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| 绿氨制氢工厂设计 |
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发布者：zq1229 发布时间：2025/9/12 9:35:35 阅读：25次 【字体：大 中 小】 |
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绿氨制氢工厂设计
侧重工业示范阶段的工程视角，兼顾技术、经济与安全环保。
一、项目定位与总体架构
1. 产品链定位
以可再生电力为一次能源，通过电解水制得绿氢，耦合空分装置产氮，工艺合成液氨，形成“绿电—绿氢—绿氨”零碳主链条。产品可向下游化肥、航运燃料、储氢介质。
2. 总体架构
“源网荷储一体化”为顶层架构：
- 源：风光互补发电（建议风光容量比 7:3，利用率≥35%）；
- 网：自建220 kV 场内汇集站，不设外送，确保“绿电全部自发自用”；
- 荷：电解水工段、空分工段、合成氨工段、公辅系统四级负荷分级；
- 储：氢侧中压缓冲罐+氨侧低温储罐双缓冲，可覆盖≥8 h 额定产能，实现“源-荷”波动解耦。
二、工艺技术路线与关键参数
1. 绿氢工段
- 技术路线：12000 Nm³/h 模块化碱性电解槽（ALK）集群，单槽直流电耗≤4.2 kWh/Nm³，负荷调节 10–110%，冷启动时间≤20 min。
- 配置：气液分离+纯化一体化撬块，出口氢纯度≥99.999%，露点≤-70 ℃。
- 波动适配：采用“集群-分组-槽级”三级切除策略，配合源侧预测算法，实现秒级功率跟踪。
2. 空分工段
- 采用低压分子筛预冷+双塔精馏，氮气产量 4000 Nm³/h，纯度≥99.99%，氧气副产外卖。
- 电耗≤0.35 kWh/Nm³ 氮，负荷调节 50–100%，与制氢段同步变负荷。
3. 合成氨工段
- 柔性氨合成工艺包：15 万吨/年，设计压力 15 MPa，温度 380–420 ℃，采用铁-钴基低温催化剂，10–100% 连续运行，吨氨综合能耗≤27 GJ。
- 反应器：径向-轴向组合床，三床两段换热，单程转化率≥18%，循环比 3.5。
- 一键变负荷 APC：基于模型预测控制（MPC），实现“源-氢-氨”多稳态切换，负荷变化率≥5%/min。
4. 储运与公用工程
- 液氨球罐 2×5000 m³，-33 ℃低温储存，BOG 回收压缩再液化。
- 循环水采用干湿联合塔，补水优先使用处理后的生活污水，零排放。
- 设置 20 MW 电锅炉+10 MWh 熔盐储热，用于机组冷启动及精馏塔再沸器。
三、系统集成与布置要点
1. 模块化与撬装化
电解、压缩、合成分别采用 10 MW、30 kt/a 标准撬块，可并行扩建，缩短建设周期 30%，降低安装费用 15%。
2. 总图布置
- 按“一轴三片区”布置：
- 东北轴：220 kV 升压站→制氢区（ALK 集群、氢气压缩）；
- 中部：空分/氮压、合成氨、氨罐区；
- 西南：综合泵房、污水站、备品备件库。
- 氢气管道采用 316L 不锈钢，管廊与电缆桥架分层布置，间距≥6 m，满足 GB 50177-2022 防爆要求。
3. 能量耦合与废热回收
- 合成氨反应热 1.8 MW，用于预热锅炉给水，年节约标煤 1500 t；
- 电解槽冷却水 65 ℃，引至溴化锂机组制取 7 ℃冷水，供中央控制楼空调，年节电 80 万 kWh。
四、安全环保与职业卫生
1. 危险源分级
按 GB 36894-2018 进行 QRA：
- Ⅰ级（易燃）：氢气、氨气；
- Ⅱ级（助燃/爆炸）：氧气；
- Ⅲ级（高压）：15 MPa 合成回路、电解槽 1.6 MPa。
最大可信事故：氨罐 10 mm 全径泄漏，毒性致死距离 280 m，厂区设置 500 m 卫生防护距离。
2. 安全保护层（LOPA）
- 独立保护层：SIS 切断阀、爆破片、冷冻水联锁、泡沫-水喷淋系统；
- 气体检测：H₂ 红外三波段、NH₃ 电化学，报警两级，与 DCS+SIS 双网冗余；
- 应急响应：15 t 氨泄漏应急池+酸喷淋中和，30 min 内完成倒罐。
3. 环保排放
- 废水：含氨工艺冷凝液采用汽提-生物硝化-A/O 工艺，出水氨氮≤5 mg/L，回用于循环水。
- 废气：合成放空气经 PSA 回收氢后，余气进 RTO 热力氧化，NOx≤50 mg/m³。
- 噪声：对压缩机、循环泵设置隔声罩+消声器，厂界昼间≤55 dB(A)。
五、运行管理与数字化
1. 负荷动态调度
建立“源-网-氢-氨”一体化调度平台：
- 日前：基于风光功率预测+氨订单排产，优化电解槽启停组合；
- 日内：滚动 MPC，每 5 min 下发负荷设定值，跟踪误差≤±2%；
- 实时：槽级 PCS 响应 AGC 信号，上升速率≥10%Pn/min，参与电网调峰辅助服务。
2. 设备完整性管理（AIM）
- 电解槽：隔膜寿命在线监测（电压分布+超声测厚），预测性维护周期 6 个月；
- 合成塔：床层温差趋势分析，催化剂活性年衰减≤1.5%，制定 8 年更换策略；
- 转动机械：采用 ISO 13374 标准，振动+油液+红外三合一诊断，故障预测提前 30 d。
3. 数字化交付与孪生
- 设计阶段采用 3D 三维建模，交付数字孪生底座；
- 运维阶段接入 20000+测点，构建 AI 异常检测模型，误报率<2%，年减少非停 5 次。
六、经济性测算与碳资产
1. 投资与成本（15 万吨/年，可研口径）
- 建设投资：18.5 亿元（其中制氢 45%、合成 25%、储运 15%、公辅 15%）；
- 静态单位投资：1.23 万元/t NH₃；
- 满负荷制氨成本：2850 元/t（风光电价 0.18 元/kWh，催化剂 8 年摊销）；
- 与传统煤基氨（3100 元/t）相比具备竞争优势，若考虑碳价 100 元/tCO₂，绿氨溢价空间扩大至 350 元/t。
2. 碳资产收益
- 按吨氨减排 1.8 tCO₂ 计，年减排 27 万吨，CCER 收益 2700 万元（100 元/t）；
- 产品获得欧盟 ISCC 认证，出口溢价 30–50 美元/t，年增利 3000–5000 万元。
七、项目实施
阶段 时间 关键节点
可研批复 T0 完成环评、安评、水土保持批复
EPC 授标 T0+3 个月 签订设计、采购、施工总包合同
长周期设备订货 T0+5 个月 电解槽、合成塔、氨压缩机合同生效
土建交安 T0+12 个月 主装置区基础及钢结构完工
首台电解槽产氢 T0+24 个月 完成 30% 产能化工投料
性能考核 T0+30 个月 连续 72 h 满负荷运行，能耗、排放达标
竣工验收 T0+36 个月 取得安全生产许可证，转入商业运营
八、结语
绿氨制氢工厂的核心挑战在于“可再生波动”与“化工稳态”之间的深度耦合。通过模块化装备、柔性氨合成工艺、一体化调度平台三大抓手，可在技术经济可行前提下实现零碳氨的规模化生产。随着风光电价进一步下降、碳定价机制完善，绿氨将在化肥、航运、储氢等多场景率先实现商业化盈利，成为能源转型的重要支点。
参考文献
1.《氢，氮、氩气体设备技术和应用》，2006.气体设备团队
2.《碱性制氢技术培训》，2006.气体设备团队
3.《碱性制氢技术》，2006，气体设备团队
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