焦爐煤氣制氫與車載二甲醚重整制氫的能耗與CO2排放對比

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(北京航空航天大學 交通科學與工程學院，北京 100191)

焦爐煤氣制氫與車載二甲醚重整制氫的能耗與CO2排放對比

徐征，宋凌珺

(北京航空航天大學 交通科學與工程學院，北京 100191)

本文分別建立了焦爐煤氣制氫與車載二甲醚重整制氫生產及運輸過程的模型，分析了兩個過程中的總能耗與CO2總排放情況。結果表明在中短途運輸中，車載二甲醚重整制氫的總能耗與CO2總排放都遠遠小于焦爐煤氣制氫；焦爐煤氣制氫的三種運輸方式的總能耗和CO2總排放在不同運輸情況中各不相同，因此三種方式各有優(yōu)勢。利用這些對比結果，既能根據(jù)各種情況提供較為合適的制氫技術，又能降低其生命周期能耗、減少環(huán)境污染，具有重要意義。

焦爐煤氣；二甲醚；車載制氫；能耗；CO2排放

隨著汽車產業(yè)大規(guī)模地發(fā)展、人民生活水平越來越高，人們購買汽車的熱情逐年高漲，汽車保有量大量增加，截止2012年7月，全國汽車保有量已達1.14億輛[1]。同時，汽車尾氣的排放量進一步增多，有害物質對大氣的污染也日益嚴重。另外，交通運輸行業(yè)是最依賴能源的部門，2012年中國車用燃油占燃油總消耗量的比例已到達55%[2]；況且與發(fā)達國家相比，我國的機動車油耗水平相對較高[3]，降低石油消耗水平刻不容緩?？傊h(huán)境污染與能源安全問題已經越來越嚴重，開發(fā)污染小的新能源是當務之急。

氫能具有熱值高、無污染、可再生等優(yōu)點[4]，70年代至今，隨著制氫技術的發(fā)展，氫燃料電池在發(fā)電、電動車和微型電池方面的應用開發(fā)取得了許多成果[5]，開發(fā)低能耗、低排放的制氫方式是制氫技術的發(fā)展趨勢。車載二甲醚重整制氫技術首先是把燃料經過處理器或重整器轉變成合成氣(CO和H2)，要求裝置體積小、質量小、響應快。雖然技術較復雜，但因本身節(jié)約了運輸產生的費用、能耗，減少了污染，車載二甲醚重整制氫在一定程度上有優(yōu)勢[6]。焦爐煤氣是煉焦的副產物，其中存有大量氫氣，氫氣含量占54%～59%[7]。焦爐煤氣制氫是一種具有我國特點的制氫方法[8]，目前用變壓吸附法從焦爐煤氣中提取氫氣的技術已十分成熟，氫氣純度99.95%以上，最高的能達到99.995%[7]。焦爐煤氣制氫技術較之其他制氫方法在技術成熟度上有著顯著的優(yōu)勢，但是在運輸上有大量的能量消耗和排放，也有一定的缺點[9]。

本文列出了車載二甲醚重整制氫與焦爐煤氣制氫在生產和運輸過程各個環(huán)節(jié)能耗和CO2排放的清單，并對其進行計算、分析、對比，這對于氫能在汽車上的應用具有重要意義。

1 建立模型

1.1 參數(shù)定義

本文將焦爐煤氣制氫和車載二甲醚重整制氫清單模型分析參數(shù)分為能耗與CO2排放，不考慮其他污染物的排放，評價這兩個參數(shù)的功能單位分別是MJ/kg和kg/kg。

1.2 評價邊界

焦爐煤氣制氫的過程評價邊界包括從焦爐煤氣制氫開始到加注到汽車油箱為止的整個過程，分為三個主要階段，即氫的制取、氫的運輸、氫的加注。

焦爐煤氣制氫過程的能耗包括制氫階段能耗、運輸階段能耗、加氣站階段能耗三個部分。制氫階段能耗分為從焦爐煤氣提取氫氣的能耗和氫氣在中央廠壓縮或液化的能耗；運輸階段能耗根據(jù)三種不同的氫運輸方式分類討論，氣氫拖車和液氫拖車運輸需計算卡車燃油能耗，氣氫管道由于進口與出口存在壓差，只產生很少運輸能耗，因此本文忽略不計[10]；加氣站的能耗指的是氫氣從運輸車卸載到加氫站的儲氫罐的過程和從加氫站的儲氫罐加注到汽車油箱過程的能耗。焦爐煤氣制氫過程的CO2排放不僅包括氣氫拖車和液氫拖車的燃油燃燒產生的部分，也包括制氫和加氣站階段電力設備的排放部分(將電能看成由煤炭發(fā)電產生，煤炭發(fā)電過程有CO2排放)。

車載二甲醚重整制氫過程包括二甲醚的運輸及重整二甲醚產生合成氣。本文采用實驗室常溫常壓下二甲醚部分氧化重整制氫的實驗數(shù)據(jù)為計算依據(jù)[11]。實驗中二甲醚部分氧化重整制氫的反應物為二甲醚和空氣，生成物中主要是H2、CO、CO2、CH4和N2。

1.3 數(shù)據(jù)清單

1.3.1 焦爐煤氣制氫過程清單

制氫階段的清單如表1[12]、表2[9]所示。

表1 焦爐煤氣制氫能耗和物質損耗[12]

表2 氫氣在中央廠壓縮和液化的能耗[9]

加注階段的清單如表3[10]所示。

表3 加注站耗能[10]

1.3.2 車載二甲醚重整制氫過程清單

車載二甲醚重整制氫階段的清單如表4所示，該數(shù)據(jù)為實驗室數(shù)據(jù)。

表4 車載制氫能耗狀況[11]

2 數(shù)據(jù)計算

本文計算過程中使用如下數(shù)據(jù)：

火力發(fā)電電能全生命周期CO2排放：1.02 kg/kW·h[13]，火力發(fā)電占全國發(fā)電量的78.6%[14]；

運輸部分CO2排放： 1 kg柴油排放3.186 3 kg CO2；

柴油熱值為46.04 MJ/kg，密度為0.83 kg/L；卡車燃油(柴油)經濟性: 6.3 L/100 t×km[15]；

車載二甲醚制氫條件下H2密度：0.083 g/L；

車載二甲醚制氫條件下二甲醚密度：0.661 kg/L。

2.1 主要計算公式

設運輸距離為L(km)，計算制取單位質量H2的能耗與CO2排放。

2.1.1 焦爐煤氣制氫過程能耗計算公式

(1)氣氫拖車

氣氫拖車總能耗=提取氫氣及壓縮氫氣的能耗+氣氫拖車燃油的能耗+氣氫拖車到加注站以及加注到油箱的能耗=2.407×10-3L+7.86

(2)液氫拖車

液氫拖車總能耗=提取氫氣及液化氫氣的能耗+液氫拖車燃油的能耗+液氫拖車到加注站及加注到油箱的能耗=2.407×10-3L+43.50

(3)氣氫管道

氣氫管道總能耗=提取氫氣及壓縮氫氣的能耗+氣氫管道到加注站及加注到油箱的能耗=10.74

2.1.2 車載二甲醚重整制氫過程耗能計算公式如下：

車載二甲醚重整制氫總能耗=車載二甲醚重整制氫反應的能耗+二甲醚運輸?shù)哪芎?9.23×10-3L+2.6643×10-6

2.1.3 焦爐煤氣制氫過程CO2排放計算公式

(1)氣氫拖車

氣氫拖車CO2總排放=提取氫氣及壓縮氫氣的CO2排放+氣氫拖車燃油的CO2排放+氣氫拖車到加注站及加注到油箱的CO2排放=1.666×10-4L+1.751

(2)液氫拖車

液氫拖車CO2總排放=提取氫氣及液化氫氣的CO2排放+液氫拖車燃油的CO2排放+液氫拖車到加注站及加注到油箱的CO2排放=1.666×10-4L+9.687

(3)氣氫管道

氣氫管道CO2總排放=提取氫氣及壓縮氫氣的CO2排放+氣氫管道到加注站及加注到油箱的CO2排放=2.392

2.1.4 車載二甲醚重整制氫CO2排放計算公式

車載二甲醚重整制氫CO2總排放=二甲醚運輸過程CO2排放+電能CO2排放+二甲醚重整制氫反應的CO2排放=6.39×10-4L+0.623

2.2 計算結果與分析

焦爐煤氣制氫與車載二甲醚重整制氫過程能耗與CO2排放對比如圖1、圖2所示。

圖1 焦爐煤氣制氫與車載二甲醚制氫總能耗對比

由圖1可以看出，在中短途運輸中，焦爐煤氣制氫的三種運輸方式總能耗都比車載二甲醚重整制氫多，其中液氫拖車運輸總耗能最大；在長途運輸中，車載二甲醚重整制氫總耗能上升較快，超過氣氫拖車、氣氫管道兩大運輸方式，但離液氫拖車運輸仍有很大距離。

圖2 焦爐煤氣制氫與車載二甲醚重整制氫過程CO2排放對比

由圖2可以看出，在中短長途運輸中，車載二甲醚重整制氫CO2總排放都比焦爐煤氣制氫三種運輸方式的CO2總排放少；在超長途運輸中，車載二甲醚重整制氫的CO2總排放才超過氣氫拖車、氣氫管道兩大運輸方式，但實際中運輸多為中短途運輸，而超長途運輸?shù)那闆r在實際中基本不存在。

由圖1和圖2可以看出，焦爐煤氣制氫液氫拖車的總能耗和CO2總排放均高于氣氫拖車和氣氫管道，但每輛液氫拖車所能儲存的H2含量比氣氫拖車多得多，因此兩者各有優(yōu)勢。在三種焦爐煤氣制氫運輸方式中，當距離大于1 197 km時，氣氫管道的總耗能比氣氫拖車的總耗能少，而當距離大于3 848 km時，氣氫管道的CO2總排放比氣氫拖車的CO2總排放少?？梢姎鈿涔艿肋m合長途氫運輸，但管道建設技術和成本要求較高，前期準備久，因此氣氫管道與車運各有優(yōu)勢。

3 結論

本文建立了計算焦爐煤氣制氫與車載二甲醚重整制氫過程的能耗與CO2排放的模型，計算結果表明，焦爐煤氣制氫與車載二甲醚重整制氫各具優(yōu)勢。焦爐煤氣制氫技術簡單，使用已經普及；車載二甲醚重整制氫技術較復雜，使用范圍還很小，但在中短途運輸中能耗和CO2排放較少，若能普及必定有很大的優(yōu)勢。焦爐煤氣制氫的三種運輸方式各有特點，應根據(jù)具體情況具體分析，選擇最優(yōu)運輸方案。

影響制氫過程能耗與CO2排放的其他因素還很多，如運輸階段中交通條件的影響等，本文只做估算對比，因此這些因素的不確定性對清單結果的影響需要進一步研究。

[1]中國行業(yè)研究網.2012年7月份全國汽車保有量過億輛[EB/OL].[2012-7-23]http://www.chinairn.com/news/20120723/555309.html.

[2]太平洋汽車網.中國車用燃油消耗量占總消耗的比例近55%[EB/OL].(2012-7-30)http://www.pcauto.com.cn/news/hyxw/1207/2053483.html.

[3]網易汽車.我國油耗標準與國際水平差距明顯[EB/OL].(2010-12-01)http://auto.163.com/10/1201/15/6MR12N7U00084KQ2.html.

[4]邢春禮,費穎,韓俊,等.氫能與燃料電池能源西塘[J].節(jié)能技術,2009,27(3):288.

[5]劉潔,王菊香,邢志娜,等.燃料電池研究進展及發(fā)展探析[J].節(jié)能技術,2010,28(4):366.

[6]馬忠,蔣淇忠,馬紫峰.車載二甲醚重整制氫技術的研究進展[J].化工進展,2011,30(2):292-297.

[7]楊力,董躍,張永發(fā),等.中國焦爐煤氣利用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].山西能源與節(jié)能,2006(1):1-4.

[8]賈同國,王銀山,李志偉.氫能源發(fā)展研究現(xiàn)狀[J].節(jié)能技術,2011,29(3):265.

[9]Yang C,Ogden J.Determining the lowest-cost hydrogen delivery mode[J].International Journal of Hydrogen Energy,2007,32(2):268-286.

[10]常樂.氫能供應鏈的系統(tǒng)模擬與優(yōu)化[D].北京:申請清華大學工學博士學位論文,2008:28.

[11]馬奎峰，劉寧博，宋凌珺，等.車載等離子體重整二甲醚制氫系統(tǒng)性能提高途徑[J].石油學報:石油加工，2012,28(5):30-37.

[12]董義財.焦爐煤氣變溫變壓吸附制氫[J].能源工程,1991,11(4):32-34.

[13]Lingjun Song,Hao Wang,Chaoshuai Liu,Hewu Wang.Life cycle analysis of coal-fired power generation in China.12th COTA International Conference of Transportation Professionals,August 2012,2754-2761.

[14]中國機械工業(yè)聯(lián)合會.中電聯(lián)發(fā)布2012年全國電力工業(yè)運行簡況[EB/OL].(2013-1-21)http://cmif.mei.gov.cn/news.asp?sid=475480&f=1.

[15]中國交通運輸協(xié)會.中國交通年鑒[R].2006.

ComparisonofCO2EmissionandEnergyConsumptionofHydrogenProductionfromCokeOvenGasandDimethylEtheronboardReformingProcess

XU Zheng，SONG Ling-jun

(School of Transportation Science and Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)

The models of process of transportation and hydrogen production from coke oven gas and dimethyl ether(DME) onboard reforming were built respectively. The energy consumption and CO2emission were analyzed. The result showed in the medium and short transportation distance, the energy consumption and CO2emission of hydrogen production from DME were much less than hydrogen production from coke oven gas. Moreover, energy consumptions and CO2emissions were different with three kinds of transportation ways of hydrogen production from coke oven gas because of variety of situations. So each of them had its own advantages. The result will be helpful for choosing a more appropriate hydrogen production technique, and reducing energy consumptions and emissions in life cycle.

coke oven gas; dimethyl ether; hydrogen production onboard; energy consumption; CO2emission

2013-08-19修訂稿日期2013-11-01

國家自然科學基金(21106002)；面向中美清潔能源合作的電動汽車前沿技術研究(2010DFA7 2760)

徐征(1991～),男，本科在讀。

TQ522.61

A

1002-6339 (2014) 01-0038-04