天然氣制氫與加氫站合建概述

韓煒鴻(濟(jì)南港華燃?xì)庥邢薰?，山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步，環(huán)保壓力與日俱增，人們對(duì)低碳化能源消費(fèi)也日益重視。氫作為具有清潔、零排放等特點(diǎn)的一種能源，是未來(lái)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉粗?，將在交通運(yùn)輸、工業(yè)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)普及應(yīng)用。工業(yè)領(lǐng)域上可與煉化、鋼鐵、冶金等行業(yè)有機(jī)融合，有效減少碳排放。交通運(yùn)輸上可通過(guò)燃料電池技術(shù)，應(yīng)用于汽車等交通運(yùn)輸領(lǐng)域，推動(dòng)交通終端用能清潔化。

目前氫氣主要來(lái)源于煤制氫及工業(yè)副產(chǎn)品制氫，其中煤炭制氫在人工制氫產(chǎn)業(yè)中占比約62%。隨氫能發(fā)展，繼續(xù)大規(guī)模使用煤制氫及工業(yè)副產(chǎn)品制氫，將造成嚴(yán)重的大氣污染。天然氣制氫是氫制取產(chǎn)業(yè)較為成熟方式之一，約占19%。天然氣制氫為近期人工制氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。而國(guó)外主流的制氫方式也為天然氣制氫。

目前天然氣行業(yè)供需相對(duì)寬松，國(guó)內(nèi)天然氣綜合保供能力強(qiáng)。2019年，全球天然氣產(chǎn)量增速(3.4%)大大超過(guò)消費(fèi)量增速(2%)，大部分地區(qū)的天然氣存儲(chǔ)量上升[1]。隨著天然氣產(chǎn)供儲(chǔ)銷體系建設(shè)有序開(kāi)展，西氣東輸、海氣登陸和國(guó)家級(jí)、省級(jí)天然氣干線的互聯(lián)互通，全國(guó)天然氣供應(yīng)保障總體平穩(wěn)，預(yù)計(jì)2020年保供能力將達(dá)到3600億立方米以上。

為促進(jìn)加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，2020年氫能/儲(chǔ)能首次被寫入年度國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展計(jì)劃并明確指出：制定國(guó)家氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃；支持新能源汽車、儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。山東省發(fā)布?xì)淠墚a(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2020-2030年)指出：2020年到2022年，為氫能產(chǎn)業(yè)全面起步期。有序推進(jìn)加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，累計(jì)建成加氫站30座；燃料電池汽車在公交、物流等商用車領(lǐng)域率先示范推廣，約3000輛左右。[2]

加氫站是連接上游氫氣和下游燃料汽車的紐帶，是發(fā)展燃料電池車的基本條件。截至2020年1月，我國(guó)已建成加氫站61座，與2020年加氫站數(shù)量達(dá)到100座的發(fā)展目標(biāo)相比差距甚遠(yuǎn)。究其原因，最主要是加氫站成本高、收益慢。國(guó)家及地方政府已在政策上給予高度重視及扶持，氫能想穩(wěn)步發(fā)展，就得增加市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，降低成本。

1 天然氣制氫與加氫站合建優(yōu)勢(shì)

典型燃料電池汽車每百公里消耗1kg氫氣，與傳統(tǒng)汽油車對(duì)比，氫氣成本≤40元/kg時(shí)氫燃料才有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力[3]，現(xiàn)在氫氣售價(jià)一般為60～80元。氫氣成本包括制氫、運(yùn)氫、氫氣利用三部分，制氫與加氫站合建，即可省掉運(yùn)氫環(huán)節(jié)，省去昂貴的氫氣運(yùn)輸費(fèi)用，顯著降低氫氣成本。

1.1 天然氣運(yùn)輸

目前在建或已建成的加氫站大多采用外供氫的方式，而國(guó)際上大多數(shù)國(guó)家加氫站采用站內(nèi)制氫加氫技術(shù)。如圖1所示，外供氫方式工作流程為：制氫廠生產(chǎn)氫氣提純后經(jīng)壓縮機(jī)壓縮，通過(guò)裝氣柱裝入長(zhǎng)管拖車或集裝格運(yùn)輸，到達(dá)目的地后，經(jīng)由氫氣壓縮機(jī)增壓后，注入加氫站的高壓、中壓、低壓儲(chǔ)氣罐中分級(jí)儲(chǔ)存，再通過(guò)氫氣加氣機(jī)為燃料電池汽車加注氫氣[3]。

目前氫氣運(yùn)輸為高壓氣態(tài)運(yùn)輸，一般采用長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸，小規(guī)模用戶可采用氫氣瓶集裝格運(yùn)輸。國(guó)內(nèi)長(zhǎng)管拖車氣瓶壓力一般為20MPa，運(yùn)輸量約250～460kg/車，且回空壓力不能過(guò)低，整體利用率僅為75%～85%?？紤]到經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫一般適用于200km內(nèi)的短距離運(yùn)輸。隨著運(yùn)輸距離的增加，長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸成本逐漸上升。為一座500kg/d加氫站供氣，若距離為100km，運(yùn)氫成本約為8.66元/kg[4]。一般情況下，通過(guò)氫氣管束車運(yùn)輸方式成本約占總成本的22%～26%[5]。

圖1 外供氫方式工作流程

1.2 氫氣成本核算

天然氣價(jià)格是決定制氫價(jià)格的重要因素，約占制氫成本73%[6](考慮設(shè)備損耗、人工費(fèi)等)。按濟(jì)南市工業(yè)用氣價(jià)格估算，氫氣成本約24元/kg。天然氣制氫原材料消耗定額見(jiàn)表1。

天然氣制氫在用氣結(jié)構(gòu)中屬于四季使用的優(yōu)質(zhì)用戶，燃?xì)馄髽I(yè)一般會(huì)給予一定優(yōu)惠政策，同時(shí)通過(guò)使用城市燃?xì)馀c采購(gòu)低價(jià)格LNG相結(jié)合方式，可進(jìn)一步降低氫氣成本，天然氣制氫價(jià)格可控制在22元/kg左右。

建設(shè)一座500kg/d，35MPa加氫壓力的加氫站，壓縮機(jī)、加氫機(jī)、儲(chǔ)氫罐等設(shè)備昂貴，約占整個(gè)建設(shè)成本57%，加氫環(huán)節(jié)氫氣成本約14.2元/kg[7]。采取天然氣制氫與加氫合建方式，節(jié)省運(yùn)輸費(fèi)用，氫氣成本可控制在37元左右。

表1 天然氣制氫成本估算(1000m3 H2為單位產(chǎn)品)

2 天然氣制氫與加氫站合建技術(shù)要求

天然氣制氫與加氫合建站選址要符合城市總規(guī)、控規(guī)等要求，滿足未來(lái)城市發(fā)展需求且交通便利的地方。站內(nèi)功能分區(qū)分明，布置整齊、緊湊，盡可能節(jié)約用地。站場(chǎng)平面布置服從工藝流程走向，在符合安全的條件下，各管線走向和運(yùn)輸路線走向最短。

整個(gè)站的建設(shè)設(shè)計(jì)主要參考規(guī)范《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50177)、《加氫站技術(shù)規(guī)范》(GB 50516)等相關(guān)規(guī)范規(guī)定要求。站內(nèi)的制氫裝置、儲(chǔ)氫裝置等設(shè)備一般為室外布置，按《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50177)規(guī)定要求，可將站內(nèi)的建筑物、構(gòu)筑物和室外設(shè)備視為一套工藝裝置，裝置內(nèi)部分工藝設(shè)備區(qū)、建筑物區(qū)。設(shè)備區(qū)布置包括制氫工藝，氫氣灌充、壓縮和儲(chǔ)存、運(yùn)輸車加注等。設(shè)備與建筑物等防火間距依據(jù)工藝裝置區(qū)內(nèi)要求。

場(chǎng)站與周邊建構(gòu)筑物、站內(nèi)管道之間、站內(nèi)設(shè)施及建構(gòu)筑物防火間距滿足《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50177)、《加氫站技術(shù)規(guī)范》(GB 50516)規(guī)定要求。防火間距應(yīng)按相鄰建筑物、構(gòu)筑物的外墻、凸出部分外緣、儲(chǔ)罐外壁的最近距離計(jì)算[8]。

城市建成區(qū)加氫站儲(chǔ)氫總量不得超過(guò)1000kg，最常見(jiàn)的加氫規(guī)模是500kg/天。加氫站的儲(chǔ)氣壓力分為40～45MPa、80～90MPa兩種，加注壓力分別為35MPa、70MPa。目前35MPa最為常見(jiàn)，隨氫能產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展、技術(shù)革新，加氫站加注壓力正向70MPa、甚至90MPa發(fā)展。

站內(nèi)氫氣壓縮機(jī)不宜少于2臺(tái)，連續(xù)運(yùn)行的往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)應(yīng)設(shè)備用。加氫站壓力有別于CNG加氣站25MPa(加注20MPa)壓力，儲(chǔ)罐分級(jí)略有不同。為達(dá)到最佳取氣率，高中壓儲(chǔ)氫罐最佳容積比為1:2:2[10]。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)可持續(xù)綠色發(fā)展，大力發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的同時(shí)，注重低碳制氫。制氫產(chǎn)業(yè)中，煤制氫產(chǎn)生大量碳排放，不符合國(guó)家節(jié)能減排環(huán)保發(fā)展要求，與發(fā)展氫能用于減排提效的初衷相餑；可再生能源制氫雖是今后制氫發(fā)展趨勢(shì)，但目前其技術(shù)相對(duì)不成熟、成本高，所以在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，天然氣制氫在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

加氫站是發(fā)展氫能下游市場(chǎng)、發(fā)展燃料電池的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，在站內(nèi)天然氣制氫，有利于土地整合利用、節(jié)省昂貴的氫氣運(yùn)輸費(fèi)用，大幅度降低氫氣成本。氫能只有擺脫政府補(bǔ)貼的依賴，市場(chǎng)價(jià)格與傳統(tǒng)能源有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。隨技術(shù)自主研發(fā)，加氫站儲(chǔ)氣、加注壓力提升、壓縮機(jī)等固定設(shè)備成本降低，將進(jìn)一步降低氫氣成本，相信氫能產(chǎn)業(yè)鏈將會(huì)長(zhǎng)久發(fā)展。