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《太阳能》《太阳能学报》

  创刊于1980年,

  中国科协主管

  中国可再生能源学会主办

《太阳能》杂志社有限公司出版

《太阳能》杂志:

  Solar Energy

  CN11-1660/TK  ISSN 1003-0417

  国内发行2-165  国外发行Q286

《太阳能学报》:

  Acta Energiae Solaris Sinica

  CN11-2082/TK  ISSN 0254-0096

  国内发行2-165  国外发行Q286

详细内容

周麓波-霍尼韦尔工业副产氢提纯要用PSA、变压吸附等技术做到经济核算

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我现在讲的是燃料电池的氢气,在提供氢气的情况下,我用什么方法去最优的设置装置提供氢气,这是我要讲的。

霍尼韦尔是一个财富一百强的公司,刚刚也变成了道琼斯指数三十家美国公司之一,主要有四大集团。其中有航空航天,是最大的一个集团,我们中国的919飞机,我们航空航天集团是所有外国公司里面,拿到最多项目的公司,帮助中国919试飞最多的一家公司。还有智能建筑科技集团、特性材料和技术集团和安全与生产力解决方案集团。我们的航空航天集团刚刚购买了巴拉德底下氢能无人机的事业部,所以我们也正式进入氢能了。我今天讲的不是这个集团,是讲的特性材料集团里面纯化氢气的一个解决方案。

这个公司是霍尼韦尔的一家子公司,叫UOP公司,在氢气纯化,我们在全球36项炼油技术里面,有31项是我们公司发明的。

如果能够提高效率,这就是一个绿色的过程

什么是能源氢气?我今天试着回答这个问题。什么叫绿色的能源?绿色的能源从自然界来的能源,不产生多的污染,这是绿色能源。但还有一个办法,是不是绿色可以讨论,但至少从我的观点来讲,如果能够提高效率,这就是一个绿色的过程。

我们今天讲的能源氢,实际上要讲一个什么样的概念?就是用氢气通过燃料电池来发电产生能量。因为氢能可以通过燃烧产生能量,如果去做内燃机,它一定会受到卡鲁循环的限制,就限制了你的效率。如果通过一个燃料电池来做氢气,把氢气燃烧的LHV,这个能量怎么能够更加有效的把电子拆开应用,那我的效率可以大大提高,从这样一个角度来讲是绿色的,因为我提高了它的效率。这样的话,也就减少了氢气的应用,所以从这个观点来讲,也是一个绿色的概念。

所以为什么我们要做能源氢?就是一个效率的问题,为什么有效率的问题?内燃机无论如何都不能违背卡鲁循环的限制。

那什么样的氢气可以作为能源氢?我们制定了很多标准,我现在不看别的标准,看对氢气的标准,如果要把能源的氢气放到燃料电池里去,它要符合什么样的标准才能达到能源氢的标准?我说这个就是能源氢。能源氢就是符合一个能源燃料电池要求的标准氢气。还有一个概念,能源氢不讲的是氢气的纯度,不能讲氢气的纯度99.99%,但没有用,其实要讲的是里面固定的杂质,关键的杂质在这里面的含量是多少,这才是能源氢要讲的。

目前约55度电才能生产1公斤氢

那么氢气从哪里来?我们怎么做到这个能源氢?很多人搞不清楚,为什么要制定这样一个标准?制定这个标准是有原因的。能源氢的标准,有很多的杂质,有一些杂质实际上是一个惰性成分,比如说氦气、氮气这样的成分,是一个惰性的成分。那有什么坏处?惰性组份进去多了,氢气的效率就变低了。但像二氧化硫,是一个寿命的问题,会使质子膜变坏。我们公司UOP公司是全球第一家把铂金属进入催化剂的公司,所以现代化工的很多加氢、脱氢的反映是我们公司发明的铂金属催化剂,我们也希望在中国能源氢的标准方面,通过我们对铂金属催化剂的理解,我们可以做一些贡献。

那么这些杂质的从哪里来的?那么首先氢气从哪里来的?因为你考虑的是绿色是全生命周期的绿色,从源头来讲,氢气是二次能源,你不能说氢气就是绿色能源,要看氢气是从哪里来的。如果氢气是煤气化制氢,那煤仍然是化石能源,很多氢气大量的生产,无非是煤气化、水电解等等。说水电解是绿色的,也不对,因为电本来就是二次能源,水电解的话,把氢变成三次能源了。

我相信随着整个技术进步,今后电都是从可再生能源来的,再用电解水制氢,就是一个绿色能源。

现在的情况下,我们大概要好好55度电才能生产1公斤氢。所有的再生能源,一般情况是在偏远以后,那偏远地区的氢能怎么送到北京、杭州、上海这样的地方,有很大的运输问题,如果把运输算进去,运输又要耗汽油,就变成一个不绿色的东西了。

那么在目前的情况下,因为我们的规模很小,氢能燃料电池规模很小,真正能够帮助你的最有效的一个氢气,我认为是工业副产氢。

工业副产氢很多的来源都在这里,这里就回答了我为什么要去纯化,因为工业副产氢里面含有这些杂质的。所以要优化设计这个,就是因为在目前的情况下,最经济,最有效率的是工业副产氢的回收,那就需要脱除杂质。

工业副产氢提纯时,减少变压吸附的设计,要综合考虑吸附、解析等整个过程,其中阀门是关键。

我们要从工业副产氢里面回收氢气,做到能源氢,要提纯氢气,让氢气达到99.7%的浓度。第二条,要脱出氢气中的微量组份,比如硫、CO等使这些组分在氢气中达到标准。我们提出的方法是把变压吸附和不可再生的吸附相结合的解决方案,真正做到低于4个PBV的硫能源标准。怎么把这个装置做得更好更便宜,那就是一个优化的过程,优化的过程,有两个要考虑,能不能把变压吸附做得很小?第二个,能不能把这两个之间的平衡点找到,使得前面既小后面也不是很大,这样的话,考虑整个系统,这就是所谓的优化设计。

讲到变压吸附,最重要的是周期,如果从简单的吸附PSA的变压吸附的设计来讲,变压吸附的尺寸U×L,跟你的周期成正比的,如果你的周期越短,你的尺寸越小,如果你要把周期设计得很短,你的再生就要变得很短,阀门开合就要非常快,这样的话,就不一定能够做得下来。我们提出的快捷的办法,利用更加先进的阀门,不是像现在的阀门开合的,是一个可以旋转的阀门。我可以大大的缩减周期时间,这个周期的话,如果缩短十倍的周期,我跟现在的PSA设计是十倍的尺寸,我可以降低10倍的尺寸,这样的话,把整个PSA的系统大大降低了,也就降低了你的投资成本。这是第一个设计方法,怎么快速提高PSA变压吸附的周期。

第二个,为什么我们UOP可以做这样的事情,我们从工业的经验总结出来开发的新技术,我们在全世界范围内有超过1100套的变压吸附装置,在中国以外市场,我们占整个市场的70%以上。

其实大家都知道,在吸附和变压吸附里面是一个平衡,如果要把一个杂质做到非常非常低,也就是说你的吸附剂的再生要做得非常衬底,什么意思?如果我说吸附剂最后残余的浓度相对高一点点的时候,我是一个周期的解析时间,如果要真正做非常非常低涡时候,整个尾巴是非常长的。吸附和解析的时间决定了变压吸附的周期,如果把解析的时间搞得这么长,整个周期就变长了,整个变压吸附就变得很大了。

我们其实提供多种不同的不可再生的吸附剂,把硫脱除到非常非常低的浓度。根据不同情况来设计保护床的概念。所以我今天跟大家讲的就是说,如果我们要用工业副产氢,我们就要提纯,我们的技术可以帮助你把装置做小,把经济效益做出来。

所以能源氢气最重要的不是氢气的纯度,而是氢气里面的特定杂质的含量,这是一个非常重要的概念,有的杂质是非常非常低的。工业副产氢是目前相对来说是比较好的来源,因为我们的燃料电池汽车规模没有上去,大规模生产氢气是不大可能的,因为现在整个地区也就是每天一吨氢,两吨氢,最多十吨氢的装置,对于工业生产来说是非常小的。

单独的BSA很难达到超低浓度,所以要用PSA,变压吸附加上不可再生的保护床的概念来做到经济核算。我能够通过减少周期时间来减少变压吸附的设计,如果要做到这一点,我们要综合考虑吸附、解析等整个过程,其中阀门是关键。PSA加保护床设计,我们要通过设计吸附出口浓度,使得整个综合设计更加优化。

谢谢大家。

(以上内容根据速记整理,未经嘉宾审核)


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