国能阿拉善高新区百万千瓦风光氢氨基础设施一体化低碳园区示范项目配套14万吨绿氢合成氨项目节能报告

完成单位：内蒙古新绿工程技术咨询有限公司

一、项目背景

氢能是未来国家能源体系的重要组成部分，是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体。《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》部署了推动氢能产业高质量发展的重要举措以及产业发展的各阶段目标，对氢能产业可持续高质量发展发挥引领作用。内蒙古自治区新能源资源丰富。建设国能阿拉善高新区百万干瓦风光氢氨+基础设施一体化低碳园区示范项目，充分利用周边的可再生能源资源，采用先进生产工艺制氢氨，满足附近园区的多种能源需求，提高清洁能源消纳比例及能源综合利用效率，符合国家双碳目标和能源转型战略，有助于自治区实现能耗双控的任务目标，符合黄河流域生态保护和高质量发展战略；可为氢能产业和技术发展提供“制-运-储-用"的典型示范场景；为可再生能源与土地综合治理提供创新示范，具有重大的示范意义。

二、项目内容

建设规模：本项目建设年产2.5 亿Nm3 绿氢的碱水制氢系统，其中：ALK 装置52 套，PEM 装置4 套。所制氢气用于14 万吨绿氢合成氨系统，调节设施配置氢储能20 万Nm3 储氢设备。建设内容： 本项目占地面积200000m2 ， 总建筑面积为69331.28m2。建设5 座电解水制氢车间、1 个氢气压缩区、1 个氢气储存区、一个空压制氮车间、1 个合成氨车间、1 个液氨储存区、1 座3 层综合楼、维修仓库、1 座换热站、1 套污水处理站及事故水池等。

三、工艺方案

本项目以绿氢和氮气为原料，在催化剂的作用下合成绿氨，其中：绿氢由风、光发电，电解水制得，氮气由空压制氮系统制得。（一）反应机理：电解水制氢装置：（1）ALK碱水制氢原理碱液循环系统的碱液进入电解槽，水在直流电的作用下开始分解，在电解室的电极表面析出氢气和氧气，这些氢气和氧气随电解液一起从电解槽两端流出进入气液分离装置。其反应式如下：阴极上：2e+2H2O→H2↑+2OH-；阳极上：2OH-2e→H2O+1/2O2↑；总反应式：H2O→2H2↑+O2↑（2）PEM质子交换膜制氢原理将除盐水系统接入PEM电解水制氢系统，经去离子水机制备获得的≤2μS/cm去离子水，去离子水进入电解槽，在直流电的作用下开始分解，在电解室的电极表面析出氢气和氧气，这些氢气和氧气随去离子水一起从电解堆两端流出进入气液分离装置。其反应式如下：阴极上：4e-+4H+→2H2↑；阳极上：2H2O-4e-→2O2↑+4H+；总反应式：2H2O→2H2↑+O2↑。合成氨系统：以绿电电解水所制氢气和空分装置所制氮气为原料，在合成氨装置中，以催化剂为媒界合成绿氨气体，再经冷却，最终，得到液氨产品。其反应式如下：3H2+N2=2NH3。（二）制氢系统：（1）ALK碱水制氢：ALK制氢系统主要生产工艺由补水系统、碱液循环系统、电解槽、气液分离装置、氢气纯化装置组成。1）补水/补碱系统：电解水制氢系统补水采用除盐水，除盐水由除盐制备装置制取，制备完成的除盐水直接补入制氢系统碱液箱，将纯水或碱液配置成一定浓度，配置好的碱液经补水泵送进气液分离装置内，进入碱液循环系统，碱液作为电解质，并不被系统消耗，除盐水被电解产生氢气和氧气，因此，碱液在电解槽内被浓缩，浓缩后碱液在气液分离装置内稀释，稀释后再经碱液循环泵送回至电解槽，完成碱液在制氢系统的循环利用。2）碱液循环系统：制氢系统碱液循环是在电解槽和气液分离装置之间完成的，电解槽电解升温后的电解液分两路：一路富含氢气，一路富含氧气，他们分别进入氢分离器和氧分离器中，在分离器内分离出氢气和氧气后，两路碱液经连通管汇集，经碱液过滤器过滤除去机械杂质后，在经过碱液冷却器冷却，由循环泵经流量计打入电解槽，完成碱液在制氢系统内的一个循环，保证系统连续运行。3）电解槽：碱液循环系统的碱液进入电解槽，水在直流电的作用下开始分解，在电解室的电极表面析出氢气和氧气，这些氢气和氧气随电解液一起从电解槽两端流出进入气液分离装置。电解槽温度由氧和氢两侧分别监控。4）气液分离装置：经气液分离器内部的换热器进行热交换冷却，在重力作用下进行气液分离，分离出的氢气导入氢气液分离器上部的氢气洗涤冷却器进一步洗涤冷却，从而最大限度减少气体中的含碱量和含水量，经洗涤器、气水分离器进行气水分离后，最终经氢气薄膜调节阀排出，进入系统或放空。从气水分离器出来后，得到纯度为99.8%的氢气，之后进入氢气纯化装置。5）氢气纯化装置：氢气在氢气纯化干燥装置中，由催化剂催化与氢气中残留的氧气发生反应，生成水。经过冷却、除水、干燥，得到纯度为99.999%的高纯氢气。纯化干燥系统主要由脱氧设备、干燥塔组成，将气液处理器分离得到的氢气进行进一步干燥，产生合格的气体，贮存到储罐。氢气纯化系统由脱氧器，氢气干燥塔A、B、C，过滤器、积液罐、阀门、管路、管件、一次仪表、框架等组成；纯化控制柜是控制部分的核心，可实现自动调节、显示、报警、联锁等功能，通过冷却去湿、吸附干燥的方法清除杂质，纯化氢气。从气液分离器出来的氢气，经过冷却器冷却再进入气水分离器，除去游离水分后进入干燥器A，氢气中的水分被吸附剂吸附除去，成为产品气后进入干燥器B，氢气被干燥器B内的电加热元件加热后将干燥器B中的吸附剂彻底再生，热的再生气经过冷却器、气水分离器降温，除去游离水后进入干燥器C，吸附掉氢气中的剩余水分，成为露点低于-65℃的产品气，经过滤器，成为产品氢气。每8小时各干燥器切换到下一个状态。所有系统中气动阀门均带有阀位反馈，可以第一时间发现非正常工作的阀门，使整个工艺系统更加安全可靠。（2）PEM碱水制氢：PEM制氢系统主要工艺由补水系统、PEM电解堆、气液分离装置、氢气纯化装置组成。1）补水系统将除盐水系统接入PEM电解水制氢系统，将脱盐水站制备完成的脱盐水直接引入补水箱作为电解质。去离子水被电解产生氢气和氧气后进入气液分离装置，气液分离后的水再进入补水箱循环利用。2）电解堆：去离子水进入电解堆，在直流电的作用下开始分解，在电解室的电极表面析出氢气和氧，这些氢气和氧气随去离子水一起从电解堆两端流出进入气液分离装置。3）气液分离装置：经气液分离器内部的换热器进行热交换冷却，在重力作用下进行气液分离，分离出的氢气导入氢气液分离器上部的氢气洗涤冷却器进一步洗涤冷却，从而最大限度减少气体中的含碱量和含水量，经洗涤器、气水分离器进行气水分离后，最终经氢气薄膜调节阀排出，进入系统或放空。从气水分离器出来后，得到纯度为99.8%的氢气，之后进入氢气纯化装置。4）氢气纯化装置：氢气在纯化干燥装置中，由催化剂催化与氢气中残留的氧气发生反应，生成水。经过冷却、除水、干燥，得到纯度为99.999%的高纯氢气。纯化干燥系统主要由脱氧设备、干燥塔组成，将气液处理器分离得到的氢气进行进一步干燥，产生合格的气体，贮存到储罐。氢气纯化系统由脱氧器，氢气干燥塔A、B、C，过滤器、积液罐、阀门、管路、管件、一次仪表、框架等组成；纯化控制柜是控制部分的核心，可实现自动调节、显示、报警、联锁等功能，通过冷却去湿、吸附干燥的方法清除杂质，纯化氢气。从气液分离器出来的氢气，经过冷却器冷却再进入气水分离器，除去游离水分后进入干燥器A，氢气中的水分被吸附剂吸附除去，成为产品气后进入干燥器B，氢气被干燥器B内的电加热元件加热后将干燥器B中的吸附剂彻底再生，热的再生气经过冷却器、气水分离器降温，除去游离水后进入干燥器C，吸附掉氢气中的剩余水分，成为露点低于-65℃的产品气，经过滤器，成为产品氢气。每8小时各干燥器切换到下一个状态。所有系统中气动阀门均带有阀位反馈，可以第一时间发现非正常工作的阀门，使整个工艺系统更加安全可靠。（三）合成氨系统：合成氨系统主要生产工艺由压缩工序、合成工序、冷冻工序组成。其中：（1）压缩工序：由电解制氢装置送来的原料氢气和空分装置来的氮气以3:1体积比混合后，与循环混合气一起经压缩机升压后至氨合成反应工段，进入合成氨装置。（2）合成工序：来自循环机油分出口的循环气分成两路：一路气体由合成塔的一进口入外筒和内件的环隙，从上而下冷却塔壁，出塔后分成两股：一股由合成塔上部进入菱形分布器，调节第四床层进口温度：另一股与循环气的另一路(主气)合并入塔前换热器的壳程，与管程的热气体换热。出塔前换热器的循环气分成四股：第一股主气由塔底锻件的二进口入下部换热器的壳程换热后从中心管上升从零米进入一段催化剂层反应:第二股从合成塔上部进入调节零米；第三股从合成塔上部进入调节第二轴向层进口温度：第四股从塔上部进入内件的中部中心换热器调节第一径向层进口温度，然后与中心管上升的主气混合后进入零米：通过各催化剂层反应后的气体经过下部换热器换热后经蒸汽过热器加热由废热锅炉副产过热蒸汽后再进入废锅，然后进入气气换热器加热入塔气，换热后进入水冷器冷却后进入冷交管内回收冷量。（3）冷冻工序：在水冷器进一步降温后的含氨混合气进入冷交下部分离段分离液氨，分氨后的气体依次进入一级氨冷器和二级氨冷器进一步降温后在进入氨分离器，氨分离器出来的气体进入冷交换热管间回收冷量，离开冷交的冷气进入循环气压缩机压缩，出循环气压缩机的气体进入

循环气压缩机油分，分离油水后与油分的上部进来的新鲜气混合进入下一个工作循环；液态去往液氨储罐。来自氨冷器的气氨，进入氨冰机各段，经小氨压缩机压缩后冷却、冷凝为液氨进入液氨罐。液氨罐中液氨一部分作为产品送出合成氨装置，另一部分作为冷冻剂送到冷却分离单元，气化后的气氨返回到氨冰机各段进行压缩，形成闭环。

（四）项目用能情况

项目年综合能源消费量为157927.86吨标准煤（当量值）、394377.19吨标准煤（等价值）；核减可再生能源消费量后，年综合能源消费量为14906.23吨标准煤（当量值）、37113.71吨标准煤（等价值）；核减可再生能源消费量后，单位增加值能耗0.29吨标准煤/万元（当量值）、0.73吨标准煤/万元（等价值）。项目新增能源消费量对内蒙古自治区能源消费增量影响较小，对项目所在地能源消费增量有较大影响。项目新增能源消费量对内蒙古自治区完成能耗强度降低目标影响较小，对项目所在地完成能耗强度降低目标影响较小。

（五）项目节能措施

（1）工艺节能措施：利用合成反应热制得副产蒸汽，实现反应热的有效回收利用。本项目设计采用合成氨装置副产2.5MPa，310℃蒸汽（热量Q蒸为

39.33GJ/h，计算见报告3.3.3.2.2.5章节）供入余热发电系统。年发电量为2000万kWh，抽0.4MPa，144℃蒸汽0.5t/h用于电解液保温，抽0.4MPa，144℃蒸汽0.46t/h用于厂区内厂房及辅助用房采暖，抽0.4MPa，144℃蒸汽6.00t/h用于锅炉脱氧。本项目可副产2.5MPa饱和蒸汽14.03/h，年工作时间8000h，年副产112240吨，折合标煤11785.20tce（当量值），折合标煤13132.08tce（等价值）。（2）设备节能措施：在压缩机的选用上选用高效机泵，提高设备效率。采用先进的自动控制系统，使得各系统在优化条件下操作，提高全厂的用能水平。加强设备及管道隔热和保温等措施，对所有高温设备及管线均选用优质保温材料，减少散热，提高装置及系统的热回收率。选用低损耗节能变压器。变压器容量应根据计算负荷选择，使变压器在最佳经济运行区运行。（3）节水措施：完善生产节能加强供水系统的抗渗防漏控制，努力降低管网漏损率，降低水资源消耗；供水系统采用质量合格的管材和管件，严格按国家有关规范进行施工验收，减少泄漏。

（六）减碳措施：（1）本项目为绿电制氢合成氨，在设计及建设过程中采用先进高效的ALK 和PEM 相结合的电解水制氢工艺，以及南京国昌GC 型低压氨合成技术，该工艺属于节能减排工艺；（2）选择效率高、能效比高的设备类型，设计全部选用国家推荐的节能型机电产品，变压器采用能效等级为1级的SCB18 节能型变压器，配电变压器采用Dyn11 接线组别；电机采用YE5 系列，风机、压缩机、化工泵、空调等设备均采用达到1 级能效的节能型设；

采用保温材料保温，减降能耗；（3）选用自动化程度较高的设备，采用联动已达到节能效果；（4）采用电容自动补偿屏进行无功补偿，提高功率因数为不低于0.95，降低线路损耗等。（5）本项目采用先进的生产设备，开工加热炉采用电加热技术，减少化石燃烧；（6）生产过程副产蒸汽用于发电、采暖、电解液保温，余热发电量用于公辅设施用电，减少了外网购电，大大降低了CO2 排放。

（七）咨询工作过程：

为加强固定资产投资项目节能管理，促进科学合理利用能源，从源头上杜绝能源浪费，提高能源利用效率，国家发改委于2023 年发布了《固定资产投资项目节能审查办法》。按照《固定资产投资项目节能审查办法》（中华人民共和国国家发展和改革委员会令第2 号）、《内蒙古自治区固定资产投资项目节能审查实施办法》（内发改环资字[2023]877 号），对固定资产投资项目的能源利用是否合理进行分析评估，加强项目能评工作管理和指导。我公司接受国能源创阿拉善新能源有限公司的委托，收集企业能源利用现状资料和项目可行性研究报告，公司按照《固定资产投资项目节能审查系列工作指南》（2018 年本），在听取各部门对项目建设的意见和建议后，参考有关技术资料，秉承客、独立、公正、科学的原则，按照专业的节能评估方法，进行节能评估，完成项目的节能报告。

（七）咨询成果：《国能阿拉善高新区百万千瓦风光氢氨基础设施一体化低碳园区示范项目配套14 万吨绿氢合成氨项目》节能报告于2023年8月29日通过内蒙古自治区发展和改革委员会节能审查，并取得节能审查意见批复文件。