焦爐煤氣制氫工藝及生命周期評價

蘇越

摘 要：近年來，全國的機動車保有量持續(xù)增加。然而，機動車數(shù)量的不斷增加也帶來了嚴重的資源與環(huán)境問題。氫能作為一種清潔的能源，對于減少溫室氣體排放和改善大氣質(zhì)量具有重要的意義。在鋼鐵的生產(chǎn)流程當中，存在著諸如焦爐煤氣這樣的富氫氣體被作為燃料使用，是獲取氫氣的很好原料。本文采用了生命周期評價（LCA）方法對焦爐煤氣制氫過程、氫氣運輸過程及終端消費過程的成本和碳足跡進行了定量化的評估。本文首先考察了焦爐煤氣制氫的工藝流程，由于焦爐煤氣中氫氣含量較高，通過變壓吸附（PSA）分離就可獲取高純度的氫氣。然后，本文劃定了生命周期評價的系統(tǒng)邊界，包含了焦爐煤氣的變壓吸附分離純化、氫氣的后處理、氫氣的運輸以及氫氣進入加注站等過程，并作出了一些必要的基本假設(shè)。接下來，本文對于焦爐煤氣制氫生命周期的每個環(huán)節(jié)進行了定量化的清單分析，將計算結(jié)果進行匯總后得出，若采用氣氫拖車的運輸方式，焦爐煤氣制氫的成本約為16.63元/kg氫氣，碳足跡為25.31kg/kg氫氣；而采用液氫拖車的運輸方式，焦爐煤氣制氫的成本約為23.10元/kg氫氣，碳足跡為24.33kg/kg氫氣。最后，本文對計算得到的結(jié)果進行了一定的分析，提出了一些降低焦爐煤氣制氫成本的具體建議。

關(guān)鍵詞：焦爐煤氣制氫；生命周期評價；經(jīng)濟性；碳足跡

中圖分類號：TQ116.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）21-0135-02

“十二五”以來，隨著中國經(jīng)濟的快速增長，也導致了全國機動車的數(shù)量持續(xù)增加。然而，機動車數(shù)量的不斷增加也帶來了嚴重的資源與環(huán)境問題，例如，隨著汽車銷量的增加，汽油的消耗量也在不斷增加，進一步加劇我國的能源壓力；另外，汽車尾氣中的有害氣體對于霧霾的形成有著顯著的作用。氫能作為一種清潔的能源，對于減少溫室氣體排放和改善大氣質(zhì)量具有重要的意義。

1 氫氣的基本性質(zhì)和用途

氫氣是目前最清潔的能源，它能和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生無污染的水。在以煤炭為主的化石能源結(jié)構(gòu)中，氫氣將是替代化石能源極具潛力的綠色載體。

從物理性質(zhì)來看，氫氣具有低密度，無色，無味等性質(zhì)。常溫下化學性質(zhì)穩(wěn)定，但可與較多物質(zhì)在點燃或加熱情況下反應(yīng)。從用途上來看，氫氣被廣泛的應(yīng)用于合成氨工業(yè)。在石油工業(yè)上，各類加氫化過程，如：裂化，脫硫等需要消耗大量氫氣，同時氫氣還可以用來合成其他物質(zhì)。氫氣和氯氣反應(yīng)生成氯化氫并用來生產(chǎn)化工原料鹽酸。甲烷的合成是氫氣和一氧化氮的合成氣在加壓催化的條件下生成的。氫氣還可以通過放熱反應(yīng)參與到金屬切割中。

2 焦爐煤氣制氫的工藝流程

焦爐煤氣中氫氣含量占比較大，現(xiàn)有的焦爐煤氣制氫都通過變壓吸附分離來提高氫氣純度。但是焦爐煤氣中仍存在一些雜質(zhì)，這些雜質(zhì)必須在進入PAS前脫除。同時，由于焦爐煤氣壓力只有5kPa，為滿足PSA以及后續(xù)需要，需要將焦爐煤氣壓力分段壓縮提升。其工藝流程為首先將焦爐煤氣加壓處理，經(jīng)過預(yù)處理除去雜質(zhì)，得到較高壓力的凈化氣，然后進一步加壓，進行變壓吸附分離操作，即可得到高壓的純化氫氣。

3 焦爐煤氣制氫的生命周期評價

3.1 系統(tǒng)邊界

本文所考察的系統(tǒng)邊界如圖1所示。包含了焦爐煤氣的變壓吸附分離純化、氫氣的后處理、氫氣的運輸以及氫氣進入加注站等過程。對于運輸過程而言，運輸車輛及其所需柴油的生產(chǎn)過程的成本和碳足跡將不予以考慮。對于運輸方式而言，本文分別考慮氣氫拖車和液氫拖車兩種運輸方式，不考慮管道運輸?shù)姆绞?，因為管道運輸?shù)耐顿Y成本較高，且只能實現(xiàn)點對點的運輸。但是，對于液氫拖車運輸?shù)姆绞剑枰紤]液氫儲罐的成本。本文以下的所有計算均按照生產(chǎn)能力為60000m3H2/h進行計算。

3.2 固定資產(chǎn)投資的成本清單分析

已知基于2010年的價格標準，生產(chǎn)能力37500m3/h的焦爐煤氣制氫裝置需要1.2億元的初始投資，建設(shè)工期10個月，固定資產(chǎn)投資價格指數(shù)1.1。則可以估算出所需的一次性1.75億元，建設(shè)工期約為14月。

3.3 生產(chǎn)原料的清單分析

由于焦爐煤氣在鋼鐵企業(yè)主要被用作燃料使用，因此這里考慮的原料成本實際上是將焦爐煤氣用于制氫后鋼鐵企業(yè)需要的替代天然氣燃料的經(jīng)濟成本和環(huán)境成本。已知天然氣的熱值為38500kJ/m3，取天然氣價格為3.65元/m3。則可以計算得出原料的成本為1.33元/kgH2，碳足跡為11.36kg/kgH2。

3.4 焦爐煤氣制氫過程的清單分析

由于PSA制備純化氫氣是一個物理過程，因此該過程主要的成本在于電能的消耗帶來的經(jīng)濟與環(huán)境成本。已知中國的電能的碳足跡為0.8kg/kWh，電價取0.8元/kWh，根據(jù)文獻數(shù)據(jù)則可以計算得出，焦爐煤氣制氫過程的成本為0.23元/kgH2，碳足跡為0.23kg/kgH2。

3.5 氫氣后處理過程的清單分析

出于運輸?shù)男枨?，?jīng)過焦爐煤氣制氫生產(chǎn)工藝流程之后得到的氫氣，需要進一步進行壓縮。根據(jù)文獻數(shù)據(jù)計算可知，不論是采用氣氫拖車運輸方式還是液氫拖車運輸方式，該過程的經(jīng)濟成本均為12.00元/kgH2，碳足跡為0.23kg/kgH2。

3.6 氫氣運輸過程的清單分析

關(guān)于氫氣的運輸過程的經(jīng)濟成本的核算較為復雜。本文直接采用產(chǎn)業(yè)研究報告中的數(shù)據(jù)，即基于200km的運輸半徑進行計算，當采用氣氫拖車進行運輸時，運輸階段的成本為2.02元/kgH2，而當采用液氫拖車進行運輸時，運輸階段的成本為8.57元/kgH2。

關(guān)于氫氣運輸過程中的碳足跡，主要是運氫車輛的柴油燃燒所導致。從文獻中了解到1kg柴油燃燒排放3.1863kgCO2，運輸車輛每百噸公里油耗為6.3L。經(jīng)過計算可以得出，當采用氣氫拖車進行運輸時，運輸階段的碳足跡為1.00kg/kgH2；而當采用液氫拖車進行運輸時，運輸階段的成本為0.10kg/kgH2。

3.7 氫氣進入加注站過程的清單分析

氫氣從運輸車輛進入加注站過程當中主要的成本在于壓縮機的電能消耗。根據(jù)文獻數(shù)據(jù)可以計算得出，當采用氣氫拖車運輸方式時，氫氣從運輸車輛進入加注站的經(jīng)濟成本為0.72元/kgH2，碳足跡為0.72kg/kgH2；而當采用液氫拖車運輸方式時，氫氣從運輸車輛進入加注站的經(jīng)濟成本為0.64元/kgH2，碳足跡為0.64kg/kgH2。

3.8 總結(jié)與討論

通過對以上的計算結(jié)果進行匯總，可以得到焦爐煤氣制氫的基于全生命周期評價的經(jīng)濟成本和碳足跡，如表1和表2所示。分析表中數(shù)據(jù)，不難得到如下結(jié)論：

（1）從不同的環(huán)節(jié)的角度來看，焦爐煤氣制氫的經(jīng)濟成本和環(huán)境成本最高的環(huán)節(jié)在于對已經(jīng)得到分離純化的氫氣進行后續(xù)壓縮和液化處理用于運輸?shù)沫h(huán)節(jié)，占到整個制氫成本的一半左右。因此，要想提高焦爐煤氣制氫的經(jīng)濟性，減少其環(huán)境成本，需要重點關(guān)注壓縮液化氫氣的環(huán)節(jié)，提高壓縮機等設(shè)備的效率，降低該過程的電能消耗。此外，從碳足跡的角度來看，由于焦爐煤氣被天然氣替代用作燃料帶來的碳足跡也相當可觀，占整個生命周期的碳足跡的一半左右。因此，對于鋼鐵行業(yè)而言，提高燃料的利用效率，對于降低焦爐煤氣制氫的環(huán)境成本具有重要意義。

（2）從運輸方式的角度來看，液氫拖車的經(jīng)濟成本要比氣氫拖車高出約50%，而液氫拖車方式的碳足跡與氣氫拖車的方式相比并沒有太大的優(yōu)勢。造成這一現(xiàn)象的原因主要在于液氫拖車的儲罐的制造成本仍然較高。因此，目前來看，采用氣氫拖車運輸不僅在成本上具有較大的優(yōu)勢，而且其帶來的環(huán)境影響也比較有限。

參考文獻

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