氯堿企業(yè)副產(chǎn)氫氣用于氫燃料電池現(xiàn)狀及前景分析

李 寧，趙國良，王志元，商付濱，曹長青

（濱化集團股份有限公司，山東濱州256600）

進入新世紀，國內(nèi)化工技術(shù)水平發(fā)展迅速，社會各界對能源的環(huán)保程度尤為重視。在這樣的背景下，氫能源成為了全球能源發(fā)展與節(jié)能減排的最終目標。氫能源具有五大特點：一是應(yīng)用廣泛；二是能量轉(zhuǎn)化效率極高；三是蘊含大密度能量；四是節(jié)能環(huán)保；五是全球儲量豐富。氫能源是近年來全球大力推行的一種新型清潔能源，在能源應(yīng)用領(lǐng)域中，更是受到社會各界的青睞。在應(yīng)用方面，當前以氫燃料技術(shù)為基礎(chǔ)的氫燃料電池逐漸得到了國人的關(guān)注，尤其在新能源汽車的應(yīng)用領(lǐng)域中，有著廣闊的發(fā)展空間。在未來，氫能源基礎(chǔ)設(shè)施逐漸完善后，氫能源產(chǎn)品的應(yīng)用范圍空間會更大， 普及度會更高，這也就對國內(nèi)氯堿企業(yè)的發(fā)展速度與技術(shù)水平提出了更高的要求。通過調(diào)研來看，當前國內(nèi)絕大多數(shù)氯堿企業(yè)只是單純進行主產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)營，對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氫氣利用率極低。除了用于鹽酸合成、生產(chǎn)部分化工產(chǎn)品及作為燃料外，有很大一部分直接排放，造成資源極大的浪費，無法發(fā)揮氫氣巨大的經(jīng)濟效益。

1 氯堿企業(yè)副產(chǎn)氫氣利用現(xiàn)狀

氯堿生產(chǎn)是對飽和氯化鈉溶液運用電解的方法來制取氫氣、氯氣與燒堿，并以此為生產(chǎn)原材料來進一步加工下游其他化學(xué)品。

目前，氯堿行業(yè)雖然制氫的企業(yè)不在少數(shù)，技術(shù)也逐漸成熟。但從調(diào)研數(shù)據(jù)顯示來看，國內(nèi)氯堿企業(yè)的副產(chǎn)品空放率還居高不下，制氫工作還得不到生產(chǎn)企業(yè)的重視。2018 年全國燒堿總產(chǎn)能4 259 萬t，總產(chǎn)量3 420 萬t，其中，氯堿企業(yè)每副產(chǎn)0.025 t 氫氣，大約需要生產(chǎn)1 t 燒堿來獲得。如果氫氣的空放率按30%來計算，2018 年全年國內(nèi)氯堿企業(yè)有不少于25 萬t的氫氣被浪費。而以每輛氫燃料電池車單日消耗5 kg 氫氣的用量來看，被浪費掉的氫氣足夠7 萬輛氫能源汽車行駛2 年[1]。

當前有效利用氫氣實現(xiàn)應(yīng)用的途徑有以下幾個方面：一是通過氫能源的氫燃料電池技術(shù)來設(shè)立氫能發(fā)電廠；二是直接當做燃料來使用產(chǎn)生蒸汽；三是通過回收利用儲藏為高純壓縮氫氣進行銷售；四是用于有機物與化工產(chǎn)品精細化工合成產(chǎn)業(yè)；五是用于石油加工行業(yè)中的石油加氫裂化環(huán)節(jié)；六是當做原料來生產(chǎn)合成氨。在這幾種應(yīng)用途徑里，石油加工行業(yè)與制氨行業(yè)的需求量是最大的，但受投資大、效益低、下游產(chǎn)品少、無法形成有效產(chǎn)業(yè)鏈條等原因的影響，始終未能獲得相關(guān)企業(yè)的認可。從這種局面來看，全力發(fā)展氫能源電池技術(shù)，開拓氫電池汽車市場，是當前開發(fā)利用氫氣的有效途徑與方向。

2 氫燃料電池的氫氣來源

氫氣可以通過許多能源中來制備獲取，當前的技術(shù)手段也十分成熟。從目前來看，制備來源依照環(huán)保要求與成本因素分析分為以下5 種。

（1）化工原料制氫

在化工原料制氫中，最常見的是利用甲醇，其主要有3 種方式：甲醇部分氧化、蒸汽甲醇重整和甲醇裂解。甲醇裂解的方式受其原料充足與使用范圍寬泛的優(yōu)勢，具有一定競爭力。甲醇裂解的制氫方式與石油、天然氣、水煤制氫等手段比較，其能源消耗更低，資本投入更少。而和水電解法制氫的方式對比，其制氫的單耗成本更低，但在成本方面與氯堿制氫的方式相比，高出約50%[2]。

（2）石油資源制氫

石油資源制氫的途徑中，主要分為天然氣與煤2 種技術(shù)方法。煤制氫技術(shù)最主要的弊端就是碳排放量巨大，污染嚴重。天然氣制氫有4 種方式，分別為絕熱式裂解催化、自發(fā)熱重整、部分氫化與水蒸氣重整。從成本上來說，天然氣的裂解制備技術(shù)方式的單位成本可以有效控制在9~17 元/kg，和其他制備手段相比具有很大的優(yōu)勢。但這種技術(shù)手段的實施需要單獨設(shè)立生產(chǎn)線，單獨配備人員，這就直接導(dǎo)致了制氫項目的前期資金投入十分巨大，嚴重影響生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟效益，最終導(dǎo)致這種模式無法有效落地實施。

（3）水電解法制氫

水電解法制氫技術(shù)手段具有碳排放量低、污染小、能量轉(zhuǎn)化率高的優(yōu)勢。尤其是在能量轉(zhuǎn)化率方面，其借助自然資資源，例如風(fēng)力、潮汐能、水利設(shè)施等，轉(zhuǎn)化率可以突破70%，制氫效率極高。但這種制氫方式的單耗成本為27~40 元/kg，是這5 種制氫手段中成本最高的。造成這種高成本的原因主要是受技術(shù)水平與電力的制約。在未來，隨著發(fā)電技術(shù)不斷成熟，技術(shù)不斷革新，水電解法這種模式解決成本的困擾，會成為主要的制氫技術(shù)手段。

（4）水煤氣法制氫

該方法在這5 種制氫模式中適用的范圍最大，單耗成本也是最低，但水煤氣法制氫最大問題在于產(chǎn)成品中的硫含量非常高，產(chǎn)生的二氧化碳數(shù)量也十分巨大，給全球環(huán)保帶來嚴重的負面影響；另一方面， 這種含硫較高的氫氣無法應(yīng)用于氫燃料電池，會直接導(dǎo)致電池中的催化劑產(chǎn)生中毒反應(yīng)。加入對水煤氣法制出的氫氣進行脫硫處理，那又會使成本上升很大一截，同時技術(shù)要求也會更加嚴格復(fù)雜。因此，這種方法可以有效制氫，但在節(jié)能環(huán)保的思想下，無法進一步實現(xiàn)應(yīng)用。

（5）氯堿制氫[3]

這種方法最大的優(yōu)勢在于節(jié)能環(huán)保，并且產(chǎn)出的氫氣純度高。從單耗成本上來看，這種工藝的制氫成本適中，但由于所產(chǎn)氫氣是副產(chǎn)品，綜合前期投入和綜合效益來看，成本具有一定優(yōu)勢。而最重要的是，這種工藝與氫燃料電池的匹配度很高，可以有效實現(xiàn)應(yīng)用。

通過對以上5 種制氫工藝的分析可以看出，當前制氫手段較為成熟，制氫技術(shù)種類多樣化，氫氣的供應(yīng)量也可以滿足需求。但目前所缺少的是成本低、污染小的制氫辦法，從現(xiàn)在幾種方式來看，氯堿制氫的工藝最為可行，其兼具了環(huán)保、成本、純度、產(chǎn)量等多方面的要求，是氫能源電池技術(shù)繼續(xù)規(guī)?；l(fā)展的主要原料。

3 國內(nèi)加氫站與氫燃料電池現(xiàn)狀及未來前景

氫燃料電池是一種利用電解水的逆反應(yīng)原理，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，原理過程具體分為3 步：第一步是將氫供給到陽極，氧供給給陰極；第二步是電解質(zhì)與擴散的氫產(chǎn)生反應(yīng)；第三步是釋放出電子，并通過負載輸送至陰極。這種電池的充放電循環(huán)十分環(huán)保，廢棄物是純水，不附帶任何有毒物質(zhì)。此類電池具有轉(zhuǎn)化率高、噪聲低、零污染的特點，發(fā)電效率超過80%。

這種新型電池最重要的應(yīng)用為氫能源汽車。經(jīng)過有效數(shù)據(jù)調(diào)研與相關(guān)機構(gòu)的預(yù)測，到二十一世紀二十年代，國內(nèi)的氫能源汽車保有量將突破一萬輛，總產(chǎn)值會接近3 000 億元， 加氫站的總量會達到100 個。而這3 項數(shù)字在2030 年左右分別會達到保有量二百萬輛，總產(chǎn)值一萬億元，加氫站1 000 個。從調(diào)研機構(gòu)的這項數(shù)據(jù)可以看出，這種新興技術(shù)產(chǎn)品已經(jīng)獲得了社會的認可。

另一方面，當前氫能源電池的發(fā)展也面臨著幾大難題：第一是氫氣產(chǎn)品的售價過高；第二是氫能源汽車的制造成本很高，消費者很難購買；第三是加氫站配套設(shè)施數(shù)量嚴重不足。但在未來，這些問題會隨著技術(shù)的革新、國家的扶植、產(chǎn)業(yè)鏈的建立等措施一一解決，尤其是各類自然資源電力設(shè)施的不斷普及，氫能源電池的未來前景將更為光明。

4 結(jié)語

氯堿制氫對于氫燃料電池的廣泛應(yīng)用有著重要的意義。但目前來看，制氫工藝還或多或少的存在成本高、環(huán)保差、經(jīng)濟效益低的弊端。因此針對副產(chǎn)氫氣，應(yīng)加大氫氣的特性研究力度和下游產(chǎn)品開發(fā)深度，發(fā)揮副產(chǎn)氫氣的資源利用價值，給企業(yè)帶來新的利潤增長點及長遠發(fā)展動能，創(chuàng)造其應(yīng)有的顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。