氢气的开发利用及燃氢蒸汽锅炉的优势
忧郁的漂流瓶
2022年11月01日 13:56:02
来自于节能技术
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伴随21世纪的到来,世界各国都面临着亟待解决的能源问题。氢气是高效清洁环保型新能源,在二十一世纪有望成为世界能源舞台上举足轻重的二次能源。 相较煤炭、天然气、石油等传统燃料,氢气具备热 值高、能量密度大、反应零排放等天然优势,是我国碳中和目标下理想的“清洁能源”。我国氢气产量全球领先,2020年达到2500万吨,2012-2020年CAGR约5.74%。但是从下游应用来看,我国氢气仍主要应用于化工领域,以氨、甲醇等大宗材料合成为主,在能源消费领域渗透较低。

伴随21世纪的到来,世界各国都面临着亟待解决的能源问题。氢气是高效清洁环保型新能源,在二十一世纪有望成为世界能源舞台上举足轻重的二次能源。

相较煤炭、天然气、石油等传统燃料,氢气具备热 值高、能量密度大、反应零排放等天然优势,是我国碳中和目标下理想的“清洁能源”。我国氢气产量全球领先,2020年达到2500万吨,2012-2020年CAGR约5.74%。但是从下游应用来看,我国氢气仍主要应用于化工领域,以氨、甲醇等大宗材料合成为主,在能源消费领域渗透较低。

国家和地方多重利好政策加持下,我国氢能源行业有望进入高速成长期,氢能将成为我国能源体系的重要组成部分,在交通运输、工业等领域有望实现持续渗透,产生较为广阔的经济市场。预计2036-2050年氢能源在我国能源消费中的占比将达到10%,年经济产值将超过10万亿元。在地方政策方面,已有超过20个省市发布氢能相关政策规划,明确2025—2030年氢能发展目标。

1.氢气的特点
(1)氢是自然界存在最普遍的元素,据估计它构成了宇宙质量的75%,除空气中含有氢气外,它主要以化合物的形态贮存于水中,而水是地球上最广泛的物质
(2)所有气体中,氢气的导热性最好,比大多数气体的导热系数高出10倍,因此在能源工业中氢气是极好的传热载体
(3)氢气燃烧性能好,点燃快,与空气混合时有广泛的可燃范围,3%-97%范围内均可燃。而且燃点高,燃烧速度快。
(4)除核燃料外,氢气的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的,达142.35lkJ/kg,每千克氢气燃烧后的热量,约为汽油的3倍,酒精的3.9倍,焦炭的4.5倍。
(5)所有元素中,氢重量最轻。在标准状态下,它的密度为0.0899g/L;氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现,能适应贮运及各种应用环境的不同要求。
(6)氢气本身无毒,与其他燃料相比氢气燃烧时最清洁,除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质,少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境,而且燃烧生成的水还可继续制氢气,反复循环使用
2.氢气的开发与利用
由以上特点可以看出氢气是一种理想的新型能源。目前,虽然液氢已广泛用作航天动力的燃料,但氢气大规模的商业应用还面临着许多问题,氢气能否被广泛使用,制氢工艺是基础。因为水分子中氢和氧的结合非常牢固,要把它们分开,需花费很大的力气。为了避开这个难点,目前实际上主要还是利用天然气、煤炭和石油产品作原料来制取氢气。
(1)矿物燃料制氢是利用化学方法将矿物中的氢元素提取出来的方法。
①煤的焦化。
②水煤气转化。
③从天然气、炼厂气(石油炼制厂的副产气体)、油田气等气体燃料中制取氢气。
(2)电解水法。 水中放进一点儿氢氧化钠、硫酸钾、硫酸之类的电解质,通电之后,极上就能放出氢气。电解水法制得氢气的纯度可达99.5~99.8%。
(3)各种化工过程副产品氢气的回收,如氯碱工业、冶金工业等。
(4)热化学循环分解水制氢。 该方法是在水 反应系统中加人中间物,经历不同的反应阶段,最终将水分解为氢和氧,且中间物不消耗。这其实也是一种加热直接分解水的方法,不过不是单纯依靠加热硬把氢、氧一步分开,而是通过某些化学药品(如二氧化硫、硫酸和硫酸铋)与水反应,分几步把水分解制得氢气,形成一个热化学循环,所以又叫做分步反应分解水制氢法。
(5)生物质制氢。 它是将生物体中的氢元素通过裂解或者气化的方法提取出来的方法。
氢能的利用方向很广,使用价值也很高。总结起来氢能可以在以下领域得到充分利用,但某些利用方向还尚在理想状态下。
(1)氢可以做汽车燃料。 用氢气作燃料油许多优点,首先是干净卫生氢气燃烧后的产物是水,不会污染环境,非常有利于环境的保护。其次是氢气在燃烧时比汽油的发热量高。
(2)燃料氢气发电还可以通过燃料氢气能发电。
(3)氢气在氧气中燃烧放出大量的热,其火焰-氢氧焰的温度高达3000℃,可用来焊接或切割金属。
(4)冶金、化学工业等方面的副产氢气目前有些被排放,造成能源的浪费,合理回收利用可以为企业带来很大的经济利益。例如加装燃氢蒸汽锅炉,可以为生产工艺提供蒸汽,也可以用来发电。

氯碱企业从氯碱装置的氢处理工序输出的(生产合成盐酸后多余的)氢气通过管道输送,进入预处理系统预处理后送至燃氢锅炉系统燃烧产生蒸汽。

比如10万吨/年烧碱生产中,每吨烧碱需求蒸汽量约0.6t。燃氢锅炉与燃煤工业锅炉相比,燃氢锅炉可实现烧碱每吨生产成本降低80.5元,全年降烧碱生产成本低约805万元。同时,清洁燃料氢气取代不可再生燃煤使用,每年可减少折标燃煤消耗8500余吨。继而减少直排二氧化碳21000余吨、直排二氧化硫81.6吨、直排氮氧化物60吨、直排烟尘1370吨。

图片

燃氢锅炉的技术特点以及优势
1、技术特点 
(1)燃氢蒸汽锅炉本体采用双锅筒、纵置式、D型布置的自然循环型结构。锅炉采用微正压的燃烧方式,鼓风机随燃烧器配套。亦可采用立式布置,对流传热部分为单程,减少了炉内烟气流程的死角,保证了烟气排放顺畅,降低烟气阻力,避免未燃氢气在炉内聚集,产生爆鸣。
(2)燃料氢气采用扩散燃烧方式,燃烧时,不产生回火现象,确保氢气燃烧可靠、稳定。
(3)锅炉点火燃料为天然气或液化石油气,点火、负荷调整、火焰监控、锅炉水位及连锁控制均为可变程序控制器(PLC)完成,安全可靠。
(4)燃烧室的直径与高度均大于火焰直径与高度,保证氢气安全燃烧后烟气进入对流段燃氢锅炉燃烧室,防爆面积大、安全可靠。
(5)燃氢锅炉采用多重连锁保护装置,当锅炉运行时,任何异常波动均会自动报警直接连锁停车。
(6)燃烧器在设计时充分考虑到燃料工况,气体燃料、热值等实现稳定、充分燃烧。
(7)采用变频比例调节控制燃烧供风量,按照选择所燃烧的燃料特性计算配风的百分比,配风比可根据现场燃烧状况进行设定,调试正常后参数进行保存固定。
(8)电脑显示屏显示主要运行工况,简单明了,易于掌握。参数在调试后固化,具备自动保护功能,防止执行误操作命令。
(9)燃气、空气单独通道控制,在线可设置风/气比例,不会出现由于连杆传动误差,造成锅炉无法自动运行。
(10)锅炉底部设有放水阀,因为氢气燃烧后产生大量的水需要及时放出。
2、燃氢锅炉的优势 
(1)以锅炉蒸汽压力、炉膛负压等参数为目标,无级连续自动完成比例式燃料调节和鼓风风量调节;
(2)设置两级保护,两级气动阀可靠切断燃料,助燃空气压力低开关。风机系统为燃烧器提供助燃空气,并在点炉前进行前吹扫和停炉后进行后吹扫,彻底清除炉膛内的可燃气体; 燃烧器即使在部分负荷条件下,也能保持稳定的燃烧状态,从而达到最大的燃烧效率。锅炉负荷调节范围为30~100%;加热炉热负荷自动调节,风气比自动调节;
(3)燃烧器采用比例调节控制,具有燃烧程序控制, 比例调节控制和安全保护控制等功能。采用PLC+触摸屏控制,具有自动和手动功能,运行安全可靠。
(4)自动吹扫、程序点火,点火失败声光报警;管道自动进行氮气置换。
(5)火焰检测,熄火停炉保护;
(6)蒸汽压力高报警及保护;
(7)燃烧风压压力低声光报警及保护;
(8)外部故障待机保护报警、保护;
(9)燃气压力高(保护)、低报警(保护) 当燃料压力超出允许值时,自动切断燃料供应;
(10)燃气阀组通过阀关位反馈至PLC检漏,阀漏报警(保护)两阀组间加装放空阀;
(11)电脑显示屏集中显示锅炉蒸汽压力、锅炉水位、炉膛压力、炉膛温度、排烟温度及各种报警参数,各燃气阀开度、风门开度及各种报警,简化现场控制,集中盘面,减少故障点,提高可靠性。 
(12)燃烧器在设计时充分考虑到燃烧稳定的保障。
(13)燃气、风门单独通道控制.
(14)系统设计两套紫外火焰检测器,为原装进口产品,一个检测熄火时报警不停炉,二个都检测不到火焰时再熄火保护,这样避免了因检测器的问题造成误报警停炉事故。
(15)所有报警及保护采用单项人工复位;
(16)锅炉水位自动调节、双重保护,一路采用磁翻板液位变送器将水位信号转换为4-20mA信号,用于水位连续调解;另一路采用电极液位传感器,重复保护锅炉避免缺水发生。水位自动控制系统具备如下功能:
自动调节锅炉水位,使水位稳定在规定范围内(利用变频)。手动上水。
缺水双重保护。
液位计中心距:L=440mm。
(17)所有报警及保护采用单项人工复位;
(18)控制系统具备以下联锁保护与报警等功能:
锅炉超压报警及保护;
风压压力低报警及保护;
仪表风压力低报警;
高、低水位报警。
极低水位保护。
燃气压力高(保护)、低报警(保护) 当煤气压力超出允许值时,自动切断燃料供应;
外部故障报警、保护;
氢气的储存
1、常压储氢
2、高压储氢
3、液氢储氢——密度高、但能耗大、且有自然挥发
4、金属氢化物
5、吸附储氢

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水煤浆蒸汽锅炉及吸收式冷水机组施工图

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知识点:氢气的开发利用及燃氢蒸汽锅炉的优势

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敬于才华
2022年11月01日 14:29:06
2楼

虽然液氢已广泛用作航天动力的燃料,但氢气大规模的商业应用还面临着许多问题,氢气能否被广泛使用,制氢工艺是基础。因为水分子中氢和氧的结合非常牢固,要把它们分开,需花费很大的力气。为了避开这个难点,目前实际上主要还是利用天然气、煤炭和石油产品作原料来制取氢气。

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yj蓝天
2022年11月14日 06:11:05
3楼

新能源的开发利用是一个方面,资料给人一启发,不错,学习啦,谢谢楼主分享

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