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掺氢天然气分离工艺方案及经济性分析谭遥1 李琦2 王捷3 刘蔷4 黄晨直1 班久庆11.中国石油西南油气田公司天然气研究院 2.中国石油西南油气田公司规划计划处3.中国石油西南油气田公司蜀南气矿 4.中国石油西南油气田公司新能源事业部 摘要:目的 天然气管道掺氢输送被认为是氢能大规模、低成本、长距离运输的重要途径之一。为了获得高纯度氢气,需要在终端将掺氢天然气进行分离。目前,单一的氢气分离手段难以直接适用于低含量氢的掺氢天然气分离。方法 对比了几种常见的氢气分离技术的原理、工艺参数、优缺点等,结合掺氢天然气的特点,选定了“膜分离+变压吸附”耦合工艺路线,并针对掺氢比(摩尔分数,下同)分别为1 0%、1 5%、2 0%的掺氢天然气分离工艺方案进行了经济性分析,获得了各分离方案的成本。结果 掺氢比为1 0%、1 5%、2 0%的综合分离成本分别为0.8 4 67元/m3氢气、0.5 1 97元/m3氢气、0.3 8 26元/m3氢气。结论 较低含量的掺氢天然气分离成本较高,大规模推广应用仍面临经济性制约和诸多挑战。关键词:掺氢天然气;氢气分离;掺氢比;经济性分析D O I:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 7-3 4 2 6.2 0 2 3.0 4.0 0 7 引用格式:谭遥,李琦,王捷,等.掺氢天然气分离工艺方案及经济性分析J.石油与天然气化工,2 0 2 3,5 2(4):4 1-4 7.T AN Y,L IQ,W A N GJ,e t a l.S c h e m e a n de c o n o m i c a n a l y s i so fh y d r o g e n-b l e n d e dn a t u r a l g a s s e p a r a t i o nJ.C h e m i c a lE n g i n e e r i n go fO i l&G a s,2 0 2 3,5 2(4):4 1-4 7.S c h e m ea n de c o n o m i ca n a l y s i so fh y d r o g e n-b l e n d e dn a t u r a l g a s s e p a r a t i o nT a nY a o1,L iQ i2,W a n gJ i e3,L i uQ i a n g4,H u a n gC h e n z h i1,B a nJ i u q i n g11.R e s e a r c hI n s t i t u t eo fN a t u r a lG a sT e c h n o l o g y,P e t r o C h i n aS o u t h w e s tO i l&G a s f i e l dC o mp a n y,C h e n g d u,S i c h u a n,C h i n a;2.P l a n n i n gD e p a r t m e n t o fP e t r o C h i n aS o u t h w e s tO i l&G a s f i e l dC o m p a n y,C h e n g d u,S i c h u a n,C h i n a;3.S o u t h e r nS i c h u a nG a sD i s t r i c t,P e t r o C h i n aS o u t h w e s tO i l&G a s f i e l dC o m p a n y,L u z h o u,S i c h u a n,C h i n a;4.N e wE n e r g yB u s i n e s sD e p a r t m e n t,P e t r o C h i n aS o u t h w e s tO i l&G a s f i e l dC o m p a n y,C h e n g d u,S i c h u a n,C h i n aA b s t r a c t:O b j e c t i v e H y d r o g e n-b l e n d e dn a t u r a l g a sp i p e l i n e i s r e g a r d e da so n eo f t h e i m p o r t a n tw a y s t o t r a n s p o r t h y d r o g e ne n e r g yi nl a r g es c a l e,l o wc o s ta n dl o n gd i s t a n c e.I no r d e rt oo b t a i nh i g hp u r i t yh y d r o g e n,h y d r o g e n-b l e n d e dn a t u r a lg a sn e e d st ob es e p a r a t e da t t h et e r m i n a l.A tp r e s e n t,t h ec o mm o nh y d r o g e ns e p a r a t i o n m e t h o d sa r en o td i r e c t l ya p p l i c a b l et ot h es e p a r a t i o no fh y d r o g e n-b l e n d e dn a t u r a l g a sw i t hl o wh y d r o g e nc o n c e n t r a t i o n.M e t h o d s T h i sp a p e r i n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e,p r o c e s sp a r a m e t e r s,a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ec o mm o nh y d r o g e ns e p a r a t i o nt e c h n o l o g y.C o m b i n e d w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fh y d r o g e n-b l e n d e dn a t u r a l g a s,t h ec o u p l i n gp r o c e s sr o u t eo fm e m b r a n es e p a r a t i o n+p r e s s u r es w i n ga d s o r p t i o n i sd e t e r m i n e d,a n dt h ee c o n o m i ca n a l y s i s i sm a d eo nt h es e p a r a t i o np r o c e s ss c h e m eo fh y d r o g e n-b l e n d e dn a t u r a lg a sw i t hh y d r o g e nb l e n d i n gr a t i oo f1 0m o l%,1 5m o l%a n d2 0m o l%.T h es e p a r a t i o nc o s to fe a c hs e p a r a t i o ns c h e m e i ss p e c i f i e d.R e s u l t sT h ec o m p r e h e n s i v es e p a r a t i o nc o s to f 1 0%h y d r o g e nb l e n d i n gr a t i oi s0.8 4 67y u a n/m3h y d r o g e n,t h ec o m p r e h e n s i v es e p a r a t i o nc o s to f1 5%h y d r o g e nb l e n d i n gr a t i o i s0.5 1 97y u a n/m3h y d r o g e n,a n dt h ec o m p r e h e n s i v es e p a r a t i o nc o s to f2 0%h y d r o g e nb l e n d i n gr a t i oi s0.3 8 26y u a n/m3h y d r o g e n.C o n c l u s i o n sT h es e p a r a t i o nc o s to fh y d r o g e n-b l e n d e dn a t u r a lg a sw i t hl o wc o n c e n t r a t i o ni sh i g h,a n di t sl a r g e-s c a l ea p p l i c a t i o ns t i l l f a c e se c o n o m i cc o n s t r a i n t sa n dc h a l l e n g e s.K e y w o r d s:h y d r o g e n-b l e n d e dn a t u r a l g a s;h y d r o g e ns e p a r a t i o n;h y d r o g e nb l e n d i n gr a t i o;e c o n o m i ca n a l y s i s 氢能由于具有清洁、高效、质量能量密度高、易于转换成不同能源形式的特点,被认为是未来新能源的重要发展方向之一,是实现“双碳”目标的重要能源载体。近年来,世界发达国家逐步开始大力支持和投资氢能产业发展,如美国、日本及欧洲的一些发达国家相继制定了氢能发展战略1。2 0 1 6年,我国国家能源局也发 布 了 能 源 技 术 革 命 创 新 行 动 计 划(2 0 1 6-2 0 3 0年)2,部署“氢能与燃料电池技术创新”任务,开启了我国氢能产业发展的新纪元。目前,氢气主要来源于传统化石燃料制氢、可再生能源制氢和工业副产氢3。传统化石燃料制氢由于其成本较低的特点,成为我国氢能产业发展初期的重要氢能供应方式之一4。但化石燃料制氢存在大量的C O2排放,所制得的氢气属于灰氢,终将被其他绿氢生产方式所取代。可再生能源制氢主要包括风、光等可再生能源发电制氢和生物质制氢,由于技术和成本问题,该技术目前尚处于实验室研究阶段。工业副产氢主要来自于焦炉煤气、氯碱工业和丙烷脱氢,工业副14 石 油 与 天 然 气 化 工 第5 2卷 第4期 CHEM I C A LE N G I N E E R I NGO FO I L&G A S 作者简介:谭遥,1 9 9 5年生,硕士,2 0 2 1年毕业于中国石油大学(北京)机械与储运工程学院石油与天然气工程专业,现就职于中国石油西南油气田公司天然气研究院,主要从事氢能和气田水资源利用研究工作。E-m a i l:t a n y a o_l e a f p e t r o c h i n a.c o m.c n产氢的杂质较多,氢气摩尔分数为3 0%8 0%,通常采用变压吸附(p r e s s u r es w i n ga d s o r p t i o n,P S A)提纯得到高纯氢气。刘洋5选取流量为1 3 00 0 0 m3/h、H2摩尔分数3 0%的半焦炉煤气,使用P S A工艺对氢气进行分离提纯,获得了29 0 0m3/h的高纯氢气,氢气回收率高达8 0%9 0%。于永洋等6使用膜分离+P S A耦合工艺回收炼厂重整副产氢,提高了炼厂制氢效率。随着氢能的发展和应用,氢能储运成为制约氢能大规模应用的重要环节。在大规模输送需求下,管道输氢成为最经济的输送方式7。然而,大规模新建氢气输送管道的投资巨大,成本高昂。研究表明,向在役天然气管道掺入氢气,通过天然气管网进行输送,在终端将天然气和氢气进行分离,可以大幅降低氢气的输送成本。本研究总结了常见的氢气分离技术,针对掺氢天然气低氢含量的特点,提出了适应掺氢天然气分离的氢气分离耦合技术方案,并对方案进行了经济性分析,旨在为天然气管道掺氢输送的发展提供参考。1 氢气分离技术进展1.1 氢气分离提纯主要工艺技术及对比目前,氢气分离提纯的主要工艺技术有P S A工艺、膜分离工艺以及深冷分离工艺等。在氢气分离提纯的过程中,由于氢气分离规模、原料气的杂质组成、氢含量、分离纯度、氢回收率等因素的差异,需要采用不同的氢气分离提纯技术。1.1.1 PP SS AA工工艺艺P S A工艺是利用固体吸附材料对不同气体组分吸附特性差异实现气体的分离和提纯的。随后发展出真空变 压吸附(v a c u u m p r e s s u r es w i n ga d s o r p t i o n,V P S A)、快速真空变压吸附(r a p i dv a c u u m p r e s s u r es w i n g a d s o r p t i o n,R V P S A)等 技 术。1 9 9 7年,R a y m o n d等8首次公开了V P S A过程的专利。余夕志等9以化肥厂合成气和重整氢为原料制取高纯度氢气,利用V P S A装置提纯氢气,得到纯度9 9%(摩尔分数,下同)的产品氢气,氢气回收率达到8 9%9 2%;在装置4 0%负荷条件下,实现产品氢气的操作成本为0.0 2 7元/m3,总费用为0.0 7 0元/m3,提高装置的负荷率,制氢的成本可进一步降低。L u b e r t i等1 0设计了V P S A用 于 从 甲 烷 蒸 汽 重 整 制 氢(s t e a m m a t h a n er e f o r m i n g,S MR)装置的P S A尾气中回收C O2,通过数值模拟的方法,评估了V P S A工艺的操作参数(如排气进料比、解析压力)对C O2分离纯度、回收率和能耗 的 影 响。结 果 表 明,使 用 改 进 的2床6步S k a r s t r o m循环,C O2的分离纯度和回收率分别达到9 6.4%和8 9.7%,相比于传统的2床4步S k a r s t r o m循环 下C O2的 分 离 纯 度 和 回 收 率 仅 为9 5.3%和7 7.4%,分离性能更加优越。陶薇等1 1通过建立吸附模型,模拟不同组分气体在吸附床中的穿透曲线和吸附循环过程,探究了V P S A的操作参数对穿透曲线和氢气提纯效果的影响。结果表明,通过调整吸附压力、进气流率、循环步数、吸附时间、冲洗时间以及升压时间等操作参数后,产品氢气纯度将提升,但会导致氢气回收率下降。RUAN等1 2在现有P S A-V P S A-S C工艺基础上设计了一种P S A-V P S A-S C/HM工艺,改进后的工艺流程可使氢气的回收率从8 3%提高到9 8%,并且氢气分离提纯的成本与改造前基本相同;进一步使用P o l a r i s TM模块取代V P S A单元,对分离工艺进行优化,新工艺流程的氢气回收率略低于9 8%,但是氢气的分离提纯成本降低了4.3%,装置的建设成本也有所降低。卜令兵1 3采用数值模拟的方法,研究了5床3组分的P S A工艺制氢流程,分析了吸附过程中各气体含量变化规律。1.1.2 膜膜分分离离工工艺艺膜分离工艺是利用膜对特定气体组分具有选择性渗透和扩散的特性来实现气体的分离和提纯1 4。可用于氢气分离的气体分离膜种类繁多,常见的氢气分离膜包括致密金属膜、无机多孔膜、MO F膜、有机聚合物膜以及混合基质膜1 5-1 6。最早用于氢气分离的气体分离膜是聚砜中空纤维膜,成功应用于合成氨厂的氢气分离回收1 7。以N i、P d、P t为代表的过渡金属元素及其合金制成的致密金属膜对氢气具有良好的选择透过性,应用前景良好1 8。殷朝辉等1 9研究了纯钯膜以及钯合金膜的透氢性能和抗杂质气体毒化性能,结果表明,钯膜在氢气的选择性和透过性方面均具有明显的优势,并通过添加A g、C u、A u等合金可以显著提高钯膜的稳定性和抗毒化性能2 0-2 2,但由于其生产工艺、成本和使用寿命等问题,将钯及其合金膜应用于工业大规模分离氢气仍面临一定的挑战性。沸石膜是最24谭遥 等 掺氢天然气分离工艺方案及经济性分析 2 0 2 3 常见的无机多孔膜。L a i等2 3在不使用有机模板的前提下,在不对称多孔氧化铝载体上制备出Z S M-5沸石膜,氢气的渗透率达到1.21 0-7m o l/(m2sP a)。L i u等2 4第一次在氧化铝基板上合成了连续互生的MO F-5膜 用 于 气 体 分 离,实 验 结 果 表 明,氢 气 在MO F-5膜中的扩展遵循K n u d s e n扩散行为。聚酰亚胺(P I)广泛应用于气体分离膜的制备,通常需要对P I进行预处理以提高膜的分离性能1 6。S h a o等2 5利用气相乙二胺(E D A)改性P I膜,实验结果表明,改性后的P I膜对H2/C O2的选择性渗透率显著提高。1.1.3 其其他他分分离离工工艺艺深冷分离是利用气体组分沸点的差异实现气体分离的方法。孟祥清2 6以某煤制天然气工厂合成混合气为原料,使用深冷分离回收氢气和甲烷。李有斌等2 7使用深冷分离提纯多晶硅还原炉尾气回收装置中的循环氢气,通过模拟表明,该工艺可以有效去除循环氢气中体积分数为7 0%的磷化氢和9 5%的砷化氢。金属氢化物净化法是利用储氢合金材料只与氢气发生反应的特性来实现氢气的分离和提纯 的2 8。王兴国2 9通 过 建 立 金 属 氢 化 物 储 氢 容 器 模 型,明 确 了吸/放氢过程中金属氢化物床和相变材料中传热传质的耦合过程。刘洋等3 0采用数值模拟的方法,建立了金属氢化物反应器的多物理场耦合模型,探究了氢热耦合传递机理,为金属氢化物储氢技术的应用提供了理论依据。1.1.4 分分离离工工艺艺技技术术对对比比上述几种氢气分离提纯技术比较见表13 1-3 2。由表1可知,上述氢气分离工艺技术各有优劣,在工程实践中,单一的技术往往无法满足生产需求。例如,膜分离工艺对原料气中氢气的含量要求较低,但分离氢气纯度较低,只适用于低氢含量气源的粗分离;P S A工艺表1 氢气分离工艺技术比较分离工艺杂质要求气质要求,y/%分离纯度,y/%工艺难度设备投资运行能耗氢气回收率/%操作难度P S A不高5 09 0 9 9.0 09 9.9 9简单 较低 较低6 09 5简单膜分离较高9 5.0 09 8.0 0简单 较低 较高8 59 5简单深冷分离不高2 09 5.0 0复杂高高8 09 5复杂金属氢化物净化高5 06 09 9.9 9简单 较低 较低9 09 5简单得到的产品氢气纯度较高,但对于低氢含量气源提纯,往往需要采用两段P S A才能达到要求,大幅增加了设备投资,且氢回收率较低3 2;深冷分离工艺的氢回收率最高,但相关装置建设投资、运行能耗较大,冷量回收也是该技术需要充分考虑的问题3 3;金属氢化物净化工艺得到的氢气纯度最高,但受限于对原料气杂质组成的要求较高。1.2 耦合分离工艺目前,国内外学者根据生产实际工况和生产需求,开发了不同分离技术优势互补的耦合工艺技术,其中以膜分离+P S A耦合的分离工艺最为成熟3 2,3 4-3 8。刘丽等3 6以某石化公司聚乙烯装置尾气为原料回收轻烃,采用膜分离+P S A耦合工艺,在提高了轻烃回收率的同时,得到了更高纯度的轻烃产品,为企业创造了很好的经济效益;党凯等3 2以某炼厂71 04m3/h氢气提纯装置为研究对象,分别对比了一段P S A、两段P S A耦合、膜分离+P S A耦合3种工艺的技术参数,结果表明,使用膜分离+P S A耦合工艺在氢气产量、回收率、经济效益等方面都远高于单一工艺。张崇海等3 9针 对 国 内 某 炼 油 厂 挥 发 性 有 机 物(v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s,VO C s)回收装置出口指标难以控制的问题,改进其P S A单元吸附剂装填方案和相关工艺段操作参数,使得出口净化气组分趋于稳定。2 掺氢天然气分离工艺方案本研究以某净化厂天然气为原料,针对不同掺氢比(1 0%、1 5%、2 0%),设计了“膜分离+P S A”的耦合工艺方案用于掺氢天然气中氢气的分离和提纯。原料气组成见表2。表2 原料气组成y/%组分掺氢比1 0%1 5%2 0%H21 0.0 0 01 5.0 0 02 0.0 0 0CH48 6.6 5 98 1.8 4 57 7.0 3 0C20.6 7 80.6 4 00.6 0 2C30.0 8 50.0 8 20.0 7 8C40.0 2 30.0 2 10.0 2 0C50.0 0 80.0 0 70.0 0 7C60.0 1 30.0 1 20.0 1 1N20.0 1 40.0 1 30.0 1 2C O22.5 2 02.3 8 02.2 4 0 注:原料气压力为4MP a,流量为1 00 0 0m3/h。34 石 油 与 天 然 气 化 工 第5 2卷 第4期 CHEM I C A LE N G I N E E R I NGO FO I L&G A S 分离出的天然气需要满足G B1 7 8 2 0-2 0 1 8 天然气 中一类商品天然气质量要求,分离出的氢气满足G B/T3 4 8 7 2-2 0 1 7 质子交换膜燃料电池供氢系统技术要求 中燃料电池对氢气的要求。2.1 工艺方案选择由于掺氢天然气低氢含量的特点,单一的氢气分离技术难以直接应用于大规模掺氢天然气分离提氢场景。可先使用膜分离工艺实现氢气产品的粗提,再进一步使用P S A工艺实现氢气产品的提纯。表3分别列举了使用膜分离 工艺、P S A工艺、膜分 离+一段P S A工艺、膜分离+两段P S A工艺的分离参数对比。表3 不同工艺参数对比分离技术氢气纯度/%氢气回收率/%投资(相对)膜分离5 0.0 08 5.0 01 0 0P S A8 0.0 05 0.0 02 6 5膜分离+一段P S A9 9.9 97 4.5 02 1 0膜分离+两段P S A9 9.9 97 5.0 02 7 0由表3可知:单独使用膜分离工艺和P S A工艺所得的产品氢气纯度远不达标,而膜分离+P S A耦合工艺的产品氢气纯度均达到了9 9.9 9%;对比P S A工艺和膜分离+一段P S A工艺,后者不仅产品氢气纯度和回收率大幅提升,装置投资也有所降低,这是由于原料气经过膜分离单元初步提纯后气体流量下降,P S A单元的处理规模大大降低,因此该工艺的装置投资有所降低;对比膜分离+一段P S A工艺和膜分离+两段P S A工艺,后者由于流程复杂,装置投资增加,产品氢气纯度保持不变,氢气回收率仅仅略微提升,这是由于膜分离+两段P S A工艺的第一段P S A解析气无法循环回收利用,造成氢气损失,因此膜分离+两段P S A工艺的综合氢气回收率仅提升了0.5%。对于从掺氢天然气经膜分离后的渗透气中提纯氢气的P S A装置,由于原料气的氢含量较低,为保证氢气回收率,采用抽真空方式进行吸附剂再生更为合理。2.2 掺氢天然气分离工艺方案管输掺氢天然气首先经过膜分离单元,非渗透气中y(H2)3%,通过压缩机增压后进入管道输送;通过氢气分离膜的渗透气,氢气得到初步的分离和提纯,y(H2)4 0%,渗透气压(表压)大于0.6 0MP a。膜分离工段主要控制参数如表4所列。表4 不同工艺参数对比控制参数膜分离入口温度/原料气压力/MP a渗透气压力/MP a非渗透气压力/MP a控制指标6 06 54.0 00.6 03.8 0渗透气进入V P S A单元,经过吸附、均压降压、逆放、真 空、均 压 升 压、产 品 气 升 压 等 流 程 后,得 到y(H2)9 9.9 9%的高纯度氢气;仍含有少量氢气的循环解析气经压缩机增压后重新进入膜分离单元,C O2等杂质气体再通过V P S A单元得到浓缩。工艺流程如图1所示。P S A工艺制氢常用的吸附剂有氧化铝、硅胶、活性炭、沸石分子筛、C O专用吸附剂等几类,不同类型的吸附剂对不同气体的吸附力不同,动态吸附量和解吸难易程度也不相同。需针对不同气源组分的原料气和不同的产品质量指标,选择不同种类的吸附剂配置。2.3 技术经济性分析2.3.1 分分离离成成本本分分析析掺氢比是影响掺氢天然气分离工艺最重要的因素,掺氢 比的高低直 接影响分离 效 率 和 分 离 能 耗。表5分别列举了1 0%、1 5%、2 0%掺氢比条件下掺氢天然气分离方案的关键技术参数。由表5可知,不同掺氢比条件下掺氢天然气的分离纯度均达到9 9.9 9%高纯氢的指标要求,氢气回收率随掺氢比的降低而有所下降,这是由于膜分离工段非渗透气中氢气的摩尔分数固定为不高于3%;随着掺氢比的升高,设备固定投资少量增加,主要表现在P S A工段压缩机处理规模大44谭遥 等 掺氢天然气分离工艺方案及经济性分析 2 0 2 3 幅提升带来的设备投资增加;单位体积氢气的分离能耗随掺氢比提升而大幅降低,主要是由于掺氢比的提升导致膜分离工段非渗透气增压处理规模降低及产品氢气的产量提升。表5 不同掺氢比分离技术参数掺氢比分离纯度/%氢气回收率/%设备投资/万元分离能耗/(M Jm-3)1 0%9 9.9 97 42 7 778.5 01 5%9 9.9 98 22 8 235.3 12 0%9 9.9 98 72 8 643.9 5表6 不同掺氢比分离方案生产公用工程消耗掺氢比电耗/(k Wh)仪表风量/m3循环水量/t低压蒸汽量/t1 0%0.8 4 970.0 2 680.1 0 870.0 0 01 71 5%0.5 2 420.0 1 610.0 6 760.0 0 01 02 0%0.3 9 200.0 1 140.0 4 940.0 0 00 7 注:消耗按生产1m3产品氢气计。表6分别列举了1 0%、1 5%、2 0%掺氢比条件下掺氢天然气分离方案的公用工程消耗,其中,电按照0.6 3 28元/(kWh)、循环水按照0.2 1 47元/m3、低压蒸汽按照3 1 6.4元/t、仪表风按照0.3 1 64元/m3计算,得到不同掺氢比条件下掺氢天然气分离的分离成本如图2所示。结果表明,掺氢天然气分离成本主要是设备投资折旧和压缩机能耗,以1 0%掺氢比分离方案为例,真空泵、非渗透气压缩机、解析气压缩机能耗占总分离成本的6 3.5%,这个比例随着掺氢比的提升而增加,2 0%掺氢比分离方案中真空泵、非渗透气压缩机、解析气压缩机能耗占总分离成本的6 4.8%;设备折旧成本随着掺氢比的提升反而降低,1 0%掺氢比分离方案中设备折旧成本占总分离成本的2 6.2%,2 0%掺氢比分离方案中设备折旧成本占总分离成本的2 5.3%。这是由于随着掺氢比的提升,分离设备的分离效率提高,氢气的产量也大幅提高,分摊到单位产品氢气的设备折旧成本降低。2.3.2 敏敏感感性性分分析析对各掺氢比分离方案进行敏感性分析,预测影响建设投资、产品价格、产品产量、经营成本4个因素对全部投资财务内部收益率(f i n a n c i a l i n t e r n a lr a t eo fr e t u r n,F I R R)的影响进行单因素分析,各因素变化分别在2.5%、5.0%、7.5%、1 0.0%时对项目盈利能力的影响。图3(a)、图3(b)、图3(c)分别为1 0%、1 5%、2 0%掺氢比分离方案的单因素分析结果。由图3可知,各因素的变化都不同程度地影响F I R R,其中产品价格的变化最为敏感,其后依次是经营成本、产品产量和建设投资。54 石 油 与 天 然 气 化 工 第5 2卷 第4期 CHEM I C A LE N G I N E E R I NGO FO I L&G A S因此,产品价格是构成项目抗风险能力的主要因素,企业应注意市场变 化,降低生 产物 耗,加 大 市 场 开 发力度。3 结论(1)通过分析对比膜分离工艺、P S A工艺、膜分离+一段P S A耦合工艺、膜分离+两段P S A耦合工艺的分离纯度、氢气回收率以及设备投资,比较了P S A工艺和V P S A工艺的特点,选定了适用于低掺氢比条件下的掺氢天然 气分离工艺 方案即膜分 离+一段V P S A耦合工艺。(2)通过对不同掺氢比条件下的掺氢天然气分离方案进行技术经济性分析,获得了各掺氢比条件下天然气的氢气分离成本,1 0%掺氢比的综合分离成本为0.8 4 67元/m3氢气,1 5%掺氢比的综合分离成本为0.5 1 97元/m3氢气,2 0%掺氢比的综合分离成本为0.3 8 26元/m3氢气。(3)通过分析不同掺氢比条件下的掺氢天然气分离方案的分离成本,明确了主要分离成本集中在非渗透气压缩机、解析气压缩机的能量消耗。(4)较低含量掺氢天然气分离成本较高,再加上原料氢气生产及管道运输的成本,“氢气掺混-管道掺氢输送-分离提纯”的技术路线尚面临较大的经济性制约4 0;中高含量氢气掺混面临氢气来源、管材适应性、市场需求等诸多因素限制,短期内还不具备应用条件。在未来的研究中可通过掺入低质氢气(如含较多杂质的工业副产氢)、分阶段分离氢气、开发高选择性氢气分离膜等方式进一步降低成本,以实现天然气管道低成本掺氢输送和分离。参 考 文 献1高慧,杨艳,赵旭,等.国内外氢能产业发展现状与思考J.国际石油经济,2 0 1 9,2 7(4):9-1 7.2国 家 发 改 委、国 家 能 源 局 下 发 能 源 技 术 革 命 创 新 行 动 计 划(2 0 1 6-2 0 3 0年)和 能源技术革命重点创新行动路线图 J.电力与能源,2 0 1 6,3 7(5):6 0 9.3周承商,黄通文,刘煌,等.混氢天然气输氢技术研究进展J.中南大学学报(自然科学版),2 0 2 1,5 2(1):3 1-4 3.4闫俊荣.煤基氢能:在氢能发展初期将发挥“兜底”作用J.中国石油和化工,2 0 2 2(8):7 3.5刘洋.变压吸附原理在工业制氢中的运用J.化工设计通讯,2 0 1 7,4 3(3):4 8.6于永洋,景毓秀,赵静涛.膜分离和P S A耦合工艺在某千万吨炼厂氢气回收装置的应用及运行情况分析J.化工技术与开发,2 0 1 8,4 7(1 0):5 5-6 0.7蔡黎,潘春锋,李彦,等.多气源环境下进入长输管道气质要求探讨J.石油与天然气化工,2 0 1 4,4 3(3):3 1 3-3 1 7.8R AYMON DS H,J AMES.V a c u u m p r e s s u r es w i n ga d s o r p t i o np 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cw a t e r-g a ss h i f ts t r e a m sc o n t a i n i n gh y d r o g e ns u l f