加氢站的技术特点

加氢站的技术特点 欧盟的CUTE和ECOTS商业示范项目共在10个城市进行。每个城市都采用了相同的Citaro燃料电池大客车，主要目的是检验不同的地理、气候和城市交通状况对车辆运行的影响。加氢站的建设则燃料电池大客车的选用截然不同，各自采用了不同的技术方案，其目的在于分析、比较各种供氢方式的设备可靠性、运行稳定性和经济性。10个城市加氢站的技术路线可分为三类：电解水制氢、外供氢和天然气重整制氢，其技术路线示意图分别如图2、3、4所示。 图2、电解水制氢技术路线 图3、外供氢技术路线 图4、天然气重整制氢技术路线 1、 电解水制氢装置 电解水制氢的技术目前已经十分成熟，欧洲的10个城市的加氢站中有5个采用的就是这种技术，所考察的斯德哥尔摩、雷克雅未克、阿姆斯特丹和汉堡站都是电解水制氢的加氢站。 电解水制氢装置利用电力将水分解成氢气和氧气后，利用压缩机将氢气以高压形式储存在储罐中，通过加注机完成向燃料电池大客车的氢气加注。由于回收成本的问题，制氢过程中所生成的氧气一般都直接排放到大气中。 考察的4个电解水站的制氢装置由Norsk Hydro Electrolysers（2个站）和 Stuart Energy Europe（2个站）提供。因电解水制氢技术已经发展得相当成熟，各个站均采用了高度集成的整体壳装式设备（参见图5），十分便于安装，大大提高了自动化程度，同时减少了设备所占用空间。 图5、阿姆斯特丹站（左）和汉堡站的电解水制氢装置 因为同样是为了满足3辆Citaro燃料电池大客车的用氢需要，所以各个加氢站电解水制氢装置的设计能力相当，其主要性能如表1所示。 表1、水电解制氢设备性能对比 城市 斯德哥尔摩 雷克雅未克 阿姆斯特丹 汉堡 制氢能力（Nm3/h） 60 60 60 60 电力供应（kW, AC） 400 390 390 400 电耗（kWh/Nm3） 4.8 ± 0.1 4.8 ± 0.1 4.8 ± 0.1 4.8 ± 0.1 电解液（% KOH） 30 30 30 30 氢气压力（bar） 10 12 10 12 设备可用率（%） > 90 98 98 98 尺寸（L×W×H, m） 12.2×2.55×2.9（含冷凝器） 7.7×2.5×4.3 12.2×2.55×2.9（含冷凝器） 7.7×2.5×4.3 为体现清洁能源的概念，各个城市的项目承担方特别声明用于电解水的电力均来自水利、风能、太阳能、地热和生物质能等可再生能源，并由电力供应商做出相应的保证，但实际上除冰岛雷克雅未克站上使用的是真正的清洁电力（85%地热发电，15%水利发电）外，其它城市使用的都是欧洲大电网所提供的电力，其中应有一定份额的火电、核电这样的不可再生能源。 需要特别指出的是，虽然在冰岛雷克雅未克和德国汉堡所使用的电解水制氢装置由挪威Norsk Hydro Electrolysers公司提供，但实际设备生产商是位于我国河北邯郸的船舶重工集团公司第七一八研究所，这表明我国在电解水制氢技术开发和设备生产等领域已经达到了世界水平。 2、高压氢气瓶集束拖车 卢森堡站是所考察的六个加氢站中唯一使用外供氢气对燃料电池大客车进行加注的。其氢气来自于200公里以外的一家比利时钢铁企业的副产氢气，由Air Liquide制备并负责运输。 管理加氢站的卢森堡公交公司向Air Liquide租借运输氢气的3辆高压氢气瓶集束拖车（参见图6），每辆拖车装有18个高压氢气瓶，每次可以以200 bar的压力运送4000 Nm3的氢气。平时站区里停泊有2辆拖车，另一辆车往返加氢站和氢源之间，运送氢气，替换站内的空车。 图6、卢森堡站所使用的高压氢气瓶集束拖车 每辆拖车上均装有压力传感器，当车上气瓶的压力下降到一定程度后，传感器会自动通知30公里以外的Air Liquide分部的办公室，以便着手进行氢气运输。拖车的更换大约每2天1次。 拖车上高压氢气瓶中的氢气通过管道直接连接到加注机（参见图7）。 图7、拖车上的气瓶直接参与加注 由于运送来的氢气已经有200 bar的压力，其压力完全可以满足给车辆添加燃料时中、低压加注的需要，因此，运送来的一部分氢气可以在加注机内压力逻辑控制盘的调节下直接向车辆加注，而不需要通过高压氢气压缩机。当燃料电池大客车车载气瓶的压力与拖车上气瓶的压力趋于平衡后，再启用站上压力为438 bar的高压氢气储罐中的氢气继续加注过程。这种加注方式可以大大降低氢气压缩机的功耗，同时减少站上所需的高压氢气储罐的容积。 3、天然气重整制氢装置 天然气重整制氢具有制氢成本低的优点，并能充分利用已有的天然气基础设施来发展氢能基础设施，但其设备初投资较大、制备的氢气需要经过纯化工艺方能满足燃料电池的要求。大规模的天然气重整制氢（> 1000 Nm3/h）已广泛应用于化工行业之中，加氢站站用规模（50 – 200 Nm3/h）的天然气重整制氢技术目前正在开发之中。 欧洲CUTE计划中，马德里和斯图加特两个城市的加氢站都采用了天然气重整制氢技术，其中斯图加特站的天然气重整装置（参见图8）由Mahler IGS公司设计并制造，制氢能力为100Nm3/h。与水电解制氢装置类似，整套装置集成在一个框架之内，便于运输和现场安装。 图8、斯图加特站的天然气重整制氢装置 所考察的天然气重整制氢装置的流程示意图如图9所示。将水转变为水蒸汽的热量来自于重整反应器所生成的高温氢气和燃烧烟气。天然气经过预处理后，吸收氢气的热量，并与水蒸汽混合，进入重整反应器进行重整反应： CH4 + H2O → CO + 3H2 CO + H2O → CO2 + H2 重整反应的温度约为900 °C，其热量来自部分天然气和变压吸附乏气的燃烧。 图9、天然气重整制氢装置系统示意图 1、天然气水蒸汽重整器；2、水汽置换反应器；3、天然气预处理；4、水预处理；5、冷凝器；6、7、8、9、10、11、热交换器；12、空气压缩机；13、氢气压缩机；14、吸附塔。 重整反应所生成的氢气经换热后，温度降低，进入水汽置换反应器进行水汽置换反应： CO + H2O → CO2 + H2 该反应进一步生成氢气，其反应温度约为320 °C。生成的氢气经多次换热，将热量传递给原料后，进入下一级纯化工艺。 重整制氢过程所使用的天然气来自斯图加特当地的天然气公司，实际上，该加氢站就建在天然气公司的场区内。天然气公司将未加硫的天然气用于重整制氢，这样，原料天然气中的硫含量极低。Mahler IGS公司将原料天然气通过锌床脱硫作为预防手段，并不采用专门的脱硫措施，重整纯化后所获得的氢气能满足燃料电池的要求。 氢气的提纯采用的是4塔变压吸附（PSA）（参见图10）。为获得更大的氢气产率，重整和水汽置换反应在1.5 bar的压力下进行，在进入PSA之前，通过氢气压缩机将压力提高到12 bar，利用混合气体中不同组分在塔内吸附、解吸压力的不同达到分离的目的。分离下来的杂质气体与部分天然气混合后，返回重整器燃烧，提供反应所需的热量。 图10、变压吸附氢气纯化装置（左）和水蒸汽重整反应器 由于天然气中不含硫，通过反应器设计和燃烧控制，同时能够有效地降低氮氧化物的生成，因此，重整器的燃烧烟气中几乎没有SOx、NOx等污染物，烟气直接排放到大气中。 自2003年10月斯图加特站投入使用后，运行发现水蒸汽重整反应器（参见图10）在设计上存在问题，主要表现为反应器启动困难和运行不稳定，经6个月左右的问题查找、技术分析和设备改进后，整套天然气重整制氢装置已能平稳运行。目前该装置能够快速启动（少于一天）、快速停车（数小时），制氢能力能够在40 – 100 Nm3/h范围内调节。若短期内产氢过剩，站上会将氢气直接排放以保证设备的正常连续运转，减少反复启停对设备造成的冲击。该制氢装置的其它一些主要性能如表2所示。 表2、天然气重整制氢装置主要性能 制氢能力 Nm3/h 天然气消耗 Nm3/h 水耗 kg/h 电耗 kW (380 V) 尺寸 L×W×H, m 100 46.5 150 50 12×2.5×2.5 天然气重整制氢过程中的重整反应和水汽置换反应均为催化反应，根据Mahler IGS公司的介绍，所使用的催化剂为镍基颗粒状催化剂。由于涉及到反应器设计的核心技术，催化剂的具体组成、颗粒的直径、反应器的结构和所做出的改进等一些详细技术内容暂时无法获得。Mahler IGS公司同时介绍：该天然气重整制氢装置使用了一些特殊设计，以防止反复启动、停车对对催化剂和其它设备造成损害。这些设计被证明是成功的，自该装置2004年3月正式运行以来，没有更换过催化剂，反应器的性能也未见下降。这些特殊设计的细节有待今后进一步了解。 4、高压氢气压缩机和增压机 氢气的升压通过高压氢气压缩机实现。在欧洲建有加氢站的10个城市中，各种类型的压缩机都有使用，所考察各站的压缩机主要性能如表3所示。 表3、高压氢气压缩机性能比较 城市 斯德哥尔摩 雷克雅未克 阿姆斯特丹 汉堡 卢森堡 斯图加特 压缩机类型 活塞 液压 膜片 液压 膜片 膜片 液压 压缩级数 2 1 1 1 1 2 压缩能力（Nm3/h） 525 62 300 62 60 100 5380 生产商 CompAir Hydro Pac Hofer Linde Hofer Burton Corblin Idro Meccanica 为便于安装，生产商将压缩机都集成在一个密闭箱体中（仅卢森堡站的压缩机在顶棚下敞开放置），这样可以达到降低噪音的目的。图11中给出了两个站的压缩机实例。 图11、阿姆斯特丹站（左）和斯德哥尔摩站的高压氢气压缩机 阿姆斯特丹站正式运行后，压缩机经常发生故障。为减少现场维修时间，满足维修服务合同中设备可用率的要求，压缩机生产商Linde公司在压缩机故障时采用整体更换压缩机单元的方式，保证加氢站在最短时间内恢复运行。第一次更换压缩机单元花费了一个多月的时间，目前熟练后，更换压缩机单元仅需要4个小时。压缩机单元的更换间隔超过半年，更换所需的费用按维修服务合同中的规定，由Linde公司承担。 为符合当地的一些安全规定，一些加氢站（如斯德哥尔摩站）上的储氢压力或储氢容量受到限制，所储存的高压氢气不能满足加注，特别是连续加注的需要。为此，这些站上设置了增压机（booster），将较低压力的氢气通过瞬时增压后向燃料电池大客车加注。图12给出了其中两个站所使用的增压机的照片。 图12、阿姆斯特丹站（左）和斯德哥尔摩站的增压机 5、 高压储罐 制备好的高压氢气储存于站上的储罐之中，供车辆加注之用。各站使用的氢气储罐不尽相同（图13），储存氢气的能力也有所不同（表4）。 图13、斯图加特站（左）和汉堡站的高压氢气储气瓶 表4、各加氢站站上储氢能力比较 城市 斯德哥尔摩 雷克雅未克 阿姆斯特丹 汉堡 卢森堡 斯图加特 储氢量 kg 95 不详 250 400 500 281 储氢压力 bar 380 440 280 440 200 450 250 450 对于使用增压机进行加注的加氢站，储氢时不需要很高的压力；而对于其它利用站上储罐和车载气瓶之间的压差进行加注的加氢站而言，为充分利用储气瓶中所储存的氢气，加注时按瓶中压力的不同将储气瓶分为低、中、高压三各瓶组，在加注机压力逻辑控制器的作用下，依次向车辆进行加注。 这里值得一提的是卢森堡站和斯