關(guān)于利用焦爐煤氣發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的思考

武麗云

（呂梁市工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，山西 呂梁 032300）

引言

我國是全球最大的碳排放國，應(yīng)對氣候變化事關(guān)國內(nèi)國際兩個大局，事關(guān)發(fā)展全局和長遠，是推動經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的重要抓手。呂梁是山西重要的焦化產(chǎn)業(yè)基地、煤化工產(chǎn)業(yè)基地，多年來圍繞低碳發(fā)展改造提升焦化產(chǎn)業(yè)，發(fā)展壯大新能源產(chǎn)業(yè)，推進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)多元化，努力實現(xiàn)綠色、低碳、高質(zhì)量發(fā)展，特別是面對焦化產(chǎn)業(yè)“同質(zhì)化嚴重、產(chǎn)能過?！钡木置妫e極推進供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，布局高端產(chǎn)能、延伸產(chǎn)業(yè)鏈條，大力發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，為傳統(tǒng)焦化產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、高質(zhì)量發(fā)展摸索出一條科學(xué)路徑。

1 發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的意義

氫能是一種清潔、高效、無碳的二次能源，被稱為“人類的終極清潔能源”，廣泛應(yīng)用于軍事工業(yè)和民用工業(yè)，如氫氣冶煉金屬鎢、鉬等，在電子工業(yè)利用氫氣來制取半導(dǎo)體材料——高純硅。利用氫還可以制造成儲存能量的電池，實現(xiàn)綠色、環(huán)保、無污染供電。氫氣也是一種理想的燃料，燃燒產(chǎn)物是水，沒有任何廢物排放。與傳統(tǒng)化工燃料汽油、柴油相比，具有三大優(yōu)勢：一是能量密度高。除核燃料外，氫的燃燒熱值居所有化工燃料榜首，燃燒1 kg 氫可放出12 MJ（28.6 Mcal）的熱量，約為汽油的3 倍，乙醇的3.9 倍，焦炭的4.5 倍。二是熱源轉(zhuǎn)化效率高。氫能可以通過燃料電池直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡?，過程中的廢熱可以進一步利用，其效率可達到80%左右。氫氣燃燒不僅熱值高，而且火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，點火能量低，所以氫能汽車比汽油汽車總的燃料利用效率可高20%左右。三是氫燃料電池的綜合熱效率最高且CO2排放量最少。與化石能源的利用相比，氫燃料電池在產(chǎn)生電能的過程中不會產(chǎn)生碳排放，可以實現(xiàn)良性循環(huán)。

發(fā)展氫能既是我國應(yīng)對全球氣候變化，構(gòu)建清潔低碳、安全高效現(xiàn)代能源體系的重要組成部分，對我國加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2020 年我國氫氣產(chǎn)量約3 400 萬t，預(yù)計到2060 年我國氫氣需求量將接近1億t，大力發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)勢在必行且潛力巨大。自“十五”以來，科技部先后啟動了多個氫能領(lǐng)域的重點科技專項和研發(fā)項目。早在2016 年，國家發(fā)改委、能源局將氫能源、燃料電池系統(tǒng)及核心零部件、氫燃料電池汽車等列入《能源生產(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略（2016—2030）》，明確予以支持。2019 年，國家層面已經(jīng)開始規(guī)劃氫能領(lǐng)域內(nèi)容。生態(tài)環(huán)境部、發(fā)改委等11 部位聯(lián)合發(fā)布《柴油貨車污染治理攻堅戰(zhàn)行動計劃》，鼓勵各地組織開展燃料電池貨車示范運營，建設(shè)一批加氫示范站。隨后，氫能與燃料電池相關(guān)政策頻頻發(fā)布，國家級、省級、市級政策出臺超過70 項。特別是“推進充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”寫入政府工作報告，引導(dǎo)、規(guī)范氫能產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展壯大，成效十分明顯。但與發(fā)達國家相比，我國在技術(shù)應(yīng)用推廣、產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)、標準規(guī)范制定等方面還存在一定差距，其中，制氫成本居高不下是制約氫能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素之一，因此，掌握低成本制氫的原料和路徑也就掌控了氫能產(chǎn)業(yè)競爭的主動權(quán)。

2 呂梁發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的必要性和可行性

焦爐氣中含氫量達55%以上，是業(yè)內(nèi)公認的當前技術(shù)條件下最經(jīng)濟的氫氣來源。制氫成本僅為0.7元/m3～0.8 元/m3，低于化石燃料制氫成本1.0 元/m3～1.5 元/m3，相當于電解水制氫成本的1/3 左右，具有巨大的市場潛力和競爭優(yōu)勢。

呂梁依托豐富的煤炭資源大力發(fā)展焦化產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)規(guī)模穩(wěn)步擴大，技術(shù)裝備水平不斷提升，截至目前，總產(chǎn)能已達4 000 多萬t，生產(chǎn)運行的3 200 萬t焦化產(chǎn)能，年可生產(chǎn)焦炭2 500 萬t，每噸焦炭可產(chǎn)生焦爐煤氣約350 m3～450 m3，焦爐煤氣每年產(chǎn)量約100 億m3，按焦爐煤氣含氫量55%計算，每年可產(chǎn)生氫氣約55 億m3。焦爐煤氣除用于化工產(chǎn)品深加工外，利用焦爐氣發(fā)展氫能經(jīng)濟，也是呂梁經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展、高質(zhì)量發(fā)展的一個重要方向。主要基于三個方面的考量。

1）發(fā)展氫能是產(chǎn)業(yè)政策倒逼的必然結(jié)果。煤焦化是呂梁市的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，目前面臨著品種單調(diào)、產(chǎn)能過剩、效益低下、市場競爭力弱、產(chǎn)業(yè)鏈延伸難等問題，與氫能產(chǎn)業(yè)的耦合是未來發(fā)展的路徑之一。

2）發(fā)展氫能是實現(xiàn)“2030 年碳達峰，2060 年碳中和”目標必然要求。氫能的轉(zhuǎn)化率高、無污染零排放，可降低對化石燃料的依賴，實現(xiàn)能源清潔替代，同時解決“三廢”排放過度、環(huán)境污染嚴重、碳排放量居高不下等環(huán)境難題，是“碳達峰 碳中和”目標的重要替代能源。

3）發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)是呂梁工業(yè)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展、高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇。發(fā)展氫能經(jīng)濟，可以將傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與儲氫材料、氫燃料電池、電解制氫、新能源汽車、分布式能源等產(chǎn)業(yè)有機地結(jié)合起來，形成新的產(chǎn)業(yè)鏈條，成為支持呂梁工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的新動能、新引擎。

3 氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑

當前，氫能的制備方法，按照制取方法分，制氫工藝主要包括電解法、裂解法、蒸汽轉(zhuǎn)化法和工業(yè)副產(chǎn)提純法；按氫氣來源分，主要有：煤制氫（煤氣化制氫）、化工附產(chǎn)物制氫（丙烷脫氫和乙烷裂解副產(chǎn)制氫）、天然氣制氫（甲烷水蒸氣重整）、焦爐煤氣制氫以及電解水制氫等。我國“富煤、少氣、缺油”的資源條件，決定了我國能源結(jié)構(gòu)長期以來以煤為主，煤制氫成本和資源優(yōu)勢較為明顯，中短期煤制氫占據(jù)主導(dǎo)地位，但從長遠來看，隨著制氫用煤成本和碳成本逐步提升，煤制氫競爭力將逐漸下降。我國工業(yè)體系齊全，工業(yè)副產(chǎn)資源豐富，充分利用工業(yè)副產(chǎn)制氫能夠變廢為寶，實現(xiàn)資源綜合利用，因此，工業(yè)副產(chǎn)制氫是氫能制備的有益補充。在工業(yè)副產(chǎn)制氫方法中，焦爐煤氣氫氣含量高，具有較低的制氫成本，市場競爭力強，未來發(fā)展前景廣闊。呂梁依托現(xiàn)有焦化產(chǎn)業(yè)富裕的焦爐煤氣生產(chǎn)氫氣，一方面可以為下游產(chǎn)業(yè)鏈的延伸提供原料，另一方面，順應(yīng)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，提前搶占氫能源市場，為工業(yè)轉(zhuǎn)型升級開辟一條新路徑。

在氫氣利用方面，基于氫氣特殊的物理和化學(xué)特性，結(jié)合呂梁工業(yè)實際，可以發(fā)展氫治金，利用氫氣作為還原劑進行鋼鐵冶煉，有效減少碳排放。但從產(chǎn)業(yè)鏈條延伸，產(chǎn)業(yè)配套和整體發(fā)展方向的把握來看，發(fā)展氫能經(jīng)濟，利用氫氣制備燃料電池也是一個不錯的選擇。根據(jù)焦爐氣成份及下游產(chǎn)品對氣體成份的要求，確定以下工藝生產(chǎn)路線。

3.1 氫氣制備

焦爐煤氣—氣柜—焦爐氣初級壓縮—TSA（變溫吸附）凈化煤氣（脫焦油、萘、苯等）—焦爐氣增壓—精脫硫（總S 0.1 PPM）純氧催化轉(zhuǎn)化—MDEA（N-甲基二乙醇胺）脫碳（二氧化碳精脫硫前）—分子篩脫碳、脫水、脫汞—CO 深冷分離—PSA（變壓吸附法）提氫—產(chǎn)品氫氣。通過優(yōu)化布局、集聚產(chǎn)業(yè)，為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造條件。

3.2 氫燃料電池

氫燃料電池屬于質(zhì)子交換膜燃料電池的一種，是一種直接將燃料氫氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)為電能的發(fā)電裝置。其結(jié)構(gòu)主要由陰極、陽極、電解質(zhì)與外部電路組成。發(fā)電的基本原理是電解水的逆反應(yīng)。工作時，燃料（氫氣）在陽級催化劑的作用下，離化成氫離子（H+）并釋放出電子（e-）,電子經(jīng)過電流收集板收集，由外電路流向陰極（對外電路作功）；氧化劑（氧氣或空氣）在陰極催化劑作用下被還原并與H+、外電路電子e-結(jié)合生成水。

電化學(xué)反應(yīng)如式（1）～式（3）所示。

可以看出，在氫燃料電池工作過程中，若氫氣和氧氣不斷地從陽極與陰極輸入，電池中的電化學(xué)反應(yīng)就會不停地進行下去，電子就會連續(xù)不斷地從陽極輸出并經(jīng)外部電路形成通路電流，從而產(chǎn)業(yè)連續(xù)不斷的電能并為用電裝備提供動力。將多個單位氫燃料電池以串聯(lián)方式層疊組合即構(gòu)成氫燃料電池電堆。氫燃料電池嚴格地說是一種發(fā)電裝置，是把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)發(fā)電裝置。其優(yōu)勢主要有以下幾點：

1）能量轉(zhuǎn)換效率高，綠色無污染。氫燃料電池由于完全不進行燃料的燃燒過程，而是通過電化學(xué)反應(yīng)直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，因此它的能量轉(zhuǎn)化效率可高達80%左右，約是內(nèi)燃機的兩倍。燃料電池只會產(chǎn)生水、熱與電能，對環(huán)境無污染。

2）無振動、噪音低、使用壽命長。根據(jù)氫燃料電池的工作原理可知，只要燃料和催化劑從外部不斷地輸入，氫燃料電池即可不斷地發(fā)出電能，其使用壽命遠遠高于普通原電池和充電電池。因為發(fā)電時沒有往復(fù)和回轉(zhuǎn)運動的機械結(jié)構(gòu)，所以燃料電池運行時震動非常小，噪聲大約只有55 dB，相當于人們正常交流的水平。由于在整個工作過程中沒有噪聲與機械振動，減少了機械器件的相互摩擦，在一定程度上延長了使用壽命。

3）當氫燃料電池用于新能源汽車時，所需氫氣充氣速度快，時間遠遠短于純電動汽車的蓄電池充電時間。

4 思考和結(jié)論

在焦爐煤氣制氫，發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，山西已有成功案例。山西美錦能源股份有限公司圍繞氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展實施“一點（整車制造）、一線（燃料電池上下游產(chǎn)業(yè)鏈）、一網(wǎng)（加氫站網(wǎng)絡(luò)）”的發(fā)展戰(zhàn)略，全面布局制氫、加氫、膜電極、燃料電池電堆及系統(tǒng)、整車制造等各環(huán)節(jié)，形成“研發(fā)-生產(chǎn)制造-商業(yè)化應(yīng)用”的生態(tài)閉環(huán)。膜電極（MEA）、催化劑涂層質(zhì)子膜（CCM）、柔性石墨雙極板及氫燃料電池電堆等全部具有自主知識產(chǎn)權(quán)。公司建成7.65 m 頂裝焦爐，年產(chǎn)385 萬t 焦炭，利用焦爐煤氣年產(chǎn)30 萬t 乙二醇，15 萬t LNG，2 萬t 工業(yè)高純氫，可供應(yīng)55 座1 000 kg級加氫站，5 600 臺公交、8 000 臺物流或2 200 臺重卡使用，目前已投入100 臺重卡進行園區(qū)短倒貨運，并與呂梁國家能源集團開展大規(guī)模可再生能源制綠氫，在興縣、石樓布局煤制氫、天然氣制氫等項目。呂梁孝義鵬飛集團旗下山西鄭旺氫能源科技有限公司，鵬灣氫港一期2 萬t/a 焦爐煤氣制氫項目已建成投運。呂梁要緊緊抓住機遇，做好規(guī)劃布局、制定政策措施，扶持、引導(dǎo)氫能產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展。

1）優(yōu)化氫能項目布局，形成規(guī)模發(fā)展優(yōu)勢。推進氫能產(chǎn)業(yè)向產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)較好的平川地區(qū)和煤源優(yōu)勢明顯的離柳礦區(qū)布局，發(fā)展區(qū)域氫能產(chǎn)業(yè)。

2）推動信息技術(shù)應(yīng)用，提升裝備智能化水平。推進云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)在氫能項目中的應(yīng)用，推動企業(yè)實現(xiàn)基礎(chǔ)上云、管理上云、業(yè)務(wù)上云。通過移動化改造、互聯(lián)化升級、智能化提升等信息技術(shù)的集成改造，優(yōu)化工藝流程，降低生產(chǎn)成本，提高運行效率，提高企業(yè)信息化管理水平和能力。

3）推廣車輛應(yīng)用示范，豐富氫能應(yīng)用場景。因地制宜開展氫能應(yīng)用示范，在具有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和推廣積極性高的區(qū)域，重點打造氫燃料車輛推廣應(yīng)用試點示范區(qū)，形成可復(fù)制、可推廣的經(jīng)驗，在工業(yè)區(qū)、物流園區(qū)中積極推廣氫燃料電池物流車、環(huán)衛(wèi)車、通勤車等。

4）爭取國家政策支持，加快氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。中央將推進燃料電池汽車示范，重點對入選國家燃料電池汽車示范區(qū)域的地區(qū)進行支持。財政部、工業(yè)和信息化部、科技部、國家發(fā)展改革委、國家能源局等五部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于啟動燃料電池汽車示范應(yīng)用工作的通知》，明確在北上廣三個城市群開展燃料電池汽車示范應(yīng)用。建議呂梁市積極申報國家燃料電池汽車示范區(qū)域，爭取國家全方位、綜合性政策支持。