碳中和背景下工業(yè)副產(chǎn)氫氣能源化利用前景淺析

劉思明，石 樂

(1.石油和化學(xué)工業(yè)規(guī)劃院，北京市東城區(qū)，100013；2.航天長征化學(xué)工程股份有限公司，北京市大興區(qū)，101111)

0 引言

目前，全球主流氣候研究機構(gòu)已經(jīng)對全球溫室氣體控制目標(biāo)達(dá)成共識，全球主要國家也均結(jié)合自身情況提出了碳中和發(fā)展的時間表。部分歐美國家早在2010 年前就已實現(xiàn)了碳達(dá)峰[1]，而我國仍處于經(jīng)濟快速發(fā)展階段，二氧化碳排放量仍在持續(xù)上行中，未來碳減排任務(wù)艱巨。由于我國仍處于快速發(fā)展階段且碳排放基數(shù)龐大，現(xiàn)有的舉措還遠(yuǎn)不足以實現(xiàn)巴黎協(xié)定的“2 ℃、1.5 ℃”乃至承諾的碳中和目標(biāo)。根據(jù)國家應(yīng)對氣候變化戰(zhàn)略研究和國際合作中心的相關(guān)研究成果，按照碳排放現(xiàn)有的下降趨勢，若我國在減碳方面不采取更加積極的舉措，預(yù)計2050年碳排放與現(xiàn)狀相比將僅降低10%～20%，與碳中和目標(biāo)相比還存在著較大差距。在這種情況下，若要在全球?qū)崿F(xiàn)“2 ℃、1.5 ℃”的目標(biāo)，除中國以外的其他國家必須減碳超過60%和95%甚至達(dá)到負(fù)排放，這對全世界來說將是幾乎不可能完成的任務(wù)。

氫能是世界新能源和可再生能源領(lǐng)域中正在積極開發(fā)的一種二次能源。氫氣在燃燒過程中不會產(chǎn)生二氧化碳、二氧化硫和煙塵等大氣污染物，同時與太陽能和風(fēng)能相比，氫能又具有相對較強的可儲存性，因此氫能被看作是未來最理想的清潔能源之一[2]。從實現(xiàn)我國碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)來看，在降低高碳能源使用的前提下，在終端應(yīng)用方面氫能源將發(fā)揮著重要的作用。隨著氫能制備、儲運和燃料電池等技術(shù)的日漸成熟，氫能戰(zhàn)略將成為未來全球能源戰(zhàn)略的重要組成部分。

目前，我國在燃料電池汽車領(lǐng)域開展了氫能應(yīng)用示范，受燃料電池和氫氣成本的影響，氫能應(yīng)用成本明顯高于傳統(tǒng)能源。本文重點研究了我國氫能的供給問題，旨在通過分析工業(yè)副產(chǎn)氫來源和競爭力，對依托工業(yè)副產(chǎn)氫發(fā)展氫能源產(chǎn)業(yè)的前景進(jìn)行分析。

1 氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國共有20多個省市陸續(xù)出臺氫能發(fā)展相關(guān)政策，主要包括支持制氫、儲氫、運氫、加氫、關(guān)鍵材料、整車等氫能產(chǎn)業(yè)鏈條技術(shù)研發(fā)，加大財政補貼及科研經(jīng)費投入，加快加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)[3]，推進(jìn)公交車、重卡車、物流車等示范運營。根據(jù)石油和化學(xué)工業(yè)規(guī)劃院統(tǒng)計，截至2020年底，我國燃料電池技術(shù)耐久性達(dá)到約4 000 h、功率密度約4 kW/L，全國已建成加氫站61座，在建70余座，氫燃料電池汽車?yán)塾嫳Ｓ辛? 000輛以上，規(guī)模位居國際前列，在珠三角、長三角和京津冀等地區(qū)初步形成一定示范規(guī)模。

雖然目前我國并未發(fā)布有關(guān)氫能源產(chǎn)業(yè)方面的規(guī)劃，但在《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035)》中已經(jīng)明確提出，將大力發(fā)展氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)，預(yù)計在未來的10～15 a中，將會在交通領(lǐng)域取得提高氫燃料制儲運經(jīng)濟性[4]、推進(jìn)加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面的突破。其中，明確指出將因地制宜開展工業(yè)副產(chǎn)氫及可再生能源制氫技術(shù)方面的應(yīng)用，加快推進(jìn)先進(jìn)適用的儲氫材料產(chǎn)業(yè)化。財政部同步出臺了“以獎代補”的資金支持政策，開展全國氫能源示范城市的遴選，對試點城市給予獎勵，由地方統(tǒng)籌用于支持新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)、人才引進(jìn)、團隊建設(shè)以及新技術(shù)在燃料電池汽車上的示范應(yīng)用。隨著“十四五”我國碳中和戰(zhàn)略的深入實施，我國氫能源產(chǎn)業(yè)示范將有望加速推進(jìn)。

2 工業(yè)副產(chǎn)氫將在氫能源產(chǎn)業(yè)導(dǎo)入期發(fā)揮重要的作用

當(dāng)前我國氫氣生產(chǎn)主要在石化、化工、焦化行業(yè)，作為中間原料生產(chǎn)多種化工產(chǎn)品，少量作為工業(yè)燃料使用[5]。在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，依托現(xiàn)有氫氣產(chǎn)能提供便捷廉價的氫源，支持氫能中下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展、降低氫能產(chǎn)業(yè)起步難度具有積極意義。工業(yè)副產(chǎn)氫氣是指現(xiàn)有工業(yè)在生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)品的過程中生成的氫氣，目前主要形式有燒堿(氫氧化鈉)行業(yè)副產(chǎn)氫氣、鋼鐵高爐煤氣可分離回收副產(chǎn)氫氣、焦炭生產(chǎn)過程中的焦?fàn)t煤氣可分離回收氫氣、石化工業(yè)中的乙烯和丙烯生產(chǎn)裝置可回收氫氣。

根據(jù)石油和化學(xué)工業(yè)規(guī)劃院統(tǒng)計，從目前氫氣的生產(chǎn)原料構(gòu)成來看，我國氫氣來源，一是主要以煤為主，產(chǎn)能為2 388萬t/a，氫源占比為58.9%；二是高溫焦化和中低溫焦化(蘭炭、半焦)副產(chǎn)煤氣中的氫，產(chǎn)能為811萬t/a，氫源占比為20.0%；三是天然氣制氫和煉廠干氣制氫，產(chǎn)能為662.5萬t/a，氫源占比為16.3%；四是甲醇制氫、燒堿電解副產(chǎn)氫、輕質(zhì)烷烴制烯烴副產(chǎn)尾氣含氫等，產(chǎn)能為195.5萬t/a，氫源占比為4.8%。

氫能的終端使用價格由氫氣制備、提純、儲存、運輸、加注和終端應(yīng)用等環(huán)節(jié)構(gòu)成，其中如何獲得價格低廉的氫氣、以經(jīng)濟安全的方式儲運、終端使用規(guī)?；约暗统杀局圃?，是決定氫能源產(chǎn)業(yè)應(yīng)用規(guī)模提升的關(guān)鍵。

2.1 焦化副產(chǎn)氫

焦?fàn)t氣是混合物，隨著煉焦配比和工藝操作條件的不同，其組成也會有所變化，焦?fàn)t氣的主要成分為H2(55%～67%)和CH4(19%～27%)，其余為少量的CO(5%～8%)、CO2(1.5%～3%)、C2以上不飽和烴、氧氣、氮氣，以及微量苯、焦油、萘、H2S和有機硫等雜質(zhì)。通常情況下，焦?fàn)t氣中的H2含量在55%以上，可以直接凈化、分離、提純得到氫氣，也可以將焦?fàn)t氣中的CH4進(jìn)行轉(zhuǎn)化、變換再進(jìn)行提氫，可以最大量地獲得氫氣產(chǎn)品。按照焦化生產(chǎn)技術(shù)水平，扣除燃料自用后，每噸焦炭可用于制氫的焦?fàn)t煤氣量約為200 m3，焦?fàn)t煤氣中的氫氣含量約為56%～59%。

以焦?fàn)t氣為原料制取氫氣的過程中廣泛采用變壓吸附技術(shù)(PSA)。小規(guī)模的焦?fàn)t氣制氫一般采用PSA技術(shù)，只能提取焦?fàn)t氣中的H2，解吸氣返回回收后做燃料再利用；大規(guī)模的焦?fàn)t氣制氫通常將深冷分離法和PSA法結(jié)合使用，先用深冷法分離出LNG，再經(jīng)過變壓吸附提取H2。通過PSA裝置回收的氫含有微量的O2，經(jīng)過脫氧、脫水處理后可得到99.999%的高純H2。

我國作為焦化產(chǎn)業(yè)大國，焦?fàn)t氣是重要的能源和化工原料，充分挖掘焦?fàn)t氣產(chǎn)能，實現(xiàn)利用方式清潔化、產(chǎn)品高附加值化，是該行業(yè)重點關(guān)注的方向之一。我國每年可供綜合利用的焦?fàn)t氣量約為900億Nm3，由于近年來環(huán)保要求趨嚴(yán)，目前大部分焦炭裝置副產(chǎn)的焦?fàn)t氣下游都配套了綜合利用裝置，將焦?fàn)t氣深加工制成天然氣、合成氨、氫氣以及聯(lián)產(chǎn)甲醇合成氨等。但由于氫氣儲運困難，其下游市場局限性較大，目前焦?fàn)t氣制氫在其下游應(yīng)用中所占比例較小。

目前，焦?fàn)t氣直接提氫項目投資較低，比直接使用天然氣和煤炭制氫等方式在成本上更具優(yōu)勢，是大規(guī)模、高效、低成本生產(chǎn)廉價氫氣的有效途徑，在我國具備良好的發(fā)展條件。同時，焦化產(chǎn)能分布廣泛，在山西、河北、內(nèi)蒙、陜西等省份可以實現(xiàn)近距離點對點氫氣供應(yīng)。

采用焦?fàn)t氣轉(zhuǎn)化制氫的方式雖然增加了焦?fàn)t氣凈化過程，增加了能耗、碳排放和成本，但氫產(chǎn)量大幅提升，且焦?fàn)t氣成本遠(yuǎn)低于天然氣價格，相較于天然氣制氫仍具有成本優(yōu)勢。未來隨著氫能產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，氫氣儲存和運輸環(huán)節(jié)成本下降，焦?fàn)t氣制氫將具有更好的發(fā)展前景。以200萬t大型焦化廠為例，可綜合利用焦?fàn)t氣規(guī)模為4.6億Nm3/a，直接提氫和轉(zhuǎn)化制氫的對比見表1。

表1 直接提氫和轉(zhuǎn)化制氫的對比

焦?fàn)t氣制氫成本測算見表2。

表2 焦?fàn)t氣制氫成本測算 元/Nm3

2.2 氯堿副產(chǎn)氫

氯堿廠以食鹽水為原料，采用離子膜或石棉隔膜電解槽生產(chǎn)燒堿和氯氣，同時可以得到副產(chǎn)品氫氣。電解直接產(chǎn)生的H2純度約為98.5%，含有部分氯氣、氧氣、氯化氫、氮氣以及水蒸氣等雜質(zhì)，把這些雜質(zhì)去掉即可制得純氫。我國氯堿廠大多采用PSA技術(shù)提氫，獲得高純度氫氣后用于生產(chǎn)下游產(chǎn)品。在氯堿工業(yè)生產(chǎn)中，每生產(chǎn)1 t燒堿可副產(chǎn)氫氣280 m3。

我國氯堿副產(chǎn)氫氣大多進(jìn)行了綜合利用，主要利用的方式是生產(chǎn)化學(xué)品，如氯乙烯、雙氧水、鹽酸等，部分企業(yè)還配套了苯胺。另外，氯堿副產(chǎn)氫氣不僅可以作為本企業(yè)的鍋爐燃料，還可以銷售給周邊人造剛玉企業(yè)采用焰熔法生產(chǎn)人造藍(lán)、紅寶石，或者少量充裝就近外售，還有部分氯堿副產(chǎn)氫氣會直接排空。據(jù)統(tǒng)計，我國氯堿副產(chǎn)氫氣的放空約為20億m3/a，放空率約為20%，造成了氫氣資源浪費。以50萬t/a的燒堿裝置為例，其副產(chǎn)氫氣規(guī)模約為1.39億Nm3/a，凈化后的氫氣產(chǎn)品量約為1.25億Nm3/a(收率按90%計算)。

氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫凈化回收成本低、環(huán)保性能較好、生產(chǎn)的氫氣純度高，經(jīng)PSA等工藝凈化回收后，適用于汽車用燃料電池所需的氫氣原料。我國氯堿企業(yè)在解決好堿氯平衡的前提下，可進(jìn)一步開拓氫氣的高附加值路徑。

在目前的化工副產(chǎn)制氫路線中，氯堿產(chǎn)能的覆蓋面較廣，其中山東、江蘇、浙江、河南、河北以及新疆、內(nèi)蒙古等省份是主要生產(chǎn)地，此外，在山西、陜西、四川、湖北、安徽、天津等地也有分布。氯堿產(chǎn)業(yè)主要生產(chǎn)地與氫能潛在負(fù)荷中心重疊度較好，是未來低成本氫源的良好選擇，尤其是在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展導(dǎo)入期，可優(yōu)先考慮利用周邊氯堿企業(yè)副產(chǎn)氫氣，降低原料成本和運輸成本，提高項目競爭力。氯堿副產(chǎn)制氫成本較低，大型先進(jìn)氯堿裝置的產(chǎn)氫成本可以控制在1.3～1.5元/Nm3區(qū)間。

2.3 丙烷脫氫副產(chǎn)氫

目前我國共建有13個丙烷脫氫項目，并有多個PDH項目正處于前期工作。“十四五”期間，我國丙烷脫氫項目的丙烯總產(chǎn)能將突破1 000萬t/a，副產(chǎn)氫氣超過40萬t/a。

在已經(jīng)投產(chǎn)的丙烷脫氫企業(yè)中，除了寧波海越新材料有限公司沒有配套下游產(chǎn)能，其余企業(yè)均有下游配套，多數(shù)配套PP(聚丙烯生產(chǎn))裝置，部分配套丙烯酸、丁辛醇、環(huán)氧丙烷等化工類下游產(chǎn)品，其中丁辛醇、環(huán)氧丙烷和PP等裝置都需要消耗一部分氫氣。已投產(chǎn)的丙烷脫氫裝置開工率按90%計算，扣除企業(yè)自用的氫氣部分，剩余可銷售的氫氣產(chǎn)品有十幾萬噸。以60萬t/a的丙烷脫氫制丙烯裝置為例，其副產(chǎn)粗氫氣規(guī)模約為3.33億Nm3/a。當(dāng)丙烷脫氫裝置富氫尾氣價格在0.6～1.0元/Nm3的范圍內(nèi)波動時，相應(yīng)凈化后的氫氣產(chǎn)品(純度≥99.999%)單位完全成本為0.89～1.43元/Nm3，即經(jīng)PSA分離提純后精制氫氣成本增加0.3～0.4元/Nm3。按1元/Nm3的價格計算，則60萬t/a的丙烷脫氫制丙烯裝置每年可增加收入約3.33億元，同時下游市場可獲得價格為1.43元/Nm3的低成本氫氣。

丙烷脫氫制丙烯裝置的原料大多依賴進(jìn)口，東部沿海地區(qū)具有碼頭區(qū)位優(yōu)勢，因此丙烷脫氫產(chǎn)能大多數(shù)分布在東部沿海地區(qū)(京津冀、山東、江浙以及福建、廣東)。從產(chǎn)業(yè)布局來看，丙烷脫氫產(chǎn)業(yè)與氫能產(chǎn)業(yè)負(fù)荷中心有很好的重疊，丙烷脫氫裝置副產(chǎn)氫接近氫能負(fù)荷中心，可有效降低氫氣運輸費用，而且該產(chǎn)業(yè)副產(chǎn)氫容易凈化，回收成本低，因此丙烷脫氫裝置副產(chǎn)氫將會是氫能產(chǎn)業(yè)良好的低成本氫氣來源。

3 未來發(fā)展展望

目前，我國各相關(guān)政府部門及企業(yè)已經(jīng)高度重視發(fā)展氫能源產(chǎn)業(yè)，由國家能源集團牽頭，國家電網(wǎng)、東方電氣、航天科技、中船重工、寶武鋼鐵、中國中車、三峽集團、中國一汽、東風(fēng)汽車、中國鋼研等多家央企參與的氫能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟已經(jīng)正式成立。根據(jù)我國氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和主流咨詢機構(gòu)預(yù)測，到2025年，我國燃料電池汽車有望達(dá)到5～10萬輛，加氫站數(shù)量超過800座。我國將在2035年建立多元用氫生態(tài)，通過氫能實現(xiàn)二氧化碳減排超過1億t/a。

“十四五”時期，我國氫能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點仍然聚焦在由技術(shù)突破和規(guī)?；l(fā)展帶動的成本下降的問題上，盡早提高氫燃料電池汽車的低溫啟動，提升電池可靠耐久、使用壽命等性能，并降低整車成本，逐步擴大燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)能，完善氫氣供應(yīng)運輸及加注基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，為氫燃料交通及生活領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化打好基礎(chǔ)。

由于國家對氫能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展采用有選擇性的局部支持政策，近期氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快的地市應(yīng)充分借力工業(yè)副產(chǎn)氫，使氫能源產(chǎn)業(yè)在發(fā)展初期能夠依托工業(yè)副產(chǎn)氫的低成本，快速培育下游市場規(guī)模。到2030年前，我國工業(yè)副產(chǎn)氫將成為在完成綠氫替代前培育氫能終端市場的重要過渡手段，并通過引入CCUS等技術(shù)，使工業(yè)副產(chǎn)氫成為真正的“藍(lán)氫”。通過提升工業(yè)副產(chǎn)氫在能源領(lǐng)域的應(yīng)用比例，將顯著提升工業(yè)副產(chǎn)氫氣的經(jīng)濟價值。同時，通過氫能源對化工、鋼鐵等行業(yè)的改造，助力傳統(tǒng)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)一定規(guī)模的節(jié)能降碳效果。