氢催化燃烧供热脱氢系统及其能效分析

李海港，吴 飞，程 臣



氢催化燃烧供热脱氢系统及其能效分析

李海港，吴 飞，程 臣

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

有机液体储氢密度大但脱氢温度高，因此如何提供热源已成为急需解决的技术难题。本文设计的催化燃烧供热脱氢系统，具有系统内自供氢、低温、无火焰、安全的优点。建立脱氢系统的能效分析模型，并计算了不同储氢载体脱氢系统的能效。研究结果表明，氢气催化燃烧可以满足有机液体脱氢系统的能量需求。通过提高有机液体脱氢效率，降低尾气外排温度可以提高系统效率和能效。开发的能效分析模型可用于筛选有机液体储氢载体。

氢 催化燃烧 有机液体 能效分析

0 引言

氢燃料电池直接将氢气的化学能转变成电能，具有效率高、环境友好、无噪音、模块化等特性，被认为是首选的清洁能源技术[1]。氢气的储运是燃料电池运行中的关键技术之一。由于氢气的理化特性，高压低温储运氢气存在极大的风险[2]。有机液体储氢具有储氢量大、密度高、效率高，氢载体储存、运输和维护安全方便，加脱氢反应高度可逆，储氢剂可循环使用等特点，该技术由Sultan等人于1975年提出，国内外开展了大量的研究[3]。目前已经开发出苯、甲苯、萘等芳香烃类和咔唑、乙基咔唑等杂环类等储氢材料[4-7]。但有机液体氢化物脱氢温度高于160℃，质子交换膜燃料电池的余热无法满足脱氢对能量的需求。燃料电池供电提供脱氢所需能量，热效率较低，对氢气需求量大。因此，热源已经成为限制有机液体储氢技术广泛应用的难题。

为解决以上难题，本文设计了氢气自供应催化燃烧供热脱氢系统，并建立了能效分析模型。与电加热脱氢相比，热效率高，具有极高的应用推广价值。

1 系统描述

氢催化燃烧供热脱氢系统包括氢氧催化燃烧单元、氢空供给单元、有机液体（H2-OL）储运单元和电控单元四部分，工艺流程如图1所示。氢氧催化燃烧单元主要由三个换热器组成。1）催化燃烧换热器H101，列管式。以氢氧催化燃烧为热源，以H2-OL为冷介质，两流体并流换热。氢氧催化燃烧温度控制为240℃，H2-OL流体控制在200℃，此时H2-OL发生脱氢反应。2）原料换热器H102，板翅式。以脱氢后有机液体（OL）为热介质（200℃），H2-OL原料为冷介质（常温），两种流体逆流换热。3）空气换热器H103，板翅式。以催化燃烧尾气为热介质（240℃），空气为冷介质（常温），两种流体逆流换热。氢空供给单元由气液分离器SP201、干燥器V203、氢气缓冲罐V201、氮气储罐V202和离心风机P201组成。H2-OL脱氢再经气液分离、干燥后得到高纯氢气，其中一部分氢气输送至氢氧催化燃烧单元，用于维持脱氢反应，剩余氢气引入燃料电池电堆发电。H2-OL储运单元主要由原料储罐V301、OL储罐V302和原料输送泵P301组成。H2-OL原料经隔膜泵计量、增压后输出，进入原料换热器H102预热后进入催化燃烧换热器脱氢。电控单元实现温度显示与控制、液位显示与控制、压力显示与控制、流量显示与控制功能。

该系统除启动时需在储罐V201内预存一定量氢气外，正常运行时不需外部提供氢燃料，实现了储氢、脱氢和供氢的一体化，此外具有制氢速率可调、在线供氢、自动控制、安全可靠的诸多优点。

2 能效分析模型

为简化模型，忽略了泵与离心风机的功耗，模型推导如下。

2.1 燃料电池需氢量

根据燃料电池功率计算所需氢气量H（g/min）。

式中：FC为燃料电池功率kW，FC为燃料电池效率，H为氢气的热值，此处取低热值，1.2×105kJ/kg。

2.2 氢催化燃烧单元

系统热源来自于氢氧催化燃烧，进料均以常温进入系统，设定为25℃，并以此为标准温度计算热能。

1）原料预热

式中H2-OL和OL依次为有机液体氢化物和有机液体的比热容J/(g∙K)。

根据物料平衡根据原理存在关系式（3）和（4）。

H+FH=×ηe×H（4）

1'=1+εe2×（2-3） （5）

2）空气预热

将式（6）化简整理，则空气预热后温度按式（7）计算。

4'=4+εe3×（5-5'） （7）

3）催化燃烧

式中H为催化燃烧中氢气的转化率。

燃烧吸热量C（kJ/min）为燃料升温所需热量，即氢气和空气升温至燃烧点所需热量。其中氢气来自于氢气缓冲罐，未经预热，其温度为气液分离器工作温度3（℃）。

将式（10）带入式（7）整理后得式（11）：

热量差FH-C传递给H2-OL用于脱氢，脱氢所需热量包括原料升温至脱氢温度2（℃）吸热量OL（kJ/min）、脱氢反应焓HE（kJ/min）和环境散热E（kJ/min），此处设环境散热率E。

E=（FH-C）×E（14）

式中ΔR为脱氢反应焓，kJ/mol氢气。

根据能量守恒得：

FH-C=OL+H+E（15）

2.3 燃氢比

燃氢比为供给催化燃烧用氢量FH与脱氢总量的比值。

2.4 脱氢系统效率

系统效率eh为供给燃料电池的氢气流量H和原料H2-OL中储氢量HOL的比值。

2.5 脱氢系统能效

系统能效he为脱燃料电池用氢量所需能量FC和催化燃烧放热量FH的比值。

3 算例分析

3.1 计算条件

算例分析所用数值见表1。

表1 算例分析必要系统参数

以我所专利有机液体和文献[7]中提供的有机液体储氢材料为例进行对比分析，其物理性质见表2。

3.2 储氢载体对比

系统能效分析结果列于表3。对比三种储氢载体，在上述计算条件下，我所专利储氢载体以脱氢过程效率64.93%、脱氢系统能效67.22%、氢气燃烧比27.86%略优于文献已报道的乙基咔唑和二苄基甲苯。与燃料电池供电加热相比，催化燃烧供热方案优势明显。

3.3 H2-OL脱氢体系物料与能量衡算

对H2-OL脱氢系统进行物料衡算，结果列于表4。

表2 有机液体储氢载体物理性质

表3 系统分析结果

表4 物料衡算 g/min

表5 能量衡算表

*只计算释放出氢气折算的化学能，取氢气的低热值；**氢气取低热值时，燃烧尾气中水蒸气的潜热不计入

经过计算，输入与输出误差为零，则脱氢系统遵守物料守恒原理，模型无误。

经过计算，能量输入与输出误差为-0.35%，小于可信度3%，则系统遵守能量守恒，各物料的温度参数计算准确。

3.4 能量分析及改进建议

氢催化燃烧脱氢系统能量来源为H2-OL内含氢气的化学能，最终转变为供应燃料电池用氢气的化学能、物料带走的热能、脱氢不彻底带走的化学能、反应吸热、环境能量损耗五部分，将数据列于表6。

表6 能量分析

由表6可以看出，系统内能量损耗为反应吸热13.73%、脱氢不完全造成损耗10.00%、物料带走热量6.28%和环境损失3.97%。提高系统能效的主要途径为：首先，通过研发高性能催化剂，降低脱氢吸热焓、提高脱氢效率。其次，尾气带走热量11.7 kW，占比5.28%，降低尾气排放温度可明显提高系统能效。再次，环境损失中，催化燃烧加热器损失较多，为5.39 kW，通过真空保温途径可进一步提高系统能效。

4 结论

本文建立了以氢氧催化燃烧供热，有机液体储氢载体的脱氢系统，并建立了能效分析模型。以三种载体为例进行了算例分析及对比，得出以下结论：

1）与燃料电池供电脱氢相比，本文设计的催化燃烧供热脱氢系统优势明显。

2）物料衡算与能量衡算结果表明，本文建立的能效分析模型准确。

3）脱氢系统能效影响因素按脱氢率、物料带热和环境散热顺序下降，提高能效的首要途径为研发高性能催化剂，降低脱氢吸热焓、提高脱氢效率。

[1] 李东红, 连晓峰等译. PEM燃料电池: 理论与实践（原书第2版）[M]. 北京: 机械工业出版社, 2016: 9-10.

[2] 郑津洋, 开方明, 刘仲强等. 高压氢气储运设备及其风险评价[J]. 太阳能学报, 2006, 27(11): 1168-1174.

[3] 毛宗强. 氢能—21世纪的绿色能源[M]. 北京: 化学工业出版社, 2005: 156-158.

[4] T. He, Q. Pei, P. Chen. Liquid organic hydrogen carriers[J]. Journal of Energy Chemisrty, 2015, 24(5): 587-594.

[5] A. Bourane, M. Elanany, T. Pham. An overview of organic liquid phase hydrogen carriers[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2016, 41(48): 23075-23091.

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[7] 伊立其, 郭常青, 谭弘毅等. 基于有机液体储氢载体的氢储能系统能效分析[J]. 新能源进展, 2017, 5（3）: 197-203.

Dehydrogenation Heated by Hydrogen Catalytic Combustion and its Efficiency Analysis

Li Haigang, Wu Fei, Cheng Chen

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TQ032.41

A

1003-4862（2018）12-0001-05

2018-07-10

李海港(1984-)，男，博士，高级工程师。研究方向：氢能化工。E-mail: lihigang@163.com