能源政策外文翻译资料

能源政策

摘要

火用分析已被证明是理解和改进工业过程的有效工具。在本研究中，用火用分析方法研究了现有的蒸汽甲烷重整(SMR)过程的能源消耗情况，并对主要能源消耗和环境保护的可能节约进行了测试。

在第一步中，建立了蒸汽甲烷重整过程的能量和火用平衡，以确定该过程的热力学缺陷。这项研究的建议为建立一个新的和更有效的进程作出了贡献。因此，一个热交换器，对应于SMR热交换所需总面积的44.9%，已被纳入SMR中，用于废热回收。

原工艺的热工效率分别为70%和65.5%。在新工艺中，热工效率分别为74%和69.1%。未使用的火能从125.9降低到114.2 kJ / mol H2。一摩尔甲烷产生2.48 mol H2，而在原过程中生成的H2为2.35 mol H2。此外，新的SMR过程产生较低的温室气体排放。

第1章 介绍

与化石燃料储量耗尽有关的担忧，以及由汽车动力和发电来源造成的环境和公共健康问题，使氢与燃料电池共存，成为一种具有吸引力的替代能源(Basagiannis和Verykios, 2007)。此外，氢具有提高燃料供应安全性的好处，因为它可以从多种主要能源中产生，如氢碳、生物质能、水或太阳能(Almansoori and Shah, 2009)。预计未来的氢需求将会增加，因为它将开始用于燃料电池的应用(Chiappetta et al.， 2006;Naterer et al .,2008)。今天，最大的氢消耗发生在石油炼制和石化工业中，用于氨和甲醇合成(Khothari et al.， 2008)。氢作为能量载体的大规模引入需要在制氢方面取得进展(Bleischwitz et al.， 2010)。Tugnoli等人(2008)指出，在较短的时间内，将会有一个短暂的周期，其中大规模的制氢将基于此优化和改进现有技术。蒸汽甲烷重整(SMR)是氢生产中最重要、最常用的工艺之一(Khothari et al.， 2008;Manish Banerjee和,2008)。经过优化的现有技术有望在大型汽车氢和燃料电池技术(Barelli et al.， 2008)市场引入的头几年提供大部分的氢供应。

本研究的目的是通过应用火用分析方法来了解和改进SMR过程中的氢气生产。因此，利用exergy分析方法对SMR系统进行评价，并通过强调火用通量、破坏、浪费和效率来指导效率改进工作。本文的研究成果被应用于建立一个新的、更高效的制氢过程(SMR2)。最后，对这两种过程进行了实证研究，以证明对可持续发展进行分析的益处。该研究通过一个具体的例子说明了火用分析在促进可持续能源政策和减少环境影响方面的重要性。

第2章.过程描述

天然气蒸气重整(即:主要是甲烷，是用于大规模制氢的最常见和最先进的技术(Khothari et al.， 2008;斯珀林和大炮,2004)。工业制氢采用四个步骤，如图1所示(Go et al.， 2009;Khothari et al .,2008;徐等，2002):天然气预处理，合成天然气生成，水煤气转移和气体净化。

在天然气预处理中，为了避免中毒，在天然气原料中去除杂质。天然气通常含有少量的硫化物，主要以硫化氢的形式存在。由于该催化剂对含硫化合物的反应灵敏度高(在低温转移反应器中，如果安装了)，必须使用氧化锌层除去硫化氢和其他硫化氢(Barbaa et al.， 2008;Farrauto,2005;辛普森和鲁茨,2007)。对于氢化和脱硫，进口气体加热到350 - 400c。气体离开净化部分，硫含量小于1ppm，为335c。天然气-蒸汽混合物被催化转化成氢气、一氧化碳和二氧化碳。重整反应是高度吸热的，大量的热量必须由外部燃烧器提供:这些反应通常在800 - 1000的温度下进行，在镍基催化剂上施加5-20的压力。从合成气中流出的合成气通过一个水气转换(WGS)反应器，将合成气中的CO转化为CO2, H2利用合成气中可用的H2O或添加到系统中的额外H2O。发生以下反应:在实践中，这种反应发生在两个反应堆上:高温转换反应堆(HTS)在473到673 K之间运行，低温转移反应堆(LTS)在400到450 K之间运行。最后一步是净化氢气。在现代植物中，氢的净化由化学吸收和甲烷化转化为压力-挥发物吸附(PSA)。两种类型的PSA被识别:PSA分离H2或PSA分离CO2，然后是剩余H2O的缩合。这两个PSA分离技术都是相对成熟的技术，它们是能量密集型的，提供不同程度的端流H2纯度(高达499%)(Majlan et al.， 2009;里贝罗et al .,2008;沃斯,2005;Warmuzinski Tanczyk,1997)。一种能够产生高端流H2纯度(499%)的有前途和发展的技术使用氢膜分离(Adhikari和Fernando, 2006)。

第3章 SMR1过程模拟Aspen Pius

名为SMR1的过程如图2所示。大部分的流程模拟操作和流输入数据取自美国能源部位于拉斯维加斯的SMR设施的操作参数(Simpson和Lutz, 2007)。在静态条件下，使用一个流板模拟器(阿斯彭技术公司授权的Aspen PlusTM)对各种过程进行了模拟。利用国家的soaed - redlich - kwong方程，获得了材料流的热力学数据和相位行为预测(Aspen PlusTM, 1988;Seo et al.， 2002)，其中一个组件列表限制为CH4、O2、N2、H2O、CO、H2和CO2。改革和WGS反应堆都采用了图书馆模型RGibbs (Aspen PlusTM, 1988)。选择阿斯彭包的RGibbs反应器来计算化学和相平衡，将所有期望参与平衡的物种的吉布斯自由能最小化。RGibbs模型更倾向于燃料重整分析(Belova et al.，2009;Vagia Lemonidou,2007;Seo et al .,2002)。在WGS反应器中，甲烷被认为是一种惰性气体，以消除不需要的甲烷反应，在真正的催化体系中被动力学抑制(Salemme et al.， 2010)。

（1）利用图书馆模型Rstoic (Aspen PlusTM, 1988)对reformer所需要的炉子进行了建模。

(2)反应化学计量和转换程度已知时使用RStoic，反应动力学未知或不相关(Jannelli and Minutillo, 2007;Salemme et al .,2010;Seo et al .,2002)。

对热交换器进行热交换，采用热交换器进行壳管换热器的模拟。

在共和逆电流结构中给出的几何图形(Aspen PlusTM, 1988)。

氢提纯是由一种膜分离模块进行的，该模块与Aspen PlusTM模块Sep建模。

1. 一个等温金属薄膜。

图1所示。常规SMR过程的简化流程图。

2 SMR1工艺流程的详细流程

氢气的生产过程开始于压缩天然气(图2中的第1-2步)，并将进口水注入到重整操作压力(步骤3-4)。为了简单起见，天然气被认为是纯甲烷。在实际操作中，气体必须经过脱硫处理才能返回给反应器，这样催化剂床就不会受到污染。这种脱硫需要额外的工作，此处省略。注入水加热变成蒸汽10 T 673 K和Pfrac14;frac14;atm(流8)在进入改革者和混合甲烷。这种加热是通过与水气转移反应器(WGS)、H2冷却热交换器(COOL-H2)、合成气冷却热交换器(COOL-SYNG)和最终省煤器1 (ECONO-1)的热交换来实现的。将重整气体(stream 9)冷却至573 K (WGS反应温度)。在省煤器2 (ECONO-2)中，离开WGS的气体被加热到773 K(氢膜分离的操作温度)。净化后的氢(99.99%)经过热交换器(冷却- h2)后冷却(第13步第14步)。含有未反应的甲烷(流15)的气体在大气压力下膨胀，然后再送回熔炉中。如果必要的话，还会将额外的甲烷送入熔炉，供整个系统供热。燃烧空气被认为是10%的过量。燃烧气体进入两个热交换器，ECONO-1和ECONO-2，然后被发送到烟囱(流21)。

第4章 所示分析及相关性能参数.

系统的火能被定义为在一个过程中可以从系统中获得的最大功，它使这个系统与周围的环境保持平衡(在一个以温度T0和压力P0为特征的参考状态)。一旦系统和它的环境达到平衡，系统的能量将为零(Kotas, 1995)。在一个能量平衡中，所谓的“被摧毁”的火能代表了能量质量的真正损失，因为能量守恒将永远适用于能量平衡。其中n为物质流中化学物质的数量，D为摩尔流率，xl和xv分别为液体摩尔分数和水蒸气摩尔分数，在物质流中;xi和yi分别是液体中i的摩尔分数和气相，分别是，Hi和Si分别是纯组分i的摩尔焓和摩尔熵，下标l和v分别表示液体和气相。

当考虑到的物质从环境状态(由参数T0和P0定义)到参考状态时，化学反应能力等于可获得的最大工作量，其过程涉及到只与环境进行热交换和交换物质的过程。化学反应是由(Hinderink et al.， 1996)给出的。分别表示任何一种物质在液态和气态时的标准化学反应。使用Szargut等人(1988)定义的参考环境组成来评价过程成分的化学作用。本工作所使用的环境温度和压力分别为298.15 K和1台atm。

第5章. 结果与讨论

5.1 鼻中隔黏膜下切除术后基本(SMR1)

根据文献(Brzustowski, 1980)，基本过程(SMR1)的热效率为70%，这是SMR过程的典型效率。Lutz et al .,2003;辛普森和鲁茨,2007);这一发现表明，在有用的产品(氢)中回收了70%的能量。

SMR1工艺的使用效率为65.5%。这种效率比系统的热效率低4.5%。这种差异发生的原因是，发挥的效率包含了一种被耗尽的“火用”(exergy)的术语，以及被摧毁的“火用”(exergy)的一个术语。在计算热效率时，热力学第一定律并没有考虑到后者。过程中交换的不同形式的火用，如表1所示。它表明，由于热力学变换的不完美，到达该过程的火能的26.7%被破坏。废气在过程入口火用中占7.86%，并归因于废水流(流21:图2中的烟)。因此，34.5%的参与火用是未使用的，因此工艺的使用效率发生了变化。详细的火用分析结果如表2所示。被摧毁的火用的主要部分是局部化的，在整个过程中有65.8%的火能被摧毁。为了解释这种被破坏的火能的高价值，这个部件必须被分成两部分，即，燃烧系统和反应堆系统。图3显示燃烧系统为重整装置贡献了被摧毁的火用的87%。这个值相当于在这个过程中所销毁的能量的57.3%。根据Tsatsaronis(1993)的说法，在这个过程中被摧毁的能量可以归结为以下几点:从燃烧室进入和流出的流温度有相当大的差异。在这种情况下，进口空气的温度和排气口的温度之间的差是1013k。

表1

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