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我国氢气压缩机发展探讨及研判

来源: 更新:2021-01-06 19:59:30 作者: 浏览:296次

我国最早的氢气压缩机是上世纪六十年代由上海精业机器厂生产的氢气压缩机,8台大型红旗牌氢气压缩机用于液氢工程。1966年作者参与过该机的安装。

 

2000年中外合资天津梅塞尔凯德公司在沧州化工厂建厂,用氯化工的尾气回收氢气,并净化、压缩、装瓶。运到北京气体公司,准备供2008年奥运会1/3氢气汽车之需,后来由于氢气储存问题而停产。该项目配备有4台由无锡第二压缩机厂提供的2列4级氢气压缩机,作者时任公司技术总监,参与项目的研究建设等工作。

 

这种项目与大型液氢工程项目相比是小巫见大巫。

 

国内用于炼油厂的大型氢气压缩机是由原沈阳气体压缩机开创的,为我国石化行业加氢服务。开始有新氢压缩机,循环氢压缩机,后来沈阳鼓风机公司开发了离心循环氢压缩机,可靠性高,逐步取代了活塞式大型循环氢压缩机。

 

小型氢气压缩机则是另一种情况。

 

与电动汽车几乎同时发展的氢燃料汽车推动了小型氢气压缩机的发展,不少的压缩机制造商在这一领域开始发力。

 

1 氢燃料电池汽车的发展,促进了氢气压缩机的振兴

 

作为给氢燃料电池汽车提供氢气的基础设施,加氢站的数量也在不断增长。

 

最早的氢气加注站也许可以追溯到1980年代位于美国Los Alamos的加氢站,当时美国阿拉莫斯国家实验室为了验证液态氢气作为燃料的可行性而建造了该站,之后越来越多的加氢站逐渐建成。据FuelCell Today统计,截至2006年,全球范围内建成的加氢站已达140多座,北美新建加氢站数量在全世界新建加氢站中的比重增大,发展更为迅速。同时除德国外,其它欧洲地区也加快了氢能基础设施的研究建设步伐。美国处于规划中的加氢站有40多座,占绝大多数,挪威、意大利和加拿大这三个国家也均有5-7座加氢站处于规划之中,

 

2018年9月28日,武汉首批氢燃料电池动力公交车在中国光谷武汉东湖新技术开发区359路公交线路试运行,武汉首座加氢站同步启用,标志着武汉市氢燃料电池动力公交车全面进入商业化示范运行新阶段。

 

潍柴也早早布局了氢能动力,并已经取得了丰硕成果。2018年,潍柴全面启动燃料电池产业园建设项目,建成了两万套级产能的燃料电池发动机及电堆生产线,是目前全球最大的氢燃料电池发动机制造基地。2019年以来,潍柴先后在山东潍坊、聊城、济宁、济南等地批量投放氢燃料电池公交车。在潍柴的助力下,山东省建设了6座加氢站,7条公交运营专线,陆续投放氢燃料电池公交车超过200辆,累计运行达130万公里,是全球氢燃料公交线路最密集的区域之一。潍柴也由此成为了全球氢燃料电池商用车区域性示范投放产品最多的企业之一。目前潍柴集团已经建立起“单电池-电堆-发动机-整车”的氢燃料商用车全产业链。

 

2020年7月30日,广州市发展改革委官网对外发布《广州市氢能产业发展规划(2019-2030)》(简称“《规划》”)。《规划》中提出,到2022年,环卫领域新增、更换车辆中燃料电池汽车占比不低于10%;公交、物流、工程服务、仓储、港口等领域燃料电池汽车示范运行不低于3000辆。建设绿色氢电综合调峰示范应用电站1座,建成加氢站不少于30座。氢能产业实现产值预计200亿元以上。

 

到2025年,培育广州氢能及燃料电池相关企业超过100家。公交、环卫领域燃料电池汽车占比不低于30%。建设绿色氢电综合调峰电站4座,建成加氢站不少于50座。氢能产业实现产值预计600 亿元以上。到2030年,建设绿色氢电综合调峰电站不低于10座,建成加氢站100座以上。氢能产业实现产值预计2000亿元以上。

 

目前,潍坊市已建成两座加氢站和一座加氢加气合建站,另有两座正在建设,预计2021年6月底建成,届时潍坊将再新增日加氢能力1500公斤。潍坊市区上线运行氢动力公交车辆100余辆,累计运行里程近100万公里,积累了丰富的车辆运行数据,为车辆不断改进和发展提供了大量的基础参数,为推动城市公交系统助力新旧动能转换作出了积极贡献。近期,山东省政府新闻办举行新闻发布会,解读《山东省氢能产业中长期发展规划(2020-2030年)》并回答记者提问。山东省住建厅副厅长周善东介绍,按照山东省加氢站建设规划目标,到2022年要累计建成加氢站30座,目前全省在运加氢站6座。周善东表示,目前正在组织制定《山东省加氢站技术导则》和《山东省加氢站建设运营管理办法》,主要包括加氢站设计、建设管理相关技术要求、加氢站审批流程等有关内容。

 

由此可以看出我国加氢站布局的一角。可以看出氢气压缩机的潜力。

 

2 氢气压缩机占加氢站投资的30%

 

氢气压缩机目前占建设总成本的30%,是加氢站建设降低成本的关键。由于氢气具有密度低、能量密度小的特点,氢气压缩机必须要具备承压大、流量大、安全和密封性好的特质,尽可能的追求较少的能源损耗,目前国内加氢站较多采用的是活塞式和隔膜式压缩机。

 

1)国际上活塞式压缩机的输出压力可达到100MPa,流量为300Nm3/h。其中,HydroPac公司研制的压缩机输出压力为85.9MPa,流量为430kg/h,较为成熟。国内亦有几家压缩机制造商生产这种压缩机。

 

2)我国从上世纪开始引进隔膜式压缩机,现在国内亦有不少厂家生产隔膜压缩机,除V型机外,亦有大型的对称平衡型隔膜压缩机。缺点与活塞式类似,也仅用于中小排量和高压的工况。较先进的压缩机排气压力可达100MPa,流量为200~700Nm3/h,效率可达80%~85%。其中美国的三层金属隔膜结构压缩机输出压力超过85MPa。国内的该类压缩机压力仅有45MPa,且流量较小,实际的示范应用中故障率较高,同时87.5MPa压力等级压缩机还处于试样阶段,关键部件仍依赖进口。

 

3)线性压缩机直接将电磁力转化为活塞往复运动的驱动力,能量使用效率较高,且结构简单省去了大量的支撑部件,经济性潜力较大。美国为实现其DOE指定的提效、降本目标,已开始研制86~95MPa、气体排量高于112Nm3/h、效率超过73%的线性压缩机。该类压缩机尚未有应用实例,但其是未来压缩机成本降低的一个方向。西安交通大学在上世纪亦有硕士研究生在加强研究这种压缩机。

 

4)2016年2月22日,林德(韩国)与韩国领先的绿色发展公司Energy & Marine Solution Co. Ltd(以下简称“EM”)签署了一份合作协议,以推进在韩国的加氢站业务开发项目,并通过合作增加公司的业务竞争力。该协议将两大公司的优势与能力强强联合,以合作的形式提供整体解决方案,其深远意义不言而喻。EM与林德(韩国)的合作已初见成效,双方共同开发的新型KGS氢测试站使EM最近荣获了一个奖项。在KGS的测试中心,林德(韩国)与EM Solution各展所长,由林德(韩国)提供离子压缩机技术并负责氢气供应,而EM Solution则负责加氢站的建设与维护工作。

 

离子液体压缩机采用低熔点盐代替活塞,使用寿命长、比活塞式可节省20%能耗。目前林德集团研制的该类压缩机从最初的500个零件降低为8个,成本已大幅降低,应用到加氢站的离子液体压缩机排气压力为45~90MPa、流量为90~340Nm3/h,效率65%以上,最高的排气压力可达100MPa,排量为376~753Nm3/h。

 

离子压缩机在某些方面显示了作为加氢站压缩机的特点。

 

该技术目前已获专利。与金属活塞压缩的不同之处在于,本解决方案采用一种离子液体,通过其上下运动对氢气进行压缩。此液体由定制盐分子组成,其特殊的理化属性能够防止其与氢气混合。此外,因压缩所产生的热量能够通过气缸直接散热,而金属活塞的散热必须通过热交换才能实现。

目前,林德已为100多家加氢站提供此先进技术,在全球市场份额中位居第一。林德(韩国)今年有望为当地政府机构供应两台离子压缩机产品,公司将通过供应高质量的加氢站产品,积极响应韩国政府降低碳排放量的政策量。

 

林德(韩国)市场开发经理Changyeol Choi表示:“我们非常荣幸能够与EM Solution建立互补性的合作关系,EM Solution在韩国拥有丰富的建设经验,将两大公司的优势与资源相结合,十分有利于强化韩国加氢市场的发展。”

 

林德展出的离子压缩机可通过5级压缩对气态氢进行压缩,压缩以后氢气被输送至下游使用,通过加氢枪为燃料电池车加注。该离子压缩机最高压力90MPa,具有集约、高效等特点。

 

3 氢气来源决定着氢气压缩机的未来发展潜力

 

氢气压缩机的发展依赖于氢气来源。

 

我国氢气主要来源于炼钢厂尾气、焦炉煤气(66%)、氯碱工业副产氢、天然气、甲醇、液氨重整。焦炉煤气中含硫量较高,会引起催化剂中毒从而减少电堆寿命,加装脱硫装置会大幅增加系统成本,因此目前氢燃料电池的氢气主要来源于氯碱工业副产氢。

 

正如本文开始提到的氯化工氢气回收那样,目前我国氯碱副产氢产能约76万吨/年,完全可满足目前氢燃料电池汽车需求,叠加天然气、甲醇、液氨裂解的氢气产能,合计278万吨/年,可供68万辆氢燃料电池汽车使用,其中氯碱副产氢即可供应19万辆汽车的氢气需求,因此短期内氯碱副产氢能完全满足氢气用量。

 

随着未来氢燃料电池汽车的快速增长,远期氢气供应依然不足,电解水制氢有望成为未来氢气生产的主要来源。电解水制氢目前唯一缺点是耗电量大导致成本过高,约在2.5~3.5元/Nm3之间,而氯碱副产氢氢气成本仅1.3~1.5元/Nm3。电解水制氢成本来源主要是电耗,能耗水平约为4.5~5.5kWh/Nm3,能效在72%~82%之间,成本相当于30~40元/kg,用电解法生产气态氢的价格比汽油约高65%,如果生产液态氢,则比汽油高约260%以上。

 

基于光伏发电、风电和水电调峰需要大量蓄电池,用电解法生产气态氢也是一种调峰的重要手段,其经济价值较高,未来将是氢气的重要应用来源领域之一。

 

来源:氢能观察

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