往复式压缩机与氢气经济

本文最初由工艺销售和市场开发专家 Ben Williams 在第 13 届 EFRC会议上发表。

第 13 届 EFRC 会议 2023 年 9 月 19 日至 21 日，克罗地亚萨格勒布

摘要：

如欲推动全球脱碳并减少温室气体 (GHG) 排放，需要大量采用氢气。 有些人认为绿氢（仅使用风能和太阳能等可再生能源进行电解水生产的氢）是实现当前脱碳目标的最佳氢来源。 这种说法或许是正确的，但提高氢产量需要增加氢气压缩机。 氢气压缩机有很多种，本文将重点介绍往复式活塞式压缩机。 

往复式压缩机已在氢气行业应用多年，其主要用于炼油和石化行业。 最近，各公司一直在努力确定能源转型所需的条件以及如何参与其中。各公司提出了多种“新”氢应用。 这些新应用（例如，氢储存、氢移动和氢混合（与天然气混合））对氢压缩的要求与炼油和石化应用的典型要求不同。 

本文将介绍“新”应用（包括工况和压缩机要求）以及正在考虑的一些项目。 这些应用可能很复杂，因此，有些用户愿意在炼油和石化行业已遵循多年的典型氢操作限制之外操作。 

气体清洁度对于这些氢应用至关重要，其中大多数应用是无油润滑应用。  无油润滑压缩机不使用润滑油对气缸进行润滑，这种压缩机通常使用的是 ^“自润滑”材料。 压缩机设计取决于使用有油润滑气缸还是使用无油润滑气缸，以及使用碱性电解槽制氢还是使用 PEM 电解槽制氢将。

如果一切如预期进行，氢经济将会使往复式压缩机大放异彩，我们都应对未来事态的发展充满期待。

1. 引言

往复式压缩机（无论是有油润滑气缸往复式压缩机还是无油润滑气缸往复式压缩（如果在 OEM 排气压力范围内）） 已在氢气行业中使用了几十年，其主要用于炼油、石化和工业气体行业。 在这些行业中，有许多典型氢应用，包括制氢、合成气、脱硫（氢气补给和再循环）和尾气压缩。 其他非传统氢应用包括管道输氢和储氢。

世界各国政府都下达了“净零”碳排放行政命令。 氢被认为是实现这一目标的关键，“能源转型”和“氢经济”一词毫不意外地再次被提及。 （“氢经济”一词最初由 John Bockris 于 20 世纪 70 年代提出。¹）要实现脱碳目标，需要大量使用氢并对氢进行压缩

绿氢是能源转型的重点。 许多人都认为，电解制氢（采用风能和太阳能等可再生能源）是实现净零碳排放目标的唯一途径。 这还有待观察。 

可再生氢应用包括上述应用以及加氢应用。这些应用采用哪种压缩机取决于可再生氢来源，即来自碱性电解槽、PEM 电解槽还是长管拖车。 

压缩机设计还取决于最终用户是否应用 API 618 和 ISO 13707 的传统操作限制或是否愿意“放宽”这些限制以降低压缩机初始成本或总拥有成本 (TCO)。 

本文旨在说明“传统”和可再生氢应用中往复式氢气压缩机的设计考量因素、这两种应用的典型工况以及它们的预期限制和操作限制的差异。

2. 氢应用

本节将介绍典型氢应用以及被视为能源转型一部分的一些“新”应用。

请注意，尽管当今生产的氢几乎有一半用于生产氨 (NH₃)，但压缩氨是一项非常专业的工作，本文对此不予论述，但有一点很确定，那就是液氨是当前正在考虑的诸多输氢方式之一。

2.1 制氢

氢是宇宙中分布最为广泛的元素，但由于它具有极强的反应性和特殊的化学性质，因此主要以化合物的形式存在。含氢的主要化合物是水和烃。 可以通过多种方法从这些化合物中分离氢，其中包括蒸汽甲烷重整和电解。

2.1.1 蒸汽甲烷重整

当前生产的氢大约有 95% 是采用蒸汽甲烷重整 (SMR) 工艺对天然气重整制备的。 天然气与蒸汽在高温下（约 600-1000°C）发生反应生成氢气和一氧化碳 (CO)。经过变换工艺后，一氧化碳和水生成氢气和二氧化碳 (CO₂)。 

使用 SMR 生产的氢气被输送至变压吸附器 (PSA) 系统，该系统将会对氢气进行清洁。 典型 PSA 氢气的纯度为 99.9999%。  采用 PSA 提纯的氢气被输送到排气压力在 34 至 100 Bar（具体取决于设备设计）左右的氢气压缩机中。

因为蒸汽甲烷重整工艺会产生 CO₂，因此这种氢有时被称为“灰氢”，而如果工艺包括捕获 CO₂ ，有些人将这种氢称为“蓝氢”。

图 1 显示的是位于美国伊利诺伊州芝加哥附近的一个甲烷蒸汽重整器机组。

甲烷蒸汽重整工艺包含多个气流，其中每个气流可能都需要进行压缩。 这包括天然气供应、燃料气、氢产品（来自 PSA 出口）和尾气。

2.1.2 电解

电解是通过电将水分解成氢气和氧气的过程。 如果电解槽使用的电力来自风能或太阳能等可再生能源，则制得的氢气被视为“绿氢”。

电解槽有多种，包括碱性电解槽、质子交换膜 (PEM) 电解槽和固体氧化物电解槽。 最常被讨论及本文所述的类型是碱性电解槽和 PEM 电解槽。 电解槽工艺对氢气压缩机选择有重要影响。

碱性电解法于 200 多年前被发现。 基础工艺包含一个阳极和一个阴极，氢氧 (OH-) 离子通过电解溶液（如氢氧化钾）从阴极移动至阳极。 阴极产生氢气，阳极产生氧气。 图 2 显示的是碱性电解槽的基本原理。

典型碱性电解槽在大气压力下或略高于大气压力的压力 (1.01 BarA) 下产生氢。 而质子交换膜 (PEM) 电解槽的排气压力在 8 至 30 BarA 之间。

PEM 电解槽使用阳极、阴极和膜作为电解质。 水在阳极“分解”，氢离子经膜移动到阴极。 图 3 显示的是 PEM 电解工艺示意图。

电解槽产生的排气压力决定压缩系统的吸气压力。 在给定应用中，PEM 电解槽产生的氢级数比碱性电解槽产生的氢级数明显更低。 

以下示例说明了在要求排气压力为 200 BarA 且输氢速度为 50 kg/h 的氢应用中，电解工艺对压缩机设计的影响。

利用 OEM 往复式压缩机软件根据上述参数选择压缩机，并且为了防止排气温度超过 API 618 排气温度限值（135^o C (275^o F)），选择了以下压缩机设计。 它们基于同一家往复式压缩机制造商的产品系列。

• 碱性电解槽—电解槽出口压力为 1.01 BarA。

  • 需要采用六拐八级压缩机。 需要 129 kW 的功率。 （见图 4）

• PEM 电解槽—电解槽出口压力为 25 BarA。

  • 需要采用双拐三级压缩机。 需要 54 kW 的功率。 （见图 5）

碱性电解槽的排气压力低，通常需要采用更大的气缸，以满足应用的流量要求。 可能需要采用一系列压缩机才能达到所需排气压力，具体视应用而定。 这取决于气缸尺寸、压缩机行程、活塞杆载荷限值以及可用的压缩机曲拐数。 拐数从 1 到 10 不等，具体视制造商而定。

可以看到，所用电解槽类型对压缩机选择有重大影响。

2.2 加氢脱硫

氢在炼油厂的最常见用途是燃料脱硫。 图 6 显示的是脱硫工艺示意图。

通过在高温高压下使硫与催化容器中的氢发生反应，去除液体燃料中的硫。   该方法可生产低硫或超低硫燃料。 高硫气体被输送至胺接触器，去除大部分硫。 将“清洁的”循环气流进行压缩，并将补给氢气添加到系统中，继续进行脱硫。 此过程涉及的氢气补给和氢气循环等两种氢气服务（气流）可以与单个压缩机一起交付，也可以作为多服务压缩机交付，其中每个气流彼此独立。

通常，氢气补给和氢气循环服务的排气压力差不多，但实际情况取决于所用工艺许可证和炼油厂规模。

一些可再生氢燃料设施目前正在考虑之中，虽然它们的规模可能比较小，但需要的脱硫工艺相似，因此需要氢气压缩机。

2.3 储氢

氢气通常储存在储罐、容器或地下盐穴中。目前，全世界正在运行的地下储氢 (UHS) 设施有四个，其中美国有三个，英国有一个。 美国的这三个设施用于为一家石化厂以及工业氢气管道补给氢气。 英国的这个设施用于储存氢气，以供涡轮发电机在用电高峰期使用。 图 7 显示的是美国德克萨斯州 UHS 设施内的往复式压缩机。

目前有多个地下储氢试点项目正在考虑之中。 

当前地下储氢设施的运行压力在 45 至 200 BarA 之间。 现已收到有关可再生地下储氢最高压力能否达到 350 BarA 的咨询。 在此压力下用于储氢的大多数压缩机采用的都是有油润滑气缸。通常，无油润滑压缩机的额定排气压力比较小。

也可以在长管拖车中储存和运输氢气。 这种情况多年来已经相当普遍；然而，业内在未来很可能会越来越多地使用长管拖车将可再生氢从生产地点运输到使用地点。  此应用也称为“虚拟管道”

长管拖车的储氢压力取决于所用储氢管类型。 图 8 显示的是典型氢气长管拖车布置。

氢气长管拖车按构成材料和储存压力进行分类。¹⁰

I 型（1 型）老式钢管拖车设计简单，压力限制在 200 BarA 以下，而新型 IV 型（4型）长管拖车的氢气管由复合材料制成，表面有碳纤维涂层。 这种管比较轻，有望用于氢移动应用，此长管拖车的额定压力超过 500 BarA。 

需要使用压缩机将氢气注入长管拖车并将长管拖车的排气压力压缩到所需氢燃料加注压力。

2.4 氢气管道应用

目前，全世界正在运行的氢气管道总里程超过 5,000 km，美国氢气管道总里程约为 2600 km，欧洲为 2000 km。⁹氢气管道的运行压力在 45 至 100 BarA 之间。

欧洲氢能主干管网（European Hydrogen Backbone；www.EHB.eu） 项目仍计划增加更多可再生氢基础设施（包括管道和储存设施），用于脱碳。 这将包括建造新氢气管道，并尽可能将现有天然气管道转换为氢气管道。

另一个引起不少关注的管道应用（主要是在北美）是在现有管道中将氢气与天然气混合。 这样做的主要原因是减少温室气体 (GHG) 排放。 

可以向正在运行的天然气管道中添加多少氢气目前仍在确定之中。虽然有些人在咨询中可能会询问现有天然气流的掺氢比例能否达到 50% 或更高，但正在推进的大多数项目的掺氢比例不足 20%。 

就用于掺氢应用的往复式压缩机而言，所有新压缩机都专门为氢气服务而设计。 然而，掺氢应用目前采用的天然气管道压缩机必须要适用于摩尔质量较小的气体。

以下示例说明了气流掺氢比例为 30% 时（图 10），对现有有油润滑天然气管道压缩机产生的影响（图 9）。  为简单起见，假设直接交换原始气体组分中的氢气和甲烷。

正如预期的那样，现在气体更轻，质量流量更小。 此外，比热比（“n 值”）增大，排气温度也随之升高。

在该示例中，应检查压缩机气阀，确定它们是否仍然适用于较轻的气体。 对于压缩机本身，无需更改材质，但应对压缩机系统（橇）进行评估，确定系统部件是否适用于较轻的气体。 气体较轻也可能会影响气体脉动，因此应进行新脉动研究，确保无需更改管道或容器。

2.5 氢燃料加注

国际能源署 (International Energy Agency, IEA) 表示，目前全球投入使用的氢燃料电池电动汽车有 56,000 辆。 这些车辆需要加注氢燃料。 图 11 显示的是 2021 年氢燃料电池电动汽车分布与可用加氢站数量比较图。

在互联网上搜索可以看到许多关于氢燃料电池电动汽车 (FCEV) 未来发展的报告，其中大多数报告的预测都是这种汽车的数量将会急剧增长。 Precedence Research (https://www.precedenceresearch.com/hydrogen-fuel-cells-market) 的一项此类研究表明，预计到 2030 年，氢 FCEV 的市场价值将超过 1,300 亿美元。 因此需要大量加氢站。 

氢燃料加注压力因制造商或应用的不同而有所差异，无论需要加氢的车辆是轿车、轻型卡车、公共汽车还是长途卡车，都是如此。 典型压力在 350 至 1000 Bar 之间不等。

尽管有些加氢站采用有油润滑压缩机并在压缩机下游配备聚合或除油系统，但氢燃料加注压缩机通常是无油润滑压缩机。 无油润滑是指仅对传动装置添加润滑油。 不对气缸或填料添加润滑油。这样做是为了防止车辆燃料电池被弄脏。 ISO 14687（氢燃料质量–产品技术规格）规定，加氢机的典型氢纯度要求为 99.97%。

使用无油润滑往复式活塞压缩机向隔膜压缩机或液压增强器加氢的情况并不少见，具体视所需的氢体积和排气压力而定。 目前正在开发的一些往复式压缩机系统可通过无油润滑压缩机气缸达到更高压力。

下一节将详细介绍氢燃料加注压缩机以及其他可再生氢气压缩机的设计标准。 

3. 传统氢气压缩机与可再生氢气压缩机

API 618 和 ISO 13707 是炼油、石化和工业气体行业最常使用的氢气压缩机参考标准。 参考这些标准可以确保压缩机和系统部件不间断使用三年以及 20 年的使用寿命。 

由于应用相似，预计可再生氢气服务用压缩机的设计也需要参考 API 618 或 ISO 13707。 然而，根据收到的有关可再生氢气压缩机的咨询，情况并非总是如此。在很多情况下，我们发现客户愿意放弃这些标准，并且不需要这两项标准中所述的延长运行时间。 

3.1 实现更长运行时间

API 618 和 ISO 13707 中所述的有助于延长压缩机运行时间的主要设计特点包括：

• 活塞速度–活塞速度会影响非金属承磨件，如活塞环、承磨环和填料。 活塞速度越低，非金属承磨件的使用寿命越长。 

• 排气温度–高氢应用的 最高排气温度是 135°C (275°F)。  典型 TFE 承磨件适用于高达 175 摄氏度（350 华氏度）的工作环境。 排气温度越低，非金属承磨件的使用寿命越长。 排气温度越低，润滑油粘度越大；排气温度越高，润滑油粘度越小。

• 承磨环载荷–承磨环载荷是一种力（轴承载荷），计算方法是活塞重量和一半活塞杆重量的和除以承磨环 120 度圆弧的投影面积。 API 618 和 ISO 13707 规定，无油润滑机组的这个值为 0.035 N/mm2 (5 PSI)，有油润滑气缸的这个值为 0.070 N/mm2 (10 PSI)。承磨环载荷越小，承磨件使用寿命越长。

• 气缸润滑–根据气体组分和压缩机工况选择合适的润滑油类型和用量非常重要。同样重要的是，要记住，并非总是润滑油用得越多就越好。 气缸润滑系统通常使用分配块和/或多点润滑泵。

注意–在适当情况下，也可以对这种“传统”氢气应用使用无油润滑气缸。

3.2 不同观点

如前所述，根据收到的有关可再生氢应用的咨询，并不总是需要参考 API 618 或 ISO 13707。 在许多情况下，最终用户并不是典型工艺压缩机客户，他们愿意在这些应用中采用新方法。

在这种新可再生氢气压缩机方法中，设计可能包括：

• 无油润滑气缸—许多可再生氢气压缩机是无油润滑压缩机，因此预计使用寿命不到 3 年。 氢燃料加注压缩机通常是无油润滑压缩机。 在与许多最终用户讨论当前的氢燃料加注压缩机（无论是往复式压缩机、隔膜压缩机、液压压缩机还是组合式压缩机）时，大家都预计承磨件的使用寿命不到一年。

• 更高排气温度—这些客户通常愿意接受高于 API 618 中所述温度限制 (135^o C/275^o F) 的排气温度。 API 618 的温度限制是在多年前制定的，目标是实现三年不间断使用。 值得注意的是，有油润滑氢气压缩机所用非金属承磨件（活塞环、填料和承磨环）的材质往往与其他应用所用其他有油润滑压缩机的材质相同，这些材料不适用 135^o C (275^o F) 的温度限制。 大多数此类非金属材料适用于高达 175^o C (350^o F) 的温度环境。为了说明排气温度问题，采用了本文前面所述的碱性电解槽条件，如果允许排气温度高于 API 618 的温度限值且保持在 150^o C (300^o F) 以下，只需采用七级压缩机即刻，而无需采用八级压缩机。 这样可以降低压缩机系统资本成本 (CAPEX)。 除此之外，再结合运营成本 (OPEX)，即可确定总拥有成本 (TCO)，而总拥有成本通常在压缩机选择中起决定性作用。

• 更高转速–转速越高，气缸越小，压缩机橇或系统越小。 转速较高时，必须注意压缩机气阀的设计。转速和气阀升程会影响气阀密封件的冲击速度。

需要注意的是，在不需要参考 API 618 或 ISO 13707 的情况下，安全不会受到影响。 无论往复式压缩机应用场景如何，安全始终是重中之重。 比如，氢燃料加注压缩机系统。

目前，氢燃料加注压缩机系统采用的主要标准是国家消防标准 (National Fire Protection Standard, NFPA) 2 氢技术规范。该标准旨在为氢气生产、安装、储存、管道以及气态氢和液态氢处理提供安全规程。⁸至少有一家组织 (ISO) 正在编写氢燃料加注标准，其中包括氢燃料加注压缩机章节。

4. 总结

尽管全球脱碳已被普遍接受，但实现脱碳的时间表和资源可用性仍存在问题。 氢经济以前就有人预测到了，但后来不了了之了。 这次的不同之处在于，各国政府发布了氢能战略和氢能任务，以期到 2050 年甚至更早实现净零碳排放目标。 各国政府目前正在对现有和新型氢能基础设施进行大量投资，以便能够将氢从可再生能源制氢地点运输到使用地点。 随后，将需要氢气压缩机。 

可再生氢所需的压缩机可能不是炼油厂或石化厂过去使用的典型氢气压缩机。 最终用户将决定自己是否接受不太保守的设计特性（如更高温度和速度）来降低总拥有成本。 无论他们做出何种决定，可以预计，随着全球脱碳目标的推进，氢气和氢气压缩机需求将会增加。

5. 致谢

特别感谢 Kaley R. Coss 女士（Ariel 公司—应用工程师）协助审阅和编辑本文。 

参考资料

1. U. Bardi，《“氢经济”概念简史》(A concise history of the concept of “Hydrogen Economy)。Resilience， 2021 年 5 月 21 日。https://www.resilience.org/stories/2021-05-21/a-concise-history-of-the-concept-of-hydrogen-economy/（于 2023 年 3 月 13 日访问）。

2. 位于美国伊利诺伊州芝加哥附近一个设施内的甲烷蒸汽重整器机组。Ariel 公司。[照片]。

3. N. Ironside，《电解：绿色转型的中坚力量》(Electrolysis: The Backbone of the Green Transition)。COWI，2022 年 4 月 28 日。https://www.cowi.com/insights/electrolysis-the-backbone-of-the-green-transition（于 2023 年 3 月 13 日访问）。

4. N. Ironside，《电解：绿色转型的中坚力量》(Electrolysis: The Backbone of the Green Transition)。COWI，2022 年 4 月 28 日。https://www.cowi.com/insights/electrolysis-the-backbone-of-the-green-transition（于 2023 年 3 月 13 日访问）。

5. Ariel 性能软件

6. Ariel 性能软件

7. 《氢在液体燃料脱硫中的作用》(The Role of Hydrogen in Removing Sulfur from Liquid Fuels)。普莱克斯（现与林德合并），2017 年 3 月 1 日。[在线] 网址：https://www.linde.com/-/media/linde/merger/documents/sustainable-development/the-role-of-hydrogen-in-removing-sulfur-from-liquid-fuels-w-disclaimer-r1.pdf?la=en#:~:text=Hydrogen%20is%20a%20proven%20solution,tons%20per%20year%20of%20SO2。（于 2023 年 3 月 13 日访问）。

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11. Ariel 性能软件

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