溫度3（℃）。

將式（10）帶入式（7）整理后得式（11）：

熱量差FH-C傳遞給H2-OL用于脫氫，脫氫所需熱量包括原料升溫至脫氫溫度2（℃）吸熱量OL（kJ/min）、脫氫反應焓HE（kJ/min）和環境散熱E（kJ/min），此處設環境散熱率E。

E=（FH-C）×E（14）

式中ΔR為脫氫反應焓，kJ/mol氫氣。

根據能量守恒得：

FH-C=OL+H+E（15）

2.3 燃氫比

燃氫比為供給催化燃燒用氫量FH與脫氫總量的比值。

2.4 脫氫系統效率

系統效率eh為供給燃料電池的氫氣流量H和原料H2-OL中儲氫量HOL的比值。

2.5 脫氫系統能效

系統能效he為脫燃料電池用氫量所需能量FC和催化燃燒放熱量FH的比值。

3 算例分析

3.1 計算條件

算例分析所用數值見表1。

表1 算例分析必要系統參數

以我所專利有機液體和文獻[7]中提供的有機液體儲氫材料為例進行對比分析，其物理性質見表2。

3.2 儲氫載體對比

系統能效分析結果列于表3。對比三種儲氫載體，在上述計算條件下，我所專利儲氫載體以脫氫過程效率64.93%、脫氫系統能效67.22%、氫氣燃燒比27.86%略優于文獻已報道的乙基咔唑和二芐基甲苯。與燃料電池供電加熱相比，催化燃燒供熱方案優勢明顯。

3.3 H2-OL脫氫體系物料與能量衡算

對H2-OL脫氫系統進行物料衡算，結果列于表4。

表2 有機液體儲氫載體物理性質

表3 系統分析結果

表4 物料衡算 g/min

表5 能量衡算表

*只計算釋放出氫氣折算的化學能，取氫氣的低熱值；**氫氣取低熱值時，燃燒尾氣中水蒸氣的潛熱不計入

經過計算，輸入與輸出誤差為零，則脫氫系統遵守物料守恒原理，模型無誤。

經過計算，能量輸入與輸出誤差為-0.35%，小于可信度3%，則系統遵守能量守恒，各物料的溫度參數計算準確。

3.4 能量分析及改進建議

氫催化燃燒脫氫系統能量來源為H2-OL內含氫氣的化學能，最終轉變為供應燃料電池用氫氣的化學能、物料帶走的熱能、脫氫不徹底帶走的化學能、反應吸熱、環境能量損耗五部分，將數據列于表6。

表6 能量分析

由表6可以看出，系統內能量損耗為反應吸熱13.73%、脫氫不完全造成損耗10.00%、物料帶走熱量6.28%和環境損失3.97%。提高系統能效的主要途徑為：首先，通過研發高性能催化劑，降低脫氫吸熱焓、提高脫氫效率。其次，尾氣帶走熱量11.7 kW，占比5.28%，降低尾氣排放溫度可明顯提高系統能效。再次，環境損失中，催化燃燒加熱器損失較多，為5.39 kW，通過真空保溫途徑可進一步提高系統能效。

4 結論

本文建立了以氫氧催化燃燒供熱，有機液體儲氫載體的脫氫系統，并建立了能效分析模型。以三種載體為例進行了算例分析及對比，得出以下結論：

1）與燃料電池供電脫氫相比，本文設計的催化燃燒供熱脫氫系統優勢明顯。

2）物料衡算與能量衡算結果表明，本文建立的能效分析模型準確。

3）脫氫系統能效影響因素按脫氫率、物料帶熱和環境散熱順序下降，提高能效的首要途徑為研發高性能催化劑，降低脫氫吸熱焓、提高脫氫效率。

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Dehydrogenation Heated by Hydrogen Catalytic Combustion and its Efficiency Analysis

Li Haigang, Wu Fei, Cheng Chen

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TQ032.41

A

1003-4862（2018）12-0001-05

2018-07-10

李海港(1984-)，男，博士，高級工程師。研究方向：氫能化工。E-mail: lihigang@163.com