文/王西明 浙江浙能技術(shù)研究院有限公司 浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點實驗室,，現(xiàn)代化工

作為煤炭大國，我國煤炭資源豐富易得,，基于我國現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu),，在未來很長一段時間內(nèi)，煤炭仍將是我國的主體能源,，在保障我國能源供應(yīng)安全中占據(jù)重要位置?，F(xiàn)代煤化工產(chǎn)品種類繁多，多種技術(shù)路線并存,，有煤制氣,、煤制油、煤制化工品等,。當(dāng)前煤化工項目投資大,，贏利水平提升難，國內(nèi)多個煤化工項目處于進退兩難的境地,，已建成的煤制油,、煤制氣項目投產(chǎn)以來持續(xù)大幅虧損，煤基化工品企業(yè)未來前景也難言樂觀,；煤化工行業(yè)面臨環(huán)保,、碳減排、成本壓力,。因此,，現(xiàn)代煤化工要想實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,，應(yīng)根據(jù)自身特點找準(zhǔn)行業(yè)定位，耦合技術(shù)路線,、優(yōu)化系統(tǒng),，降低成本。

在工業(yè)化制氫路線中,，煤制氫優(yōu)勢明顯：

（1）原料易獲得,，我國煤炭資源豐富且易得；

（2）制氫成本低,，規(guī)?；褐茪涑杀驹?.8元/m3左右，而天然氣制氫成本達2元/m3,；（3）技術(shù)成熟,，煤制氫的技術(shù)可追溯到上世紀(jì)八九十年代?？傮w看,，煤基氫能路線是最經(jīng)濟、最實用的一種途徑,。氫能具有清潔,、高效、可持續(xù)發(fā)展等特點,，是實現(xiàn)電力,、液體燃料、熱力等各種能源品種之間轉(zhuǎn)化的媒介,，是未來實現(xiàn)跨能源網(wǎng)絡(luò)協(xié)同優(yōu)化的唯一途徑,。

氫氣（H2）是二次能源，需要從一次能源轉(zhuǎn)化制取,，相比電解水、天然氣等現(xiàn)有制氫方式,，我國以煤為主的資源稟賦為煤制氫發(fā)展奠定了基礎(chǔ),，也為煤化工企業(yè)的轉(zhuǎn)型提供新的發(fā)展方向。

目前還沒有針對煤化工企業(yè)具體工藝路線調(diào)整的文獻,。鑒于未來氫能可能大規(guī)模應(yīng)用,，煤化工企業(yè)可以在不改變主產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，調(diào)整工藝路線,、延伸產(chǎn)業(yè)鏈等,，找出與氫能的契合點，增強抵抗風(fēng)險能力,。本文以煤制天然氣項目為例,，探討了企業(yè)新增煤制純氫技術(shù)路線的可行性,，希望給企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展提供參考。

1 氫氣的制取

以煤制天然氣為例,，煤主要通過煤加壓氣化,、變換冷卻、合成氣凈化,、甲烷化合成最終生成天然氣,，詳見圖1。

圖1 煤制天然氣工藝路線示意圖

基于現(xiàn)有工藝,，在主產(chǎn)品天然氣的基礎(chǔ)上,，可以引出部分凈化后的合成氣，其主要組分含量見表1,。新增PSA裝置可以提純附加值更高的氫氣,。

表1 凈化合成氣主要組分體積分?jǐn)?shù)

從表1可以看出，凈化合成氣中H2含量高,、硫含量低,，基本不含苯、粉塵等雜質(zhì),，利于下游PSA提純裝置的運行,，且提純后的CH4可以直接并入天然氣外輸管道，純氫外輸?shù)侥繕?biāo)市場,。

2 氫能的運儲

氫能一般需要跨地域運輸,。煤制天然氣項目一般位于西北地區(qū)，通過西氣東輸管道輸送到東部下游用戶,。如果直接通過長管拖車運輸氣氫,，運輸成本高，項目不具有競爭優(yōu)勢,，需要將氣氫進一步處理,，使得最終產(chǎn)品具備成本優(yōu)勢。下面選取3種技術(shù)路線進行探討,。

2.1 液氫路線

氫液化是通過預(yù)冷和膨脹節(jié)流等工藝,，把氣氫降溫到20.37K變成液氫。液氫具有兩大優(yōu)勢：① 液氫的單車運氫能力是氣氫的10倍以上,，不僅運輸效率大幅提高,，而且隨著運輸距離的增加，液氫的成本優(yōu)勢遠(yuǎn)大于氣氫,；② 通過液化可以對氫氣進行提純,；在20.37K低溫下，除了少數(shù)稀有氣體之外的所有氣體雜質(zhì)都會凝固分離,，因此可以獲得純度≥5N（99.999%）的高純氫和6N（99.9999%）及以上的超純氫,，5N和6N氫具有廣泛應(yīng)用前景,，我國消耗量約20萬t/a，目前大量用于大規(guī)模集成電路芯片,、平板顯示器,、半導(dǎo)體器件、冶金等行業(yè),，而且高純,、超純氫的市場價格遠(yuǎn)高于普通純氫，液氫的附加值遠(yuǎn)高于氣氫,?；谝陨弦簹鋬?yōu)勢，企業(yè)可以在廠區(qū)內(nèi)增加氫液化裝置生產(chǎn)附加值更高的液氫產(chǎn)品,。

煤制天然氣工廠生產(chǎn)液氫相比單獨建液氫工廠具有以下優(yōu)勢：煤制天然氣工廠占地較大,，一般會為后期規(guī)模擴大留有空地，因此新增液氫裝置不需要額外征地,，可以節(jié)省土地費用,；充分利用工廠現(xiàn)有的公用工程如儀表空氣、氮氣,、脫鹽水等,；氫液化工藝需要液氮進行預(yù)冷，工廠建有空分裝置,，產(chǎn)出的液氮完全可以滿足液氫單元的使用,；液氫項目液化的耗電量比較大，規(guī)?；?t/d以上）的液氫項目,，液化能耗在13kwh/kg（氫）左右，工廠建有自備電廠,，液化可以使用廠用電,，用電成本低。以上優(yōu)勢可以明顯降低液氫的生產(chǎn)成本,，煤制天然氣工廠生產(chǎn)的液氫更具有競爭力,。

一般液氫可用公路罐車運輸，大的需求量可以采用更加快速,、經(jīng)濟的深冷鐵路槽車或者海運進行運輸；目前日本國內(nèi)的液氫路線之一是在澳大利亞利用褐煤氣化制氫,、氫氣提純,、氫液化、液氫海運到日本港口,，此方案正在試行中,。

類比國內(nèi),，我國西部產(chǎn)的液氫除公路、鐵路運輸之外,，還可以選擇通過長江水道運輸?shù)綎|部,。我國也在鼓勵高校和企業(yè)開展液氫領(lǐng)域技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化的示范應(yīng)用,，加快民用液氫市場的發(fā)展,，未來液氫將在我國氫能產(chǎn)業(yè)鏈中扮演重要角色。

2.2 儲氫材料儲氫路線

儲氫材料選取液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫,，分別是有機液體儲氫,、氫化鎂儲氫2種路線。

2.2.1 液態(tài)儲氫

有機液體儲氫技術(shù)以甲基環(huán)己烷為代表,，具有儲氫量大,、儲運安全方便、便于利用現(xiàn)有石化基礎(chǔ)設(shè)施和運輸設(shè)備等優(yōu)點,。甲基環(huán)己烷儲放氫過程為：甲苯加氫生成甲基環(huán)己烷,，甲基環(huán)己烷脫氫生成甲苯并釋放出氫氣。目前甲基環(huán)己烷儲氫技術(shù)中加氫工藝成熟,，國內(nèi)有多種工藝路線已實現(xiàn)工業(yè)化,，難點在于脫氫工藝高效催化劑的研制。日本千代田化工在此領(lǐng)域研究進展較快,，開發(fā)的SPERA工藝流程,，甲苯選擇性超過99.9%，脫氫轉(zhuǎn)化率超過95%,，催化劑壽命超過1萬h,。

日本已使用該工藝在文萊建設(shè)商業(yè)化示范裝置，并已將4.7t的氫氣運往日本,，預(yù)計2020年總共將向日本提供210t氫氣,。日本甲基環(huán)己烷儲氫技術(shù)研發(fā)進展及示范項目的運行，證明該儲氫技術(shù)的可行性,，有望成為未來氫儲運技術(shù)的選擇路徑之一,。煤制天然氣工廠除主產(chǎn)品天然氣外，還生產(chǎn)有副產(chǎn)品焦油,、中油,、石腦油，目前副產(chǎn)品只能作為廉價的化工原料外銷給其他化工廠,，附加值低,。這3種副產(chǎn)品均含有較高的芳烴組分，其中石腦油中芳烴含量高達85%以上,，加氫后可得到較優(yōu)質(zhì)的芳烴原料,，從而為甲基環(huán)己烷儲氫工藝提供廉價的儲氫介質(zhì),，儲氫物質(zhì)可以利用現(xiàn)有鐵路運輸系統(tǒng)運輸。

2.2.2 固態(tài)儲氫

固態(tài)儲氫技術(shù)中,，鎂儲氫具有儲氫量高,、安全、環(huán)保等優(yōu)勢,，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ膬洳牧?。固態(tài)儲氫工藝流程：鎂在高溫下氣化為鎂蒸氣、與氫氣進行反應(yīng)合成氫化鎂,、氫化鎂分解釋放出氫氣,。氫化鎂通過2種途徑轉(zhuǎn)化為氫氣：其一氫化鎂熱分解為鎂和氫氣；其二氫化鎂水解生成氫氧化鎂并釋放出雙倍的氫氣,。氫化鎂除用于燃料電池外,，可進一步提高品質(zhì)用于附加值更高的化妝品及醫(yī)藥行業(yè)市場，據(jù)了解國內(nèi)出口到日本的高純度粉狀氫化鎂售價2500元/kg,。制備鎂粉的氣化溫度要在600℃以上,，能耗約10kwh/kg（Mg H2），生產(chǎn)成本主要是在能耗和氫氣源,。煤制天然氣工廠一般位于西北地區(qū),，鎂礦資源易獲得；引出的部分凈化合成氣可獲得廉價的氫氣,；氫化鎂為固體,，便于大規(guī)模使用公路或鐵路運輸；工廠自備電廠,、副產(chǎn)高中低壓蒸氣,，用電用氣成本低，氫化鎂生產(chǎn)成本低,。

2.3 長輸管道摻氫路線

管道輸氫是具有發(fā)展?jié)摿Φ牡统杀具\氫方式,，但輸氫管道由于氫脆現(xiàn)象需選用含炭量低的材料，導(dǎo)致氫氣管道的造價是天然氣管道造價的2倍以上,，此外占地拆建等問題也導(dǎo)致投資成本高,。如果利用現(xiàn)有的天然氣長輸管網(wǎng)摻氫運輸可以解決上述難題。天然氣摻氫也是氫能研究熱點,，國內(nèi)外科研機構(gòu)紛紛投入研究,，目前多個示范項目也在陸續(xù)推進中。德國,、英國等已建有或在建摻氫率高達20%的管道摻氫示范項目,；國家電投集團于2019年建成國內(nèi)首例天然氣摻氫示范項目。如果摻氫示范驗證成功，并解決天然氣管道與氫氣相容性問題,，煤制天然氣工廠可以充分利用現(xiàn)有西氣東輸管道等天然氣主干管網(wǎng)和龐大的支線管網(wǎng)摻氫運輸，無需任何改造,，降低了氫氣的運輸成本,。

3 結(jié)論

國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)進入快速發(fā)展期，氫能也成為傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)向清潔能源變革的重要途徑,。煤化工企業(yè)應(yīng)深入研究分析氫能全產(chǎn)業(yè)鏈,，結(jié)合企業(yè)特點、現(xiàn)有工藝流程,、地域,、政策等因素找出與氫能的契合點，尋求效益最大化,。煤化工與氫能產(chǎn)業(yè)深度融合,，推動煤化工行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新向更高質(zhì)量邁進，實現(xiàn)資源共享,、優(yōu)勢互補,，推動傳統(tǒng)能源實現(xiàn)更深層次、更清潔化利用的轉(zhuǎn)變,。

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