氢能导热油炉结构设计开发及氢能源产业展望
汪琦，张慧芬，俞红啸，汪育佑
（上海热油炉设计开发中心 上海 200042）
摘 要：介绍了氢能源的特点，设计开发了氢能导热油炉的结构型式，分析了氢气燃烧装置及其计算方法，讨论了氢气预处理系统，研究了氢气供给装置与安全检漏仪器，展望了绿色氢能源产业发展前景。
关键词：氢能源；导热油炉结构；氢气燃烧装置；氢气预处理系统；氢气供给装置；氢能产业展望
前 言
世界能源转型对促进世界能源体系健康发展、影响世界能源供应格局、应对全球气候变化的意义重大。世界能源转型是实现国家和区域能源安全与能源保障的必然选择，世界三大能源消费中心均结合自身的资源禀赋和能源结构特点部署了相应转型策略。世界能源转型是推动世界经济发展和经济增长的新动力，新能源产业将成为推动世界经济发展和促进社会就业的新引擎。世界能源转型将会重塑世界竞争格局，新能源和低碳的研发、制造与消费服务价值链将成为主导世界格局的新力量。世界能源转型是切实履行《巴黎协定》要求、实现能源利用“碳中和”的目标、应对全球气候变化的有效举措，将会促进人类共同维护地球绿色家园。
2020年我国的CO2排放大约为103亿吨左右，其中煤炭、石油、天然气这三种化石能源燃烧产生的CO2排放达到95亿吨；另外一部分是沼气[1]、生物质等其他燃料燃烧产生的CO2排放。预计在2030年达到碳排放的峰值120亿吨左右，并且要努力争取在2060年实现“碳中和”的目标，因此从现在开始努力行动，也只有短短38年的时间从103～120亿吨碳排放降到零，这对我国各个行业是一个巨大的挑战。而氢能源属于清洁能源，每年我国石化企业和氯碱生产厂家的工业副产H2超过1000亿立方米。考虑到氢气燃烧后的排放产物是水蒸汽及少量氮氧化合物，因此采用氢能源可以实现碳排放为零的目标。所以，石化企业和氯碱生产厂家的导热油炉或蒸汽锅炉可以利用本厂生产过程中产生的大量氢气作为炉子的气体燃料，从而可以达到导热油炉或蒸汽锅炉的碳排放为零的环保效果。另外还降低了生产成本，同时又可提高企业的经济效益。
1．氢能源的特点
电解水制氢的价格受制于电费，太阳能光解水制氢的成本较高；天然气重整和甲醇裂解制氢的价格相近，是目前主要的制氢手段；煤制氢的成本最低，但是规模要求大、成型较慢。将来为了实现碳中和的目标，并且当太阳能、风能可以卖碳税的时候，就可以把风能、太阳能和煤结合，制造出比较便宜的甲醇，通过车辆运输甲醇到生产厂家，再采取甲醇和水反应200多度就可以放出氢气；而储存氢气的方式是氢气压缩或氢气冷凝，其费用很贵。
甲醇可以从煤、天然气来制，采用太阳能制氢与CO2反应制，或太阳能催化CO2和水来制甲醇，就变成绿色的甲醇，甲醇比较干净，没有硫分；另外，甲醇在常温常压下是液体。因为采用甲醇制氢气的成本比较低，甲醇可能是作为最好的储存氢气的载体。液体是最好的储能载体，液体能源有一个显著特点：在陆地上可以通过管路输送，在海洋上可以非常便宜地跨海输送，而且还可以在常温常压下长期储存。所以，利用现有的基础设施把太阳能和风能以甲醇液体的形式储存下来，这也是太阳能和风能的另外一个储能途径。
氢气是体积能量密度最小的物质，为了增加体积能量密度，只好增加压力，目前储存氢燃料的储氢罐的压力都是35MPa和70MPa，储氢罐可采用氢气储罐、储氢瓶组、液氢储罐。加氢站可分为外供氢气或者加氢站内制造氢气；按照加注压力可分为35MPa，70MPa；按照是否可移动分为固定式加氢站、撬装式供给氢气、移动式供给氢气；按照储氢方式可分为气氢、液氢、固态储氢。为了满足氢能汽车使用的储氢气瓶35MPa和70MPa压力的加注要求，加氢站的高压储氢装置压力分别要求达到45MPa和87.5MPa。储氢装置需要考虑材料抗氢脆性能、材料的抗疲劳性能、使用寿命和定期检验等参数。所以，储存氢气和运输氢气不太容易。
氢气是爆炸范围最宽的气体，可以从4%～74%这个很宽的范围内，遇见火星就发生爆炸。低于4%是安全的，超过74%只会着火、而不会发生爆炸。因为氢气的爆炸性，目前都不让运输氢气超过一定范围的车辆经过隧道。所以，在封闭的空间里，使用氢气要非常注意安全。另外，氢气非常容易泄漏，因此长期储存氢气也是一个问题。
2．氢能源导热油炉结构
燃烧氢气导热油炉是立式圆筒型结构形式，主要包括炉本体、氢气燃烧装置、氢气预处理系统、氢气供给装置、自动控制系统等部分。立式布置是指炉体向高度方向发展、使炉体中心线与地面垂直的一种布置方式，立式布置可以减少占地面积，节省锅炉房的建造费用[2]。氢气燃烧装置是安装在炉体底部，氢气预处理系统与氢气燃烧装置相连。在氢气燃烧装置上采用了分体式设计，其需要操作维护的部件如氢气供给装置与安全检漏仪器、氢气预处理系统、风机、阀门组件等均设置在炉体下部的底座上，这样不仅降低了立式燃烧氢气导热油炉的高度，也给操作维护带来方便。
燃烧氢气导热油炉的圆形炉体是采用圆形筒体、耐火保温层、外护板壳体、圆形顶盖板、圆形底盖板、支撑支架等部件组成，炉体内部包括燃烧辐射室、对流室、烟气通道。燃烧辐射段位于整个炉体下部，对流段位于燃烧辐射段上部，辐射段与对流段相互连通，对流段置于烟道下方，且与烟道相通。辐射传热面采用螺旋盘管结构，对流传热面采用若干组蛇形管片结构。炉体上设置螺旋盘管进口集箱、对流传热面的进口集箱及出口集箱，辐射受热面螺旋盘管的一端与圆形盘管进口集箱相连通，螺旋盘管另一端通过引导管与对流受热面的进口集箱相连通，蛇形管片的另一端与对流受热面出口集箱相连通。
燃烧氢气导热油炉结构采取立式圆形盘管结构布置，螺旋盘管与螺旋盘管之间为密排紧凑布置，其构成的圆柱形燃烧室非常适合氢气燃烧火焰形状，而且导热油在炉管受热面中无循环死角，所以，导热油在炉膛内受热均匀[3]，并且在辐射段与对流段采用了串联布置情况下。当燃烧氢气导热油炉在正常运行时，由于导热油是先在辐射受热面螺旋盘管中螺旋上升、后在对流传热面蛇形管中蛇形上升，故有利于炉管内向上排放挥发性气体与水蒸汽；而在停炉检修时，辐射段与对流段的炉管内导热油流体依靠重力作用可以向下自由流动，从而便于燃烧氢气导热油炉辐射段与对流段的炉管内导热油向下排放清空，因此检修维护非常方便。
3．氢气燃烧器
氢气的燃烧过程可分为三个阶段：混合、着火、燃烧。氢气与空气的混合过程比燃烧过程要缓慢，所以，决定氢气燃烧方式的主要因素是混合过程。氢气与空气借扩散作用边混合边燃烧称为扩散燃烧。氢气燃烧器是采用多股扩散燃烧方式，燃烧空气采取后混合方式，因此可以有效防止回火，从而提高氢气燃烧稳定性和可靠性。多枪平流式氢气燃烧器的喷头采用平行多管式结构，多管式供给氢气采取多股流出后，氢气经过管子出口处侧面上孔喷出，大量氢气喷射点有利于与经多孔板以较高流速的空气均匀混合，从而强化了掺混。氢气燃烧器采用低污染的二次燃烧技术，即中心火焰呈现为浓态火焰，外部补充空气呈现为贫态火焰，从而保证在燃烧运行状态下未燃物和NOx的排放量最少。
氢气燃烧器是由氢气和空气供给、混合机构组合而成。扩散式氢气烧嘴，其氢气借扩散作用边混合边燃烧，在燃烧过程中有明显的火焰轮廓，因此称为有焰烧嘴或外混式烧嘴。扩散燃烧的速度与强度，主要取决于扩散速度，化学动力因素为次要因素[4]。扩散式烧嘴不存在回火问题，但是当氢气出口初速度超过某一极限值（氢气脱火极限），而喷口周围空气不足或气流过大时，会发生氢气燃烧脱火现象。目前可以根据氢气热值，确定供给氢气压力来防止氢气燃烧过程中脱火事故的发生。氢气供给的计算方法如下：
3.1 氢气供给量的计算公式
W=1.1Qmax/H （1）
式中 W——氢气供给量，m3/h；
Qmax——燃烧氢气导热油炉的最大功率，kW；
H——氢气单位体积的热量，kW•h/m3。
3.2 燃烧空气量的计算公式
V =α •Vo•W （2）
式中 V——燃烧空气量，m3/h；
α——过剩空气系数，一般取值1.05～1.2；
Vo——单位理论空气消耗量，Nm3/Nm3。
3.3 氢气供给压力的计算公式
P =p1+p2+p3 （3）
式中 P——氢气供给压力，Pa；
p1 ——氢气燃烧器头部所需压力（最大功率状态），Pa；
p2 ——阀门组件的压力损失，Pa；
p3 ——燃烧氢气导热油炉的炉膛反压，一般为负压或微正压，Pa。
氢气燃烧器是由燃烧器本体和燃烧氢气阀组等构成，燃烧器本体主要包括风机与电机组、燃烧筒、点火系统、火焰检测器、风门调节、氢气喷嘴、稳焰器等，燃烧氢气阀组主要包括手动阀、氢气过滤器、安全阀、调节阀、连接管道等。燃烧器本体上的风门电动调节与燃烧氢气阀组中调节器组成了氢气燃烧器的氢气/空气按比例调节系统，氢气燃烧器控制调节系统又由程序控制器和状态控制器发出指令，实施各工况调控和联锁保护。
4． 氢气预处理系统
氢气预处理系统由过滤器、密封槽、多级冷却器等组成，氢气通过氢气预处理纯度可达到99%以上，能防止氢能源导热油炉在燃烧过程中发生熄火故障，提高氢能源导热油炉在使用过程中的安全性和可靠性。冷却器是管壳式换热器的结构形式，冷却器是采用壳体与在竖直方向上平行排列的若干根导入气管组成，壳体上连接有冷却进水管、冷却出水管、第一疏水管和排放管，并通过排放管与密封槽相连。每级冷却器之间均通过冷却串联管相连，从而形成串联管路，其中串联管路首端的冷却器与氢气输入管相连，串联管路末端的冷却器通过连接管与过滤器相连。过滤器内设置了过滤网，过滤网元件可选用20～30目/cm的耐腐蚀丝网多层组合，或者采用耐压纤维棉。过滤器的一端通过输气管与氢气燃烧装置相连，过滤器的另一端通过第二疏水管与密封槽相连。
5．氢气供给装置与安全检漏仪器
氢气供给装置是由液化氢气储罐、氢气降压汽化器、过滤器、控制阀组、各种仪表及配管等组成。控制阀组应具有空气/氢气按比例调节功能，其中的关键元件是调节器（阀门），其作用是当氢气入口压力和流量发生变化时，能使氢气出口压力保持恒定值。另外，在氢气供给管道安装之后，必须按照有关规程做泄漏检查，吹扫并验收。同时还要安装氢气检漏仪器，它可以向程控器提供氢气泄漏信息。如果当阀门等有泄漏时，氢气是不能进入氢气燃烧器起动点火程序。另外，还需要配置氢气压力开关，它可以监测从氢气管道输入喷嘴的氢气压力。监测压力由工作膜片控制，当氢气压力超过最低额定值时，电路接通，氢气燃烧器即可启动。而当输入的氢气压力低于额定值时，电路切断，氢气燃烧器关停；或者因为发生故障或事故，氢气燃烧器也不能启动。
6．氢能源产业发展前景
为了实现“碳达峰、碳中和”的目标，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，培育壮大新能源行业、促进氢能源产业高质量发展，逐步建设绿色氢能源为主的供应保障体系，利用石化企业和氯碱生产厂家的工业副产氢气，提高副产氢气的利用效率，完善石化氯碱工业园区内部区域性的氢气输送管道建设，保护利用好已有石化氯碱厂内的高压合成气管线资源，优化输送氢气管路工艺控制，提高输送氢气管道的操作流程和安全监测与安全防护能力，建立监测预警平台，构建监管体系，对氢气输送管线的运行状态进行实时动态监测，做好各种应急预案，及时应对各种突发情况，保障氢气输送管道的安全运行。另外，还要在大型石化氯碱工业园区域内加强输送氢气管道的中长期规划建设。
积极推进国内的加氢站建设，布局海外氢能源生产基地和进口码头，建立氢能运输走廊，构建多渠道绿色氢能保障供应体系。适度超前布局加氢站建设，支持利用现有加油站、加气站改造扩建成加氢设施，开展加氢站建设运营模式创新，推动制氢、加氢一体化的新业态发展。突破高压储氢、低温液氢储运、管道输送氢气等关键材料和零部件，开展氢能装置制造工艺技术装备研发，重点需要掌握液氢制取储存技术及高压储氢技术，突破制约加氢站发展的关键技术，例如氢压缩机与加氢机的关键技术，设计研发加氢站工艺设备，实现加氢站的关键设备国产化，降低加氢站的建造成本及运营费用。
开展新型的氨氢能转换、固态储氢、新型催化剂等方面的研究。掌握燃料电池的关键核心技术，提高催化剂、质子交换膜、碳纸等关键材料的可靠性、稳定性和耐久性，提升质子交换膜（PEM）、固体氧化物电解池（SOEC）等制氢工艺技术水平，夯实在燃料电池汽车等方面的产业优势，全面推广氢能重型车辆的应用，拓展氢燃料电池客车、货车及大型乘用车市场。推动氢能在船舶、航空领域的应用发展。
积极探索可再生能源制造绿色氢能的示范工程，推进开展太阳能制氢、深远海域的风电制氢、绿色能源的水电制氢、生物质制氢的技术研发。使用可再生能源电力驱动的电解槽将水进行电解成为氢和氧，从而可以生成绿色氢能，创新技术专注于质子交换膜电解槽和离子交换膜电解槽的催化剂涂层膜，最新的催化剂涂层膜采用突破性的专有高离子电导率膜技术和高活性催化剂，新型技术可以有效提高电解槽效率和电流密度，并且预计可降低25%的电解槽成本。抢占氢气混燃气轮机等未来发展先机，有序开展氢储能、氢能热电联供等试点应用。构建多渠道绿色氢能供应保障体系，布局氢能绿色数据中心等场景的应用。
开展氢能冶金技术和富氢碳循环高炉技术的研发应用，对高炉富氢和竖炉全氢冶金工艺及设备装置进行研究开发。突破分布式氢燃料电池热电联供电堆的长寿命技术关键，推动高耗能行业绿色低碳发展。
7．结语
现在全世界每年已有数千万吨的氢市场，中国的氢气产能已经达到3000多万吨/年，主要用于化肥制造。但氢气不是一次能源，而是一种二次能源，或者更确切地说是能源的载体。氢气和电以及甲醇一样，是通过别的能源制造的，但是作为载体，氢气不具备液体能源在能量密度、管道及跨海输送、长期储存方面的优势。制造氢气容易，但是储存氢气与运输氢气的费用太贵，再考虑到氢气的爆炸性，因此，使用燃烧氢能源导热油炉或蒸汽锅炉需要特别谨慎，并且其周围还需要一定的安全距离。而采用甲醇液体作为太阳能和风能的载体，使用甲醇和水反应制取氢气，不仅环保，而且可以实现无碳排放。
目前我国的氢能源产业还处于发展初期，氢能源供应体系尚未形成，并且燃烧氢气导热油炉的制造成本很高，因此未能得到大规模推广使用，但以清洁、无碳、智能、高效为核心的“新能源+智能源”的第三次能源转型是世界能源转型的发展趋势。世界能源转型具有三大动力：世界能源格局的地域不均衡是世界能源转型的外部驱动力；新能源竞争力逐渐上升是世界能源转型的内部驱动力；以科学创新和技术进步为核心的科技革命是世界能源转型的推动力。所以，需要深入地对燃烧氢气导热油炉结构及氢气燃烧器进行研究设计开发，并实现关键设备的自主生产制造，持续地降低其制作成本及运行费用，是我国氢能源产业未来快速发展的重要保障。
参考文献：
[1]汪琦,俞红啸,张慧芬.燃沼气导热油炉的设计开发[J].上海化工,2017,42(1):27-29.
[2]汪琦,张慧芬,俞红啸等.燃天然气导热油炉的设计开发[J].工业炉,2019,41(2):41-45.
[3]汪琦,张慧芬,俞红啸等. 天然气与废气混烧型导热油炉在热定形机中的应用[J].染整技术,2022,44(1):21-23,61.
[4]汪琦,张慧芬,俞红啸等. 天然气热风炉与燃烧器在热定形机中的应用[J].染整技术,2021,43(1):53-57.
作者简介：
汪琦，硕士，高级工程师，长期从事热载体加热技术、新能源技术、节能减排技术、热油炉、热风炉、热水炉、熔盐炉、道生炉、联苯炉、焚烧炉、生物质气化炉的设计研究开发工作。
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