城市燃氣制氫裝置布置分析

1 概述

氫能及燃料電池的發(fā)展給城市燃氣開辟了新的市場

。無論是燃料電池汽車，還是氫發(fā)動機汽車，都需要加氫站提供燃料。從近年來各地加氫站發(fā)展規(guī)劃可以看出，未來加氫站將是氫能示范城市發(fā)展氫能的支撐點之一

。

2 不同規(guī)模制氫裝置劃分建議

GB 50016—2014《建筑設計防火規(guī)范(2018年版)》定義，爆炸極限的下限小于10%的氣體為甲類火災危險性，GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范(2018年版)》也引用了同樣的定義。這兩項標準很好地界定了氫氣的火災危險性，為工程建設的防火設計奠定了基礎。但這些標準在某些具體應用場景中的定義及規(guī)定并不明確。

西南某制氫裝置供應商20年間建造383套制氫裝置的統(tǒng)計分類見表1，制氫站規(guī)模以制氫量

來衡量。表1中的數(shù)據(jù)剔除了獨立的PSA(Pressure Swing Adsorption，變壓吸附)氫氣提純裝置，煉油、石化配套的大型制氫裝置。在化工、精細化工、鋼鐵、玻璃、醫(yī)藥中間體、微電子、食品加工、粉末冶金、多晶硅等行業(yè)均以中小型制氫規(guī)模為主(

≤5 000 m

/h，占95.3%)，因此將5 000 m

/h作為大規(guī)模制氫分界點。注意到小型的制氫站達到近50%的比例(

≤500 m

/h，占49.87%)。隨著氫能的發(fā)展，在城市周邊建立供應氫氣的氫氣站將在未來一定時間內(nèi)成為氫氣站建設規(guī)劃首選。采用合理、合度的標準規(guī)范是規(guī)范氫氣站選址、規(guī)劃布局，促進氫能發(fā)展的關鍵。

從上述分析，我們可以將制氫裝置劃分為3類。

① 大型制氫裝置(

>5 000 m

/h)，主要是服務于石油石化等大型在線供氫企業(yè)。

在網(wǎng)絡飛速發(fā)展的大環(huán)境下，企業(yè)通過網(wǎng)絡快速獲取業(yè)務信息，及時進行決策行為，這不僅提高了會計人員的工作效率，而且搶占先機，大大提高了市場競爭力。不難看出，會計信息化擁有全面、高效、準確、共享等諸多優(yōu)勢。

② 中小型制氫裝置(

≤5 000 m

/h)，主要運用于冷軋薄板生產(chǎn)線、浮法玻璃生產(chǎn)線、維生素生產(chǎn)線、醫(yī)藥中間體生產(chǎn)線、鎢鉬等粉末冶金生產(chǎn)線、火電廠轉子冷卻系統(tǒng)、多晶硅生產(chǎn)線、食用油精制生產(chǎn)線、糖醇生產(chǎn)線、雙氧水生產(chǎn)裝置、真空電子元器件及大規(guī)模集成電路生產(chǎn)與封裝配套等。

中小型制氫裝置規(guī)劃布置應遵循以下原則：

① 大規(guī)模制氫裝置建設地點應盡量遠離城市及人口稠密區(qū)，并應布置在專門的化工生產(chǎn)區(qū)域；

3 制氫裝置的特點及布置思路差異

3.1 大型制氫裝置

此類裝置應嚴格按照GB 50016—2014和GB 50160—2008為依據(jù)進行布置與設計。主要原因有：

① 生產(chǎn)規(guī)模大可能增大對人員及環(huán)境的危害程度，尤其是燃燒或爆炸產(chǎn)生的危害以及次生災害；

近年來，中國在加氫站關鍵設備制造方面取得了長足的進步。以壓縮機為例，以前國內(nèi)生產(chǎn)的壓縮機經(jīng)常出現(xiàn)漏油、振動大、泄漏量大等情況，如今干凈、安靜、微泄漏的壓縮機已經(jīng)很常見。因此，制氫裝置內(nèi)部各個主要設備之間間距和布置應以滿足工藝要求、節(jié)能降耗為首要出發(fā)點，而不是教條地遵循固定的間隔距離。筆者認為，靠這個間距不夠也不可能抵消燃燒和爆炸產(chǎn)生的危害，其安全的本質應該從設備、工藝、檢測、聯(lián)鎖、自控、危險與可操作性分析等環(huán)節(jié)加以系統(tǒng)考慮。當今中國在化工設備及壓力容器的設計、制造、檢驗、監(jiān)檢和使用方面，是全世界標準最嚴苛的國家之一，易燃易爆化學品生產(chǎn)裝置的總圖及工藝布置須經(jīng)多個政府部門及環(huán)節(jié)審批，在操作區(qū)域內(nèi)(防爆區(qū)及非防爆區(qū))對危險氣體的濃度有可燃氣體探頭實時監(jiān)測，也有專門針對單一易燃易爆氣體(例如泄漏到大氣中的氫氣、甲烷、CO等)的時刻監(jiān)測，在聯(lián)鎖和自控方面有獨立的ESD(Emergency Shutdown Device，緊急停車裝置)和SIS(Safety Instrumentation System,安全儀表系統(tǒng))，覆蓋關鍵工段或者全廠聯(lián)鎖，在國內(nèi)外已經(jīng)實施的案例中，增加了紅外和紫外的火焰探測聯(lián)鎖和報警系統(tǒng)。由此看出，從硬件本質和技術手段已經(jīng)最大限度地給加氫站和制氫站配備了本質安全的措施，不應當生搬硬套地強調(diào)關鍵設備布置間距。

② 作為公用工程的制氫裝置會對主生產(chǎn)裝置造成影響，形成更大的次生災害。

3.吃素 最新科學研究證明，植物性食品如蔬菜、水果、谷物、豆類等，含有豐富的維生素、礦物質、微量元素、膳食纖維和氨基酸、不飽和脂肪酸等，經(jīng)常吃這些植物性食品，可以減少心腦血管疾病發(fā)病率，防止大腸癌及其病變?？茖W家認為，目前人類食物日趨精細，導致心腦血管疾病、惡性腫瘤的發(fā)病率大幅度提高，究其原因，主要與人們經(jīng)常過量食用動物肉類，特別是那些“三高食品”有關，因此，經(jīng)常適當食素有益于健康長壽。

為此，大規(guī)模制氫裝置規(guī)劃與布置應遵循以下原則：

（1）按照羅馬Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ標準，診斷為FAP或診斷為FAPD但包含F(xiàn)AP患兒者；（2）受試人群年齡在4～18歲；（3）干預措施為藥物；（4）研究類型為隨機對照試驗；（5）發(fā)表語種為英語。

汞的毒性很大，對人類健康造成極大危害。日本、加拿大、挪威、伊拉克和美國等國都曾發(fā)生過汞中毒事件，例如在1953—1960年期間，日本水俁市發(fā)生了汞中毒而引起的疾病——水俁病，從而引起了世人的關注[19]。

① 氫氣僅供加氫站使用，氫氣品質要求高；

3.2 中小型制氫裝置

對于規(guī)模在5 000 m

/h以內(nèi)的制氫裝置，GB 50177—2005《氫氣站設計規(guī)范》針對性更強，原因是《氫氣站設計規(guī)范》適用于新建、改建、擴建的氫氣站、供氫站及廠區(qū)和車間的氫氣管道設計，將中小規(guī)模的制氫裝置作為主裝置的公輔裝置納入考慮。

我驚奇地發(fā)現(xiàn)，學員們不但在知識水平上有了明顯提高，思想意識也有了很大改變。坦白講，我也改變了想法，決心終身務農(nóng)了。

③ 高度集成的一體化制氫加氫合建站或制氫加氫“子母站”，該類型制氫裝置規(guī)模一般為500 m

/h,主要布局在城市經(jīng)濟運輸半徑之內(nèi)的地區(qū)。

① 裝置布局以緊湊為主，作為主裝置的一部分與主裝置布置在一起，盡量減少裝置占地面積，縮短與主裝置之間距離，節(jié)約裝置線路、管道、材料等費用，降低能耗和壓力降；

本工作利用鐵片作為電極、過硫酸銨作為引發(fā)劑、十二烷基硫酸鈉和OP-10為復合型乳化劑,通過電化學乳液聚合制備聚甲基丙烯酸甲酯.使用電化學方法與不使用電化學方法(例如在上述體系中直接加入二價鐵(一般是氯化亞鐵))相比,優(yōu)點如下:利用鐵電極通電后得到二價鐵離子,不會將其他陰離子引入體系中;電參量容易控制,為后續(xù)進一步的研究提供新的路徑.實驗結果表明,利用電化學聚合方法在較低的反應溫度下就可以成功獲得聚甲基丙烯酸甲酯,調(diào)節(jié)電流大小可以得到不同分子量的產(chǎn)物.

② 制氫裝置自身內(nèi)部布置僅考慮檢修、巡視、維?？臻g；

③ 有危險源和可能對人身及環(huán)境造成危害的設備布置需要物理隔離措施(例如實體墻)，以防止氫氣水平擴散。

實驗室的所有工作都是由人來完成的，人是實驗室的主體，只有充分調(diào)動人的積極性、主動性，實驗室的各項工作才能順利完成，因此重視實驗人員隊伍建設，鼓勵實驗人員多參加一些相關的技術交流會，以便及時掌握新動態(tài)，學習新技術、新經(jīng)驗，更新知識結構。實驗室可按照“培訓-考核”的方式進行人員管理，驗證實驗人員的技術能力是否滿足實驗要求，對重要崗位的人員堅持持續(xù)培訓，形成一支實踐經(jīng)驗豐富、技術水平扎實的科研實驗人員隊伍[2]。

對于需求方，在中國經(jīng)濟快速發(fā)展這個大環(huán)境下，物價也隨之提高，各大企業(yè)更是坐地起價。而共享經(jīng)濟為需求方提供的服務，往往低于市場企業(yè)價格，這時選擇共享經(jīng)濟下的商品和服務，對于需求者來說是有利的。以首都北京為例，在非高峰期的時段打車走十公里的路程，需要花費四十分鐘的時間成本和34元的人民幣資金成本?，F(xiàn)在共享經(jīng)濟下推行的滴滴打車卻只要二十五元人民幣，在這種情況下，共享經(jīng)濟帶來的優(yōu)惠就成為了需求方的額外收益。

我國在化工裝置的設計和檢驗體系中均實行終身責任制，因此工藝設備布置應交給專業(yè)設計人員去決定，應從介質特性、工藝參數(shù)、危險源分析、易燃易爆危險品存儲當量、系統(tǒng)防范措施等因素去考慮，即從源頭考慮制氫站和加氫站的風險。筆者所在公司已建設的部分制氫站做過詳細的HAZOP(Hazard and Operability Study，危險與可操作性分析)。一些專業(yè)的氣體公司使用本公司內(nèi)部的系統(tǒng)安全評估體系，例如法液空公司內(nèi)部采用GRA(Generic Risk Analysis)方法對分包商提供的制氫站進行系統(tǒng)性的安全分析。也有的公司用檢查表法進行裝置或者工段的危險性分析。極少數(shù)的公司要求做半定量的保護層分析(LOPA)和全定量分析(QRA)。根據(jù)筆者的經(jīng)驗，這兩個分析方法主要針對大型的石化、化工企業(yè)，這類企業(yè)規(guī)模大，成品、半成品及中間品的化學當量大，企業(yè)危險源復雜且眾多，因此需要做半定量或者定量分析。

3.3 高度集成的一體化制氫加氫合建站或制氫加氫“子母站”的布局

高度集成的一體化制氫加氫合建站或制氫加氫“子母站”在國內(nèi)已經(jīng)有幾百套成熟案例，目前國內(nèi)外氫氣設備供應商橇裝式制氫裝置的數(shù)量見表2。

目前，美國、日本、德國的加氫站，包括制氫加氫一體站，均采用前店后廠的運營模式，即前店銷售氫氣并進行氫氣加注，后廠完成制氫、氫氣壓縮、氫氣儲存等。因此高度集成的一體化制氫加氫合建站是解決目前氫氣儲運困難、降低氫能成本的關鍵手段之一。這類合建站具有以下特點：

② 作為主裝置配套公用工程的一部分，制氫裝置應與周邊化工裝置保持相關標準規(guī)范規(guī)定的距離，而制氫裝置本身內(nèi)部布置也需遵循相關標準規(guī)范，并預留專門的檢修通道、疏散通道、消防通道，防爆區(qū)和非防爆區(qū)也需要得到充分的考慮。

② 站址選擇一般在城市周邊或郊區(qū)，人口密集，土地緊張；

③ 制氫規(guī)模較小，氫氣生產(chǎn)規(guī)模與500 kg/d或1 000 kg/d規(guī)模的加氫站配套，制氫量

≤500 m

/h；

④ 制氫裝置與加氫裝置在一個站內(nèi)。對于該類制氫站的布置建議采用GB 50177—2005以及GB 50156—2021《汽車加油加氣加氫站技術標準》或GB 50516—2010《加氫站技術規(guī)范(2021年版)》。

目前一些地區(qū)加氫量不飽和，可以采用制氫加氫“子母站”分布式供氫模式，即“母站”制氫加氫集成為一體站，“子站”作為純加氫站，“母站”與“子站”之間采用長管拖車運輸。這種加氫站站內(nèi)制氫模式在適宜性、經(jīng)濟性、投資成本、土地成本等方面均具有一定優(yōu)勢。上述優(yōu)勢將有力推動制氫加氫“子母站”中“母站”與“子站”之間的運輸距離的持續(xù)擴大，制氫加氫“子母站”的經(jīng)濟性得到大幅度提高。這種模式既節(jié)省了“子站”建設投資，又提高“母站”利用率，同時節(jié)約占地，減少投資，是一種因地制宜的氫能應用新途徑。

隨著技術的進步，氫能將涉及到生活的方方面面，更加緊湊化、智能化的制氫加氫一體化站將是對未來加氫站的補充。對于一些氫源不穩(wěn)定地區(qū)，采用“社區(qū)型”小型制氫加氫一體化站，是將制氫(天然氣制氫、甲醇制氫、水電解制氫等)、氫氣壓縮、氫氣儲存、氫氣加注等工藝模塊高度集成為一體，或者將液氫、增壓、氣化、氫氣加注等工藝設備集成為一體，通過氫氣加注系統(tǒng)給中小型交通運輸工具和發(fā)電設備提供氫源。這種小型制氫加氫一體化站的設計氫氣加注量為100 kg/d，制氫量約為50 m

/h，每天可為20輛以內(nèi)的燃料電池乘用車加注氫燃料?？梢詽M足乘用車活動范圍擴大的需求，讓氫源從無到有成為可能，氫源下沉至中小型社區(qū)。

4 結語

① 大型制氫裝置中危化品化學當量大，燃燒、爆炸及次生危害大，危險性大。適用標準為GB 50016—2014和GB 50160—2008。

② 中小型制氫裝置危害性中等。產(chǎn)品多屬于中間產(chǎn)品，多屬于公用附屬工程。GB 50177—2005對這種裝置的針對性更強。

③ 制氫加氫“子母站”和制氫加氫合建站燃燒、爆炸及次生危害小，危險性小。通常布置在城鎮(zhèn)周邊地區(qū)，GB 50516—2010或GB 50156—2021針對性更強。

[1] 解東來. 城市燃氣在氫能及燃料電池的應用[J]. 煤氣與熱力，2007(4)：38-40.

[2] 王虹，梁雪蓮，陳慶璽，等. 氫能產(chǎn)業(yè)政策研究[J]. 煤氣與熱力，2020(7)：A27-A31.