氯堿企業(yè)副產(chǎn)氫氣綜合應(yīng)用的新途徑-氫燃料電池發(fā)電

史嘉為，徐 真，左 濤

（愛德曼氫能源裝備有限公司，浙江 嘉興 314100）

氫能被國際社會譽(yù)為21 世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，目前，中國氫能產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展初期，為引導(dǎo)氫能產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展，2022 年3 月23 日，國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035 年）》，對中國氫能產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展發(fā)揮了重要指導(dǎo)作用。一是提出了“氫能是未來國家能源體系的重要組成部分”，明確了氫氣的能源屬性；二是提出了“氫能是用能終端實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體”，確定了綠色低碳發(fā)展路徑；三是明確了“氫能產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展方向”，部署了推動氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的各階段目標(biāo)?！笆奈濉睍r(shí)期，中國將初步建立以工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫就近利用為主的氫能供應(yīng)體系， 氯堿企業(yè)副產(chǎn)氫是工業(yè)副產(chǎn)氫重要來源之一。

1 氯堿企業(yè)副產(chǎn)氫氣現(xiàn)狀

氯堿工業(yè)以工業(yè)鹽水為原料， 運(yùn)用電解的方法來生產(chǎn)燒堿和氯氣等產(chǎn)品，并以此為原材料，進(jìn)一步生產(chǎn)下游其他化學(xué)品。

隨著中國燒堿的下游需求不斷增長以及氯堿工業(yè)的快速發(fā)展，燒堿產(chǎn)業(yè)也隨之不斷增加。 2021 年中國燒堿產(chǎn)量達(dá)3 891 萬t，2022 年中國燒堿產(chǎn)量達(dá)3 980.5 萬t，同比增長1.4%。 以每生產(chǎn)1 t 燒堿約副產(chǎn)0.025 t 氫氣計(jì)算，2022 年中國氯堿企業(yè)副產(chǎn)氫總量為99.5 萬t。

2 目前氯堿企業(yè)副產(chǎn)氫氣利用情況分析

隨著循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念的發(fā)展， 化工園區(qū)實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)聯(lián)動發(fā)展、 上下游產(chǎn)品相互利用、 副產(chǎn)品綜合利用、產(chǎn)品資源循環(huán)化、產(chǎn)品物流管道化。 氯堿企業(yè)副產(chǎn)氫的利用也呈現(xiàn)多元化、多維度趨勢，主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面。

2.1 作為企業(yè)內(nèi)部配套產(chǎn)品的原材料

氯堿企業(yè)副產(chǎn)氫氣豐富， 配套耗氫生產(chǎn)裝置主要優(yōu)先選擇耗氫量大、 市場容量大、 利潤率高的產(chǎn)品，主要集中在鹽酸、雙氧水及胺類化合物的生產(chǎn)。

鹽酸是化學(xué)工業(yè)最基礎(chǔ)的三種原料之一， 生產(chǎn)1 t 31%的鹽酸大約消耗氫氣9.8 kg。

苯胺是最重要的胺類物質(zhì)之一， 主要用于制造染料、藥物和樹脂，還可以用作橡膠硫化促進(jìn)劑等。利用硝基苯加氫工藝，生產(chǎn)1 t 苯胺大約消耗氫氣122 kg。

雙氧水作用廣泛， 在醫(yī)療領(lǐng)域一般是作為消毒液使用，化工生產(chǎn)領(lǐng)域用雙氧水來作為生產(chǎn)原料、氧化劑和漂白劑等， 軍事領(lǐng)域會用高濃度雙氧水作為火箭動力助燃劑。雙氧水既可作為最終產(chǎn)品出售，亦可作中間產(chǎn)品，用于深加工生產(chǎn)其他精細(xì)化工產(chǎn)品。蒽醌法制雙氧水主要消耗為氫氣， 生產(chǎn)1 t 100%雙氧水大約消耗氫氣70 kg。

也有部分氯堿廠配套建設(shè)三氯氫硅、氟化氫、鈦白和脂肪醇類等產(chǎn)品裝置以利用副產(chǎn)氫氣。

2.2 供應(yīng)下游企業(yè)作為原料

氫氣的用途非常廣泛，在煉油工業(yè)中，主要用于加氫脫硫、催化加氫裂解、油品加氫精制等；在化學(xué)工業(yè)中，有多種化學(xué)品生產(chǎn)直接需要原料氫氣；冶金工業(yè)中多種有色金屬、 稀有金屬的精煉使用氫作還原劑和保護(hù)劑； 氫氣作為還原劑還被用來生產(chǎn)石英玻璃和人造寶石及多晶硅； 食品加工中還可用于食用油加氫飽和等。

因此， 相關(guān)企業(yè)考慮到氫氣作為原料的運(yùn)輸成本因素，選擇在氯堿廠區(qū)周邊就近建廠，形成上下游產(chǎn)業(yè)鏈， 氯堿廠的副產(chǎn)氫氣通過管道輸送直接銷售給下游企業(yè)作為原料。

2.3 直接出售給氣體公司

氯堿企業(yè)副產(chǎn)氫氣自身消納不完的情況下還會出售給氣體公司，氣體公司經(jīng)過提純、加壓充裝后給加氫站供氫和通過自有渠道銷售純氫。

2.4 氫氣提純加壓供應(yīng)加氫站

氫能利用起步較早的企業(yè)， 已經(jīng)投資建設(shè)有副產(chǎn)氫提純、加壓、充裝裝置，副產(chǎn)氫氣經(jīng)過提純后已達(dá)到高純氫標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣標(biāo)準(zhǔn)，通過氫氣壓縮機(jī)加壓后充裝，經(jīng)氫氣管束車運(yùn)輸至加氫站， 卸氣加壓后通過加氫機(jī)給氫能汽車加氫。

2.5 作為燃料使用

氫氣鍋爐是以氯堿企業(yè)生產(chǎn)過程中富余的氫氣作為爐體燃料， 遇空氣燃燒后高溫?zé)煔馀c純水經(jīng)過熱交換形成蒸汽，供生產(chǎn)加熱使用。部分有蒸汽需求或者暫時(shí)沒有氫氣下游產(chǎn)品和高價(jià)值消納方式的氯堿廠建設(shè)了氫氣鍋爐裝置，用以消納副產(chǎn)氫氣。

按燃燒熱值計(jì)算，3 m3氫氣熱值相當(dāng)于1 m3天然氣的熱值，氫氣燃燒的附加值較低。

由于氫氣燃燒具有燃燒速度高、燃燒區(qū)域集中、火焰短??；預(yù)混燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣确浅８?，低?fù)荷運(yùn)行時(shí)回火問題突出；火焰對爐管的能量輻射率低，導(dǎo)致燃燒器出口處熱量局部聚集，煙氣溫度非常高，造成爐內(nèi)溫度分布不均，噴嘴損壞等問題，也是企業(yè)謹(jǐn)慎考慮裝備氫氣鍋爐的原因之一。

2.6 排空

部分燒堿企業(yè)副產(chǎn)氫氣如果沒有更好的利用途徑，就只能將氫氣進(jìn)行排空處理。早期由于氫氣利用途徑有限，排空量達(dá)到30%，隨著氯堿行業(yè)對氫氣利用重視程度的提高和氫氣利用量增加， 氯堿行業(yè)氫氣排空量近幾年大幅降低， 目前總體比例在3%左右，每年排空量約3 萬t。

3 氫燃料電池技術(shù)及應(yīng)用

氫燃料電池是以氫氣為燃料， 通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。 其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，而不是采用燃燒（汽、柴油）或儲能（蓄電池）方式，燃料電池只會產(chǎn)生水和熱，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、零排放、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)。

氫燃料電池的主要應(yīng)用之一是氫燃料電池汽車，2022 年氫燃料電池汽車產(chǎn)銷均突破3 000 輛大關(guān)，自2016 年以來，氫燃料電池汽車銷量共計(jì)12 300 輛。

氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)是通過對氫燃料電池電堆進(jìn)行高密度整合，同時(shí)研發(fā)定制集中式空壓設(shè)備、空氣集中凈化系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)，并配套潔凈水收集系統(tǒng)、 冷卻熱能綜合管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)氫能電站的模塊化建設(shè)。 發(fā)電模塊利用氫氣通過質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）與空氣中的氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能（副產(chǎn)熱能和純水），實(shí)現(xiàn)發(fā)電，再通過逆變升壓電氣控制系統(tǒng)， 根據(jù)需要輸出相應(yīng)電壓等級接入并網(wǎng)點(diǎn)，供企業(yè)自用或者上網(wǎng)。

4 氫燃料電池發(fā)電在氯堿企業(yè)的應(yīng)用契機(jī)

2020 年9 月， 在第七十五屆聯(lián)合國大會上，中國提出“3060”行動計(jì)劃，即中國力爭于2030 年前實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

2022 年2 月3 日，國家發(fā)改委、國家能源局、工信部、生態(tài)環(huán)境部四部委聯(lián)合發(fā)布了《高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級實(shí)施指南 （2022 年版）》，其中， 燒堿行業(yè)節(jié)能降碳改造升級實(shí)施指南中明確提出燒堿行業(yè)將加強(qiáng)儲氫燃料電池發(fā)電集成裝置研發(fā)和應(yīng)用，探索氯堿—?dú)淠堋G電自用新模式。促進(jìn)可再生能源與氯堿用能相結(jié)合， 推動副產(chǎn)氫氣高值利用技術(shù)改造。 在滿足氯堿生產(chǎn)過程中堿、氯、氫平衡的基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)制氫和氫處理技術(shù)，優(yōu)化副產(chǎn)氫氣下游產(chǎn)品類別。

5 氯堿企業(yè)副產(chǎn)氫發(fā)電商業(yè)化應(yīng)用案例

5.1 國際案例

2007 年，在荷蘭政府研發(fā)基金的支持下，荷蘭AkzoNobel 氯堿工廠建成行業(yè)內(nèi)第一臺利用氯堿副產(chǎn)氫的氫燃料電池電站， 功率70 kW， 已成功運(yùn)行4.5 萬h以上。 采用該技術(shù)建造與氯堿配套的氫燃料電站，可以直接利用氯堿副產(chǎn)氫氣，無需提純過程。通過氫燃料電站可回收電解單元總電耗20%的電能和10% 的熱能。 該電站是荷蘭的Nedstack Fuel Cell Technology 和AkzoNobel Industrial Chemicals 共同開發(fā)，并由MTSA Technopower 組裝了相關(guān)設(shè)備。

2011 年，Nedstack 和MTSA 一起建造了1 MW的氫燃料電站，在比利時(shí)Solvay 的氯堿工廠利用副產(chǎn)氫氣發(fā)電，該技術(shù)正式進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。

5.2 國內(nèi)案例

2022 年8 月，愛德曼氫能源裝備有限公司（簡稱“愛德曼”）與浙江嘉化集團(tuán)股份有限公司（簡稱“嘉化股份”） 簽訂了1 MW 的氫能分布式發(fā)電合作項(xiàng)目。 同年11 月，愛德曼氫能分布式發(fā)電系統(tǒng)布置于嘉興港區(qū)嘉化股份園區(qū)內(nèi)，并進(jìn)入現(xiàn)場調(diào)試階段。2023 年初愛德曼氫能分布式發(fā)電系統(tǒng)正式經(jīng)過了連續(xù)72 h 不間斷測試，順利通過所有數(shù)據(jù)的考核驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，多項(xiàng)指標(biāo)以超預(yù)期的數(shù)據(jù)完成測試，測試過程中安全穩(wěn)定，無故障運(yùn)行，完全滿足市場規(guī)?；慕桓缎枨?。該系統(tǒng)采用了先進(jìn)的燃料電池技術(shù)路線，滿足自動調(diào)峰等化工場景真實(shí)需求。 每兆瓦分布式發(fā)電系統(tǒng)每年可發(fā)電約450 萬kW·h，二氧化碳減排近4 000 t，是國內(nèi)兆瓦級的氫能分布式發(fā)電系統(tǒng)商業(yè)化應(yīng)用的里程碑。

6 氫燃料電池發(fā)電應(yīng)用對氯堿企業(yè)的意義

6.1 是氯堿企業(yè)副產(chǎn)氫長周期、穩(wěn)定消納的新途徑

氯堿副產(chǎn)氫不論是應(yīng)用于企業(yè)自身生產(chǎn)加氫產(chǎn)品，還是出售給下游企業(yè)或者氣體公司等方式，都會受末端市場價(jià)格和下游需求放緩影響帶來的波動，從而導(dǎo)致氫氣消納不平衡， 甚至由于儲存問題不得已而進(jìn)行排空處理。

目前氯堿企業(yè)副產(chǎn)氫為加氫站供氫是價(jià)值最高的消納方式， 但是隨著非化工區(qū)制氫加氫管控的逐步放開和電解水制氫技術(shù)的發(fā)展， 電解水制氫成本持續(xù)下降， 未來選擇制氫加氫一體站的建設(shè)方案將會越來越多。 這給氯堿企業(yè)副產(chǎn)氫的這一高價(jià)值消納途徑帶來挑戰(zhàn)，因?yàn)榧由线\(yùn)輸成本，氯堿企業(yè)的副產(chǎn)氫到站價(jià)格將不再占優(yōu)勢，勢必影響氫氣銷量。

2022 年10 月25 日，廣東省住建廳發(fā)布了《廣東省燃料電池汽車加氫站管理暫行辦法》（征求意見稿），允許在非化工園區(qū)建設(shè)制氫加氫一體站。 國內(nèi)多個(gè)地區(qū)也開始探索、 支持非化工園區(qū)可再生能源制氫加氫項(xiàng)目的發(fā)展。截至目前，已有山東、廣東、吉林3 個(gè)省級地區(qū)和上海臨港區(qū)、唐山、武漢3 個(gè)市級地區(qū)及大連自貿(mào)片區(qū)出臺了相應(yīng)文件， 非化工園區(qū)制氫加氫的“枷鎖”正在不斷松開。

氫燃料電池發(fā)電能夠?qū)崿F(xiàn)氯堿副產(chǎn)氫的就地消納， 提純后的氫氣通過管輸至氫燃料電池機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。而且因其發(fā)電效率可調(diào)節(jié)和分時(shí)啟停的特征，可以根據(jù)氫氣的產(chǎn)量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和匹配，實(shí)現(xiàn)副產(chǎn)氫的長周期、穩(wěn)定消納，做到副產(chǎn)氫資源的“吃干榨凈”。

6.2 能緩解氯堿企業(yè)能耗指標(biāo)壓力

根據(jù)《高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域能效標(biāo)桿水平和基準(zhǔn)水平（2021 年版）》，離子膜法液堿（≥30%）能效標(biāo)桿水平為315 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤/t， 基準(zhǔn)水平為350 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤/t；離子膜法液堿（≥45%）能效標(biāo)桿水平為420 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤/t，基準(zhǔn)水平為470 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤/t；離子膜法固堿（≥98%）能效標(biāo)桿水平為620 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤/t，基準(zhǔn)水平為685 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤/t。

2022 年2 月發(fā)改委公布了《高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級實(shí)施指南》。 該文件一方面指出，截至2020 年底中國燒堿行業(yè)能效優(yōu)于標(biāo)桿水平的產(chǎn)能約占15%， 能效低于基準(zhǔn)水平的產(chǎn)能約占25%；另一方面提出，截至2025 年燒堿行業(yè)能效標(biāo)桿水平以上產(chǎn)能比例達(dá)到40%，能效基準(zhǔn)水平以下產(chǎn)能基本清零。

以平均每1 t 燒堿副產(chǎn)0.025 t 氫氣， 每公斤氫氣發(fā)電19 kW·h，國家發(fā)展改革委公布的2021 年全國火電機(jī)組平均供電煤耗302.5 t 標(biāo)準(zhǔn)煤/kW·h 為參考數(shù)據(jù)，不同產(chǎn)能的氯堿副產(chǎn)氫用于發(fā)電，為企業(yè)節(jié)約能耗核算見表1。

6.3 可以降低企業(yè)用電成本，降碳減排

氯堿副產(chǎn)氫用于氫燃料電池發(fā)電， 不但能為企業(yè)消納副產(chǎn)氫， 還能為企業(yè)提供低于市電價(jià)格的電力，降低企業(yè)的用電成本。 從氫價(jià)-電價(jià)敏感性分析可以看出，當(dāng)氫氣價(jià)格為10 元/kg 時(shí)，除了氫氣的收入，所發(fā)電的成本為0.73 元/kW·h；當(dāng)氫氣價(jià)格為15 元/kg 時(shí)，除了氫氣的收入，所發(fā)電的成本為0.99 元/kW·h，遠(yuǎn)低于一般地區(qū)峰時(shí)電價(jià)，發(fā)電的電價(jià)和峰時(shí)用電的電價(jià)差即為發(fā)電所節(jié)約的電費(fèi)。 氫價(jià)-電價(jià)敏感性分析見圖1。

圖1 氫價(jià)-電價(jià)敏感性分析

以1 MW 氫燃料電池發(fā)電機(jī)組為例， 年峰時(shí)發(fā)電量達(dá)到450 萬kW·h，折合二氧化碳減排近4 000 t。若電價(jià)差為0.181 4 元/kW·h，則每1 MW 每年能為企業(yè)節(jié)約電費(fèi)81.6 萬元。 大工業(yè)用電與氫發(fā)電價(jià)格對比圖見圖2。

圖2 大工業(yè)用電與氫發(fā)電價(jià)格對比圖

6.4 是副產(chǎn)氫資源變現(xiàn)的便捷方式

副產(chǎn)氫作為原料使用， 受產(chǎn)品生產(chǎn)周期和市場情況的影響，變現(xiàn)周期長，而且存在不穩(wěn)定性。同時(shí)，燒堿企業(yè)作為高耗電企業(yè)， 電費(fèi)的支出是企業(yè)經(jīng)營的必須成本之一，也占用了一定的現(xiàn)金流。

對于中等規(guī)模30 萬t/a 的燒堿企業(yè)，年副產(chǎn)氫0.75 萬t， 按平均氫氣價(jià)格約15 元/kg， 平均電價(jià)0.8元/kW·h 計(jì)算，單純對比氫氣發(fā)電和排空兩種情景，氫氣發(fā)電相當(dāng)于為企業(yè)創(chuàng)造了1.14 億元/a 的現(xiàn)金價(jià)值。

6.5 助力氯堿企業(yè)布局氫能產(chǎn)業(yè)

隨著國家鼓勵(lì)推行清潔能源利用， 氯堿企業(yè)利用副產(chǎn)氫的氫源優(yōu)勢， 結(jié)合氫燃料電池發(fā)電布局氫能產(chǎn)業(yè)是風(fēng)險(xiǎn)低、見效快的途徑之一。

近幾年， 中國氯堿企業(yè)對氫氣價(jià)值轉(zhuǎn)化關(guān)注度不斷提高，并向新興領(lǐng)域進(jìn)行探索和實(shí)踐。氯堿企業(yè)開始培育新的利潤增長點(diǎn)， 并嘗試向氫能源領(lǐng)域的發(fā)展，圍繞氫能產(chǎn)業(yè)鏈布局正逐漸展開。部分氯堿企業(yè)已經(jīng)投入運(yùn)營加氫站和氫燃料電池發(fā)電站， 作為無碳、清潔、高效的能源，副產(chǎn)氫的高效利用是實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰的重要途徑之一。

7 氫燃料電池發(fā)電應(yīng)滿足的要求

化工行業(yè)有一個(gè)長周期“五字真經(jīng)”，即安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)。同樣，氫燃料電池發(fā)電想要在氯堿行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用也需要滿足這“五字真經(jīng)”的要求。

安：首先要滿足化工區(qū)域防爆及間距安全要求；穩(wěn)：設(shè)備需要能夠穩(wěn)定運(yùn)行，不能在運(yùn)行過程中造成電力或者氫氣平衡的不穩(wěn)定， 進(jìn)而影響企業(yè)生產(chǎn)；長：需要能做到匹配主產(chǎn)品的長周期生產(chǎn)運(yùn)行；滿：要能實(shí)現(xiàn)設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)；優(yōu)：具有升級優(yōu)化能力，不斷提升副產(chǎn)氫利用效率。