船舶LNG燃料制氢及利用技术方案.pdf
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1、第 45 卷(2023)第 3 期Vol.45(2023)No.3柴油机Diesel EngineDOI:10.12374/j.issn.1001-4357.2023.03.002船舶LNG燃料制氢及利用技术方案涂世恩1,2,李佩青1,2,沈腾1,2,冀青鹏1,2,李晓波1,2(1.上海船用柴油机研究所,上海 200090;2.船舶与海洋工程特种装备和动力系统国家工程研究中心,上海 200090)摘要:基于LNG重整制氢技术的工艺特点和典型船舶动力装置配置方式,分析计算在不同氢能应用方式和制氢比例条件下的碳减排特性。计算结果表明将LNG制氢技术进行实船化应用可以满足国际海事组织对于船舶中长期的
2、碳减排要求,是一种有效的降低船舶CO2排放的技术措施。讨论该技术实船应用面临的问题和挑战,为LNG制氢技术的在船应用研究提供参考。关键词:船舶;碳减排;LNG;制氢中图分类号:TK428.9文献标志码:A文章编号:1001-4357(2023)03-0007-07Hydrogen Production from LNG Reforming and Utilization on ShipsTU Shi en1,2,LI Peiqing1,2,SHEN Teng1,2,JI Qingpeng1,2,LI Xiaobo1,2(1.Shanghai Marine Diesel Engine Resea
3、rch Institute,Shanghai 200090,China;2.National Engineering Research Center of Special Equipment and Power System for Ship and Marine Engineering,Shanghai 200090,China)Abstract:Based on the process characteristics of hydrogen production from LNG reforming technology and typical ship power plant confi
4、guration,the carbon emission reduction characteristics under different hydrogen energy application methods and hydrogen production ratios are analyzed and calculated.The results indicate that the on-board application of the technology of hydrogen production from LNG reforming can meet the long-term
5、carbon reduction requirements of the International Maritime Organization for ships,and is an effective technical measure to reduce ship CO2 emissions.The problems and challenges faced by the practical application of this technology on ships are discussed,providing reference for the research of on-bo
6、ard application of the technology of hydrogen production from LNG reforming.Key words:ship;carbon reduction;LNG;hydrogen production0引言随着船舶碳减排要求的不断提高,氢能作为一种清洁能源得到航运业广泛的关注。氢能可以用作发动机或者燃料电池的燃料。当前船用燃料电池已经有多款商业级产品问世,并且有大量的机构和组织开展氢能实船示范应用研究项目,船用发动机的掺氢燃烧技术也得到各大主机厂商的关注。此外,一些国家、地区和机构也相继发布关于氢能船用化的技术标准和政策法规。氢能在
7、船上应用面临着储存、加注、运输等方面的困难,当前这些技术成熟度低,相关船用配套设施还处2022年内燃动力碳中和与排放控制学术年会绿色船舶动力系统分会场专栏收稿日期:2022-08-31;修回日期:2022-09-08基金项目:船舶与海洋工程特种装备和动力系统国家工程研究中心资助项目第 45 卷第 3 期 8 柴 油 机于初步探索阶段,成为制约氢能船用化技术发展的一大障碍。LNG燃料具有储量丰富、燃烧清洁、利用技术成熟等特点,当前在航运业得到大规模应用,近年来以LNG燃料为动力的船舶订单量出现爆发式增长。据统计,2021 年全球共订购 240 艘 LNG燃料动力船舶,超过过去4年订购的数量总和1
8、-2。LNG动力船舶的爆发式增长有力地促进了LNG加注设施的发展,越来越多的港口开始新增加注业务。天然气作为含碳燃料减碳量十分有限,相对于传统燃油可以实现最大约30%的碳减排量,仅能满足国际海事组织对于航运业短期内的碳减排目标。针对航运业要在 21 世纪中叶减少 70%的CO2排放的目标,亟须开发新型船舶燃料技术3。将天然气制氢技术与氢能船用技术相结合进行实船应用,既可以解决氢储运、加注技术成熟度低、工艺复杂、建设成本高以及配套设施不完善等问题,又可以利用天然气燃料较为完善的储运加注设施。在国际上已有一些国家开展了相关的技术研究和样机研制工作,国内针对该技术的研究较少,因此亟须对其工艺原理、碳
9、减排效果、面临的挑战以及技术发展方向等进行分析。1LNG制氢及利用技术方案天然气水蒸气重整制氢技术是一种工业领域广泛采用的成熟技术4-5,工艺过程包括原料的预热和预处理、重整、水气置换(高温和低温转换)、冷却除湿和氢气提纯。天然气重整制氢是可逆吸热反应,一般在高温下进行,同时在反应过程中伴随着CO的水气转换过程,甲烷水蒸气转化制得的合成气进入水气转换反应器,经过高低温变换反应,把CO转化为CO2和额外的H2。天然气重整制氢的催化剂一般采用Ni/Al2O3,通常在催化剂中添加助剂以抑制催化剂的积炭反应,若要加速炭从催化剂表面的去除,可在反应进料中加入过量的水蒸气。将天然气水蒸气重整制氢技术、CO
10、2捕集技术以及氢能船用化技术结合并进行实船应用所形成的技术方案如图1所示。船舶LNG燃料制氢及利用系统主要由LNG储存罐、气化模块、CO2提纯模块、液态CO2储罐以及发动机供气模块、发动机模块、燃料电池模块等组成。LNG燃料由加注设施加注至LNG储罐,再由驳运设备输送至气化模块或CO2液化换热器。LNG燃料经气化后分别输送至发动机供气模块和天然气制氢模块。被供给至CO2液化换热器的LNG燃料对经过提纯的CO2气体进行深冷液化。天然气制氢模块可实现对天然气的重整及变换转化制氢,并产生含有大量CO2的工艺气体(即变压吸附装置的解吸气体),由压缩机、脱硫器、重整炉、CO 变换反应器、变压吸附(pre
11、ssure swing adsorption,PSA)装置以及产品氢气储罐等图1船舶LNG燃料制氢及利用系统原理图2023 年 5 月 9 涂世恩等:船舶LNG燃料制氢及利用技术方案组成。经由LNG供给模块(LNG供给模块由LNG储存罐、气化模块、压缩机及管路等组成)的气态天然气燃料进入天然气制氢模块后,一部分供给至重整炉和蒸气发生器的燃烧装置作为燃料使用,另一部分经过升压、脱硫、蒸气混合、高温重整、CO变换、降温除湿等流程后形成高纯度的产品氢气,储存在产品氢气储罐内,可供给船舶动力输出模块使用。重整反应器和蒸气发生器所使用的天然气燃料在燃烧时会产生一定的 CO2气体,被直接排放至大气环境中。
12、在天然气燃料重整及变换转化制氢的过程中,产生含有大量CO2的工艺气体,该部分气体被输送至CO2提纯模块进行提纯,随后被输送至CO2液化换热器中利用LNG的冷能进行液化,最终被存储至液态CO2储罐。经过CO2提纯后的工艺气体主要成分为可燃气体,包括H2、CO以及CH4等,被输送至蒸气锅炉和重整炉的燃烧器中燃烧使用以提高装置的能量效率。上述的技术方案在天然气制氢过程中会产生一定的CO2排放,但形成的工艺气体中的CO2被提纯液化实现捕集回收,产生的氢气在使用时不产生任何碳排放。因此采用该种技术方案对LNG燃料中含有的大量碳实现脱除,与LNG燃料直接供给发动机燃烧相比,可以大幅度降低船舶的碳排放。2碳
13、减排特性及应用挑战分析2.1分析对象为了分析天然气重整制氢技术实船应用后的CO2减排特性,选取一艘主推进动力装置为1台10 MW级双燃料主机、辅助发电系统为4台1 MW级双燃料发电机的大型远洋运输船作为研究对象,结合氢能船用技术,对其进行不同燃料型式、不同氢能利用方式、不同氢能应用比例的碳排放量统计。双燃料主机和发电机的技术参数如表 1所示,其中发动机燃油模式和燃气模式的燃料消耗均在发动机100%负荷工况下。根据不同氢动力应用技术的特点,考虑主推进动力装置采用发动机掺氢燃烧模式,辅助发电系统采用发动机掺氢燃烧或氢燃料电池模式,用以开展天然气重整制氢技术实船应用的碳减排特性分析。首先计算在额定负
14、荷时船舶主机和发电机不同燃料应用方式下的燃料消耗量6-8,再根据不同燃料的碳转换系数,计算出不同燃料应用模式的碳排放量。燃油和天然气的碳转换系数可以根据船级社发布的标准查出,氢燃料的碳转换系数根据天然气水蒸气重整制氢工艺过程计算得出。2.2单位氢产量的碳转换系数计算天然气制氢系统在制造氢气时产生的CO2主要由天然气燃料燃烧导致,因此须结合天然气制氢系统的工艺特点和主要设备性能,对天然气制氢的工艺过程进行合理假设并建立简化计算模型。根据物料平衡关系和热量平衡关系,通过计算产生一定量氢气所消耗的天然气量,即可折算出单位氢产量的CO2排放量9。2.2.1条件假设对天然气制氢工艺过程的若干条件进行如下
15、假设:(1)计算模型只考虑天然气制氢装置负荷稳定的运行工况,不考虑启动及负荷变化工况能量及物料流量的变化。(2)假设天然气原料中的成分全部为CH4,天然气制氢反应炉的原料为CH4和H2O。(3)假设重整反应炉和蒸气锅炉的热效率为80%,并忽略反应物料及烟气在流动过程中的散热损失。(4)假设在天然气制氢过程中甲烷的重整转化效率为 90%,CO 水气变换反应的转化效率为100%。(5)假设各种物料的比热容随温度线性变化,并假设天然气燃料和空气在燃烧前后形成的混合气体和烟气的成分和比热容相同。(6)忽略系统在运行过程中泵、压缩机、助燃风机、PSA装置等产生的CO2。(7)假设天然气制氢模块PSA装置
16、和CO2提纯液化模块对H2和CO2的提纯率均为100%。在实际过程中PSA装置对氢气的提纯率低于100%(例如80%左右),但未被提纯的氢气随着PSA解析气经过CO2提纯及液化模块后被输送至燃烧器中,替代部分天然气燃料,而氢气的燃烧不产生碳排放,因此总体考量,PSA装置的氢气提纯率产生的影响较低,可忽略。2.2.2计算模型天然气制氢工艺的氢气碳转换系数计算模型表1双燃料主机及发电机参数发动机类型发动机型号发动机额定功率/kW燃油模式油耗/(gkW-1h-1)燃气模式引燃油消耗/(gkW-1h-1)燃气模式总能量消耗/(kJkW-1h-1)双燃料主机7X62DF-2.113 600175.41.
17、26 816双燃料发电机6L20DF960194.63.08 178第 45 卷第 3 期 10 柴 油 机如图2所示。将天然气制氢工艺过程中的物料分为两部分:(1)反应物料流股,包括天然气、水蒸气和转化反应后形成的混合气体。(2)燃料及烟气物料流股。反应物料流股的初始成分为CH4和H2O,初始温度T0为25,初始压力P0为101 kPa,与环境条件一致。反应物料流股经加压后进入制氢反应炉内,并分别吸收热量Q1和Q2,变化至制氢反应操作条件的温度和压力(T1=800,P1=1.0 MPa),同时吸收制氢反应所需的化学能Q3,生成组分为CH4、H2、CO2和 H2O等的混合物料流股。再经过余热利
18、用释放热量Q7,此时混合气体的温度T3为180,压力P3为1.0 MPa。最后重整变换反应生成的混合气体经过H2、CO2提纯后形成成分为CH4的工艺废气,并被输送至燃烧器利用。燃料及烟气物料流股的初始成分为CH4和空气,经过燃烧释放热量Q8。在此过程中 CH4和空气分别吸收热量Q4和Q5,并加热至制氢操作条件温度(在实际过程中CH4燃料的最高燃烧温度高于制氢反应操作条件的温度。由于烟气后续经余热利用后温度降低,考虑计算的便利,将CH4燃料的最高燃烧温度假设为与制氢反应操作条件的温度一致)。最后,CH4燃料燃烧后形成的烟气经过余热利用释放热量Q6,被排放至大气环境中(其状态参数为 T2=180,
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