LNG接收站制氫儲氫系統(tǒng)優(yōu)化及應(yīng)用效果

摘要：針對傳統(tǒng)液化天然氣（LNG）氣化過程資源利用率低，常規(guī)的氫氣液化能量消耗大的問題，提出一種甲烷蒸汽制氫-LNG預冷氫氣液化儲氫優(yōu)化系統(tǒng)的構(gòu)建，完成資源的耦合。分別對甲烷蒸汽制氫條件和LNG預冷氫氣液化儲氫條件進行優(yōu)化，對實際應(yīng)用效果進行分析。試驗結(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預冷氫氣液化最佳條件為，預壓壓力為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預冷氫氣液化儲氫最終液氫產(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；制氫儲氫；節(jié)能效果；系統(tǒng)能耗；LNG冷能

中圖分類號：TQ116.2+5文獻標識碼：A文章編號：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

隨著我國對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。為進一步增加資源的利用，部分學者也進行了很多研究。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)，并分析了項目投資收益，與傳統(tǒng)制冰技術(shù)進行比較，最后提出應(yīng)用前景展望[4]。以上學者的研究為回收LNG冷能提供了參考，但還無法達到理想要求。基于此，本試驗以文獻[5]為參考，構(gòu)建了甲烷蒸汽制氫-LNG預冷氫氣液化儲氫優(yōu)化系統(tǒng)，并對其節(jié)能效果進行分析。

1試驗部分

1.1試驗方法

通過Aspen HYSYS搭建LNG預冷氫氣液化工藝流程。為簡化模擬個過程，本試驗假設(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5℃，壓縮機絕熱效率與膨脹機等熵效率均設(shè)置為90%，忽視勢能與動能對整個過程的影響。

1.2甲烷蒸汽制氫過程

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

（2）完成重整反應(yīng)的產(chǎn)物進入換熱器進行降溫處理，再進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入換熱器降溫后，又進入低溫水煤氣變換反應(yīng)器，使一氧化碳進一步轉(zhuǎn)化為氫氣和二氧化碳；

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

1.3 LNG預冷氫氣液化

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

（2）換熱結(jié)束后，經(jīng)過預冷的氫氣流會依次進入LNG換熱器和膨脹機內(nèi)，通過與回流氫氣換熱和膨脹降溫的方式完成氫氣探冷；

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

2結(jié)果與討論

2.1甲烷蒸汽制氫過程條件優(yōu)化

2.1.1重整反應(yīng)溫度優(yōu)化

重整反應(yīng)溫度對甲烷轉(zhuǎn)化率、氫氣純度和氫氣產(chǎn)率的影響見圖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。這是因為整個重整反應(yīng)均為吸熱反應(yīng)，高溫對于吸熱反應(yīng)的正向進行產(chǎn)生積極的效果，因此反應(yīng)溫度越高，反應(yīng)進程越快，甲烷轉(zhuǎn)化率增加，氫氣的產(chǎn)率和純度也顯著增加[7-8]。當反應(yīng)溫度達到1 000℃后，甲烷轉(zhuǎn)化率不再進一步增加，氫氣的產(chǎn)率和純度變化也不明顯。這就說明1 000℃已經(jīng)達到了吸熱反應(yīng)的最佳溫度。

2.1.2重整反應(yīng)壓力優(yōu)化

重整反應(yīng)壓力對甲烷轉(zhuǎn)化率、氫氣純度和氫氣產(chǎn)率的影響見圖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。說明重整壓力對氫氣純度的影響較小。這是因為氫氣純度只受水煤氣變換的影響，一但水煤氣變換達到平衡，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)進程方面考慮，重整反應(yīng)壓力應(yīng)不超過1 MPa，實驗選擇重整反應(yīng)壓力為1 MPa。

2.1.3水碳比優(yōu)化

水碳比對甲烷轉(zhuǎn)化率、氫氣純度和氫氣產(chǎn)率的影響見圖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。這是因為水碳比的增加，重整反應(yīng)中反應(yīng)物的摩爾量增加，對于反應(yīng)的正向進行產(chǎn)生促進的效果[13]。但水碳比過高會明顯增加工藝能耗，造成資源浪費[14-15]。當水碳比超過3.0時，二氧化碳轉(zhuǎn)化率和氫氣產(chǎn)率增加趨勢較小，因此選擇適合的水碳比為3.0。

2.2 LNG預冷氫氣液化條件優(yōu)化

2.2.1預壓縮壓力優(yōu)化

預壓縮壓力對系統(tǒng)比能耗和氫氣液化率的影響見圖4。

由圖4可知，隨預壓縮壓力的增加，系統(tǒng)能耗比緩慢降低，氫氣液化率明顯增加。這是因為預壓壓力越大，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，選擇適合的預壓壓力為4 MPa。

2.2.2 LNG加壓壓力優(yōu)化

LNG加壓壓力對比能耗的影響見圖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，但下降的趨勢并不明顯。這是因為在氫氣預冷階段，LNG與系統(tǒng)回流氫氣共同提供冷源，為氫氣預冷提供能量，因此LNG加壓壓力的改變對系統(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預冷氫氣液化最佳條件為，預壓壓力為4 MPa。結(jié)合LNG接收站的實際數(shù)據(jù)，觀察甲烷蒸汽制氫-LNG預冷氫氣液化儲氫系統(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)品液氫情況見表1。

由表1可知，經(jīng)甲烷蒸汽制氫-LNG預冷氫氣液化儲氫最終液氫產(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。這就說明所提出的甲烷蒸汽制氫-LNG預冷氫氣液化儲氫優(yōu)化系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的節(jié)能效益。

3結(jié)語

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

（2）壓力增加會使得重整反應(yīng)平衡向降低壓強方向移動，即高壓對反應(yīng)進程產(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）水碳比的增加會增加重整反應(yīng)中反應(yīng)物的摩爾量，可促進重整反應(yīng)的正向進行，甲烷轉(zhuǎn)化率和氫氣產(chǎn)率均明顯提升；

（4）LNG預冷氫氣液化階段預壓壓力越大，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）氫氣預冷階段，LNG與系統(tǒng)回流氫氣共同提供冷源，為氫氣預冷提供能量。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)過優(yōu)化后的甲烷蒸汽制氫-LNG預冷氫氣液化儲氫系統(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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（責任編輯：平海，蘇幔）