能源,权力

在工业中使用氢气

看氢气,从一代开始将其注入气体网络,以脱碳钢铁行业的作用

天然气技术 2021年4月1日
来源:天然气技术中心

The industrial sector is one of the most difficult parts of the economy to decarbonize, and it’s on track to becoming the largest source of U.S. greenhouse gas (GHG) emissions within the next 10 years, according to a Dec. 2020 report by the Rhodium Group titled “Clean Products Standard: A New Approach to Industrial Decarbonization.”

制造业的排放占美国工业排放总量的60%以上。尽管制造业是一个多元化的分支行业,但大部分排放来自少量温室气体密集型产品的生产,包括基础化学品、钢铁、水泥、铝、玻璃和纸张。虽然这些产品/行业都很重要,但本文只涉及炼钢,还讨论了氢气生产及其注入天然气网络。

氢生成

常见的氢气产生方法包括蒸汽甲烷重整(SMR),电解和生物质气化。最常见的方法是蒸汽甲烷重整,其中天然气在蒸汽和催化剂存在下转化为氢和二氧化碳。超过95%的世界氢气由化石燃料生产,而不仅仅是来自SMR过程。在该反应中,天然气在升高的温度下与蒸汽反应以产生一氧化碳和氢气。随后的反应 - 水 - 气体移反应 - 然后用一氧化碳反应额外的蒸汽以产生额外的氢和二氧化碳。

在2020年的11月2020年题为“钢铁中的氢碳化,”Linde国家商业发展总监罗马格罗斯曼,将传统的SMR过程描述为成熟高效可靠。然而,该过程产生高碳排放 - “100%的公司2被排放。但是有碳捕获和储存(CCS)的潜力,可以产生所谓的蓝氢,具有降低的碳强度。使用可再生煤气原料的SMR中的氢气生产,最终通过可再生电力提供的电解箱将进一步降低氢碳强度,以终极净零或绿色状态。上述两种生产方法是商业上可获得的,并通过林德练习。“

另一个过程是气化,将生物质、煤、天然气或蜡转化为合成气。这种气体主要由氢气和一氧化碳组成,但也可能含有少量的甲烷、乙烷、丙烷、火山灰和焦油。“井内气化”将井内的石油和天然气转化为氢气和一氧化碳2。氢气漂浮到顶部进行提取;的有限公司2留在井里。同样,它产生来自化石燃料的零碳氢。

绿色通道。加拿大天然气技术中心(NGTC)的项目工程师Nicolas Bombard在一篇题为“绿色氢:一种脱碳天然气网络的方法”的报告中指出,电解和气化是最先进的技术,但有前途的研究正在其他途径上进行。该报告于2021年2月25日在Webathon举行的技术和市场评估论坛(TMAF)上发表。

电解的工作原理是将直流电源连接到放置在电解质溶液中的两个电极上。这导致氢出现在阴极,氧出现在阳极。电解技术包括碱性、聚合物电解质/质子交换膜(PEM)、阴离子交换膜和固体氧化物电解电池(SOEC)(见表1)(见侧栏“UCI和SoCalGas领导DOE绿钢努力”)。

来源:天然气技术中心

来源:天然气技术中心

生物质气化。在先前的子部分中提到了气化,该方法将该方法转化为合成气或合成气。合成气主要是h2,co和co2,但也有一些CH4.和水蒸气。

生物质热转化为合成气的步骤包括干燥、热解、燃烧和还原。干燥可以消除燃料中的水分。热解是在没有氧气的情况下,在200℃到600℃的温度下,通过加热对有机物进行化学分解;产生气体和木炭。燃烧是木炭在高温(1200 ~ 1500°C)下的氧化;释放热量(在其他步骤中使用)。还原是指燃烧产物(主要是CO2水蒸气)与高温碳(木炭)反应以生产CO和H.2

在这四个步骤之后需要其他过程,因为合成气仅为30%至60%H.2;H.2产量取决于所用的生物质。CO与水在催化剂存在下的反应增加H.2屈服。这被称为水气移反应。然后H.2通过压力摆动,胺洗涤,膜或低温蒸馏从合成气分离。其他后处理可以用于制造合成的生物甲烷(甲烷化)或生物燃料。

将氢气注入气体网络

已经提出将氢混合到现有的天然气管道网络中作为增加可再生能源系统输出的手段。但是,这比做更容易。

注射h的好处2进入天然气网络包括:

  • “绿化”天然气网络
  • 脱碳部分经济
  • 从间歇性的可再生能源储存电力。

但是,这样做可能会对气体网络本身产生后果,一些结束用例和安全性。h的潜在问题2注入包括:

  • 物质完整性:在某些条件下,h2可以使钢材更脆,它可以通过塑料。
  • 泄漏:H2是比甲烷更小的分子,通过关节更容易泄漏。
  • 燃烧:H2每立方英尺的气体能量含量较低,加上氢的不同行为影响燃烧器;对工业设备(较窄的宽容)更为关键。
  • 燃气发动机/涡轮机(动力装置/行业):对H更敏感2比燃烧设备。
  • 易燃:更宽的点火范围(4 - 75%的空气和5 - 15%的天然气)。
  • 泄漏检测:常规泄漏探测器对氢不敏感。火焰离子化探测器使用氢气和红外线(IR)激光探测器专门调谐到甲烷,因此泄漏将被低估。
  • 其他事宜:气体计量(影响计费/不同的能量含量),压缩机站,液化天然气(LNG)和地下储存。

尽管如此,符合物质问题,气体网络中氢气的理想混合率将是什么?根据轰炸的说法,简单的答案是“研究仍然正在进行,有很多知识差距”。众所周知,对网络(管道)或最终用户设备的修改(燃烧器调整,H2建议使用ready设备。

由于天然气输送系统的复杂性,以及各种各样的组件、材料和设备,不可能指定一个适用于天然气基础设施所有部分的限制氢值。天然气需求的季节性也必须考虑:如果H2注射是恒定的,当夏季气流减少时,混合速率会增加。因此,必须考虑以下内容:

  • 如何保持混合速率稳定?
  • 可能的混合速率(根据现有研究得出的一般结论):
    • 可能是1%到2%的氢。
    • 较小的修改高达5%。
    • 有重大修改的可达20%。
    • 高于20%:所需的主要修改(复杂且昂贵)。
  • 无法设置普遍限制。
    • 可能需要特定的分析。

尽管存在这些问题,但将氢混合到现有的天然气管道网络中,展示了减少温室气体(GHG)排放的承诺。

脱碳和H.2在炼钢中

除了讨论H2格罗斯曼还介绍了氢脱碳和H2在他的演示文稿中的炼钢。他说有三条主要路线到达Net-Zero Co2钢材排放:脱碳技术,需求管理和能源效率。

脱碳技术包括:

  • H2基于直接减少铁(DRI),H2高炉(BF)、电弧炉(EAF)、H2重新加热
  • 基于废料的EAF
  • 基于天然气的DRI(过渡燃料)
  • BF /碱性氧气炉中的木炭(BOF)
  • 碳捕获
  • 铁的电解。

DRI是通过衍生自天然气或煤的一氧化碳和氢气直接减少固态的铁矿石的产物。该方法涉及从固态中从铁矿石或其他含氧材料中除去氧,即,在高炉中,不熔化。还原剂是co和h2这些天然气来自改造后的天然气、合成气或煤炭。铁矿石主要以球团和/或块状形式使用。

需求管理努力涉及更好的废料回收,重新设计产品,以获得更多效率和圆形,更密集地使用钢材。根据GroSman的说法,能量效率涉及使用高压离开炉子进行电力和焦炭干燥淬火。

钢制造和潜在的h2要求:

  • 100千克H.2预计可生产1吨(MT)采用DRI技术的热铁。
  • 1吨h2可以取代5吨焦炭。
  • 如果所有进口钢铁 - 3500万公吨(MMT)的钢 - 通过DRI替换为美国生产,对H的需求2将是3.5毫吨。
  • 如果2040年美国所有的钢铁都是通过DRI生产的(1.2亿吨钢铁),那么H2将是12毫米。
  • 短期内,DRI的比例为30%2通过能量是可行的。

脱碳路径。Grosman还指出了Dri-Electric Arc炉路线是最脱碳的最具商业准备的路径。但是,工业规模H2在2030年之前,不可能生产dri。运营费用增加约为每吨75美元至100美元。

高炉与h2注射路线是较低的资本支出。但是,该选项限制在最多20%的脱碳量。CO 2减少5%至10%,每吨运营费用增加20美元。另一种替代方案是用焦炉燃气(COG),合成气或生物质替代/增强。

Grosman表示,用于再热炉的燃料切换和氧 - 燃料燃烧是脱碳的增量但低成本的步骤。燃料切换涉及混合或用H替换天然气燃料2虽然氧气燃料燃烧需要用氧气完全或部分取代燃烧空气。自H.2是每MM BTU天然气成本的10倍,结合H.2具有氧气燃料燃烧,可用于最大效益。

UCI和Socalgas领导DOE绿钢努力

美国能源部(DOE)已获得UC Irvine的先进权力和能源计划570万美元,以促进制造生产生产工艺生产生产工艺生产工艺,无需温室气体排放。与意大利PoliteCnico di Milano和Laboratorio Energia Ambiente Piacenza(Leap)的合作,美国素食能源和舱口舱和南加州煤气(Socalgas)将采用固体氧化物电解细胞(SOEC)作为脱碳钢铁生产的一种方式。

UCI团队由杰克布鲁瓦尔,机械和航空航天工程教授和优势总监领导;和Luca Mastropasqua,APEP高级科学家。

该项目寻求证明可再生氢气,通过高温电解生产的SOEC由风和太阳能资源供电,可以成功地集成到钢制造工艺中。研究人员将开发技术基础,构建和展示小型原型单位,并研究未来扩大和商业化的可行性。

传统的钢制制造设备,称为综合循环钢厂,使用炉灶和煤气衍生气体的高炉将铁矿石转化为金属铁。目前不存在的直接还原的铁(DRI)植物,从天然铁矿中生产金属铁而不融化。DRI工艺使用轴熔炉,温度低于1,200°C,从铁矿石中化学地带 - 一种更节能的方法。

新资助的三年项目寻求整合通过电解产生的氢气 - 一种电化学过程,它使用电力和热量将水分成氢气和氧气 - 进入DRI过程。在这种情况下,电解将由风力和太阳能资源供电,产生可再生氢气。氢气将用作从铁矿石中氧气以形成金属铁的还原气体。

“我们提出的方法采用了高温电解系统,该系统可以直接与铁矿石转换发生的轴炉的高温相连,”Mastropasqua表示。由于该过程的唯一副产物是水,因此水可以在高温下使用以产生更多的氢,闭合环并允许其热集成回到DRI炉中。

除了其合作伙伴之外,UCI团队将展示其氢生产技术比目前技术更有效,产生较低的排放。该项目将以零温室气体排放的成本为本,该项目将以零温室气体排放,以与当前的最先进的技术相媲美。最后,该项目将验证其新过程可以轻松与其他工业领域,包括运输,进一步减少温室气体排放。

FuelCell Energy, a U.S. fuel cell and electrolyzer manufacturer, will build and operate an electrolyzer prototype for the project at its manufacturing site in Danbury, Conn. The prototype is expected to produce approximately 10 kg per day of hydrogen, enough to produce one ton of steel per week.

Hatch是一家在新型钢铁生产技术方面具有专长的工程咨询公司,该公司将为使用示范技术的大型工厂提供详细设计,而SoCalGas将帮助进行技术转让。

“我们将证明,与最先进的技术相比,我们的工艺可以提高钢铁生产的能源效率,”Brouwer说。一个高炉钢铁厂需要110亿焦耳的燃料来生产一吨钢铁。我们的目标是将这一价值降低到80亿焦耳/吨,这80亿焦耳不再来自煤炭,而是来自太阳能和风能。”

-这篇文章出现在天然气技术补充。

更多信息

能源解决方案中心

www.energysolutionscenter.org.

林德

www.linde.com.

天然气科技中心

http://ctgn.qc.ca/en/

铑集团

www.rhg.com.


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