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科学把握、合理选择制氢工艺路径
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李毅中

 

  氢能产业链中,制备—储运—加注—应用四个环节,后三个环节科技攻关都取得了进展,工艺和设备日渐自主可控,燃料电池已产业化应用,但对氢源从哪里来也应该深入研究。我想谈谈如何以环保、经济、安全、高效的方式实现氢能的供给,与大家做个交流,不当之处请批评指正。

  

一、当今获得氢源的几种途径

  自然界并没有矿藏氢气,氢气是二次能源,需要人工制备。制氢是个老话题,也是新话题。说其“老”,因为已有从化石能源制氢生产水煤气、合成氨、尿素、甲醇等化工产品成熟的氢碳平衡的工艺技术;说其“新”,因为氢经燃料电池转化为电,开辟了新用途,产生了新需求,也伴生了新问题。因此需要认真研究,科学把握。

  一般地说,制备氢气有几种途径:第一,化石能源制氢。煤、天然气、石油(包括轻烃、石脑油、重油)制氢一般不是以氢气为最终产品,而是进一步生产化工产品或用以深度加工提高质量和收率。煤炭中含氢很少,煤种不同只有2%~5%,主要是用生产水煤气的方式产氢,同时伴生大量CO和CO2 ,进一步合成将碳固定在目的产品中,避免或减少了CO2的大量排放。天然气和石油组分中含氢较高,约在15%以上,以甲烷为例,与水反应生成氢气和CO2,氢气收率较高,同样进一步合成为相关石化产品。由化石能源制氢,如果将氢作为目的产品,不可逾越的问题是CO2的出路。生产1kg氢伴生的CO2重量,煤制氢约为11,天然气制氢约为5.5,轻油制氢约7。作为温室气体的CO2绝不允许大量排放,气候变暖是对人类的威胁,少量排放也将会征收高额碳税。所谓CO2的捕集、利用和封存技术(CCUS或CCS)尚在试验并未产业化,亟待科技攻关。因此可以说,在当下的技术条件下,虽然化石能源制氢技术成熟,但此路径并不可取,不宜新建。至于用甲醇裂解制氢同样伴生约7倍的CO2,同样不能大量排放,况且甲醇就是由煤制得的。

  近日“世界能源理事会”把这种伴有大量CO2排放的氢称为“灰氢”,把CO2通过CCS或CCUS避免排放的氢称为“蓝氢”。显然“灰氢”不可取,灰变蓝才可以用。

  第二,工业副产氢气的回收提纯利用。炼油尾气、乙烯尾气、氯矸尾气中含有不同比例的氢气。氢气是石油化工宝贵的资源,通过加氢处理、加氢裂化等工艺过程可提高产品质量和收率。现在大体做到了能收尽收,能用尽用。即使有少量未能回收也混入燃气作为燃料。从石油化工尾气中回收的氢气首先是满足自用,是否能有较多余量外供,需研究协调平衡。

  至于焦炉气,即煤在隔绝空气加热干馏生成主产品焦炭,副产焦炉气和煤焦油等。焦炉气中含氢约50%~60%(V),其余是甲烷等,折算其中氢的重量收率不到2%。焦炉气是合适的化工原料,也可作为燃料气利用。无论从安全、环保还是资源节约,都不可能大量放空,甲烷也是“厉害”的温室气体。从焦炉气和其他工业含氢尾气中要通过脱硫、CO变换、甲烷化、变压吸附(PSA)等处理提纯到99.99%的氢纯度并除去CO、硫化物、卤化物等有害杂质,氢气外供是可行的。就煤焦化而言,其主产品焦炭主要用于炼铁,一吨铁约需0.4吨焦炭,如果把焦炉气作为主要目的产品而扩大炼焦能力会造成焦炭的严重过剩,就本末倒置了,何况炼焦本身是高耗能、高污染,更要防止产能过剩。

  第三,电解水制氢。是洁净的制氢技术。其中用可再生能源电解水制得的氢被“世界能源理事会”称为“绿氢”,是未来制氢的发展方向。需要研究的一是要用非化石能源产生的清洁电源,如果用火电就没有意义了,这就要建立清洁电源的专用分布式电网。二是耗电过高要大力降低耗电,提高制氢能效。三是利用弃水、弃风、弃光“三弃”电量是可能的,数据显示,经过努力,2018年我国“弃水、弃风、弃光”率分别是5.8%、7%和3.1%,国际先进水平是3%,仍有一定潜力。减少“三弃”可以摊薄总发电成本,如电力企业可以优惠价供电解水用电就更好了。如今在张家口、内蒙古、新疆等地风电资源丰富的地方做试点,如氢能就近使用,避免长途运输就更合理了。

  综上所述,希望业界在致力燃料电池攻关的同时,也要关注氢气的来源,寻求环保、经济、可靠的氢气制备路径。至于其他方式制氢如核能制氢、太阳能制氢、生物制氢等尚在研发之中,期望能加快攻关。氢气的制备要与储存、运输、加注、应用协调发展,落实氢源才能使整个产业链成为有源之水、有本之木。

  

二、制氢路径的选择要把握环保性、经济性、安全性、能效性

  制氢路径在工艺技术成熟可靠的基础上要科学把握其特殊要求。至于环保先决前已简述,制氢过程不能发生温室气体CO2的大量排放,显然这是首要的、必需的。“灰氢”不可取,“蓝氢”可以用,“废氢”可回收,“绿氢”是方向。对制氢的经济评价、安全评估、能效评定也应高度关注。

  经济性评价包括购车、能耗、维修养护等多方面。仅从制氢评价,对已有各种制氢工艺技术的成本有不同的版本和数据,出入较大,总的看是偏小了。大体上每kg氢气生产成本在合理的原材料价格和电价的前提下,煤制氢10元,天然气、石脑油、重油、甲醇制氢约17元,工业副产氢回收提纯21元,电解水制氢30元。在此成本价的基础上一是应计算氢气的完全生产成本,应包括折旧、税金、人工以及各项费用和制氢厂的合理利润,形成氢气的出厂价。二是计算氢气的储存、运输和加注的成本、费税、利润,形成燃料电池车用氢的零售价。用这个完整的市场价与汽油的市场零售价、与商用电价加充电站费用相比才公平合理,并可据此提出相应的政策支持要求。随着制氢工艺设备的改进完善,氢气会有较大的降价空间,以显示其有竞争力的经济性。使用小型电解水制氢与加注合一装备,可以降低储运加注费用。

  用氢的安全保障不能不是社会关注的热点之一。采用安全可靠的技术和装备可以提供制氢、储运、加注和用氢的全产业链安全保障,这一点不容置疑。但这并不意味着可以改变氢的自然属性。氢气无色无嗅、重度低、热值高、易挥发,其爆炸极限很宽,为4%~75.6%(V),易燃易爆,属危险品。正如汽油在汽车中使用是安全的,但汽油终究还是易燃易爆的危险品。我国大庆炼油厂加氢裂化车间1967年9月9日、抚顺石油三厂加氢车间1975年7月24日均因氢气泄漏发生过特别重大和重大爆炸人身事故;2015年10月18日某大学化学系一实验室发生氢气爆炸人身事故。近日报道挪威的一家加氢站爆炸。至于氢气球玩具发生爆燃烧伤事故,更有不少报道。我这样讲并不是耸人听闻或杞人忧天,而是历史的教训值得记取。在氢气全产业链中,都要把安全放在首位。

  至于用氢的能效,需要研究的问题,一是要考虑制氢效率,即所产氢气的单位热值/制氢过程中的单位能耗,现在只有60%。二是氢气用在乘用车上,每百公里耗1kg,电解水制1kg氢耗电约56KWh,而电动乘用车百公里耗电15~20KWh。期望燃料电池乘用车的性能进一步提升,使百公里耗氢有较大下降,同时大力减少电解水耗电以显示其较好的能效性。

  积极发展节能与新能源汽车是必然趋势。我国自2012年确定新能源汽车包括纯电动车、插电式混合动力汽车及燃料电池汽车。如今电动车产量、保有量都占全球的一半,电池、电机、电控都接近或达到国际水平,充电桩建设也相应加快,已由培育期进入成长期。但仍需加大投入、加快技术创新,坚持不懈努力,推进燃油车的替代。燃料电池车的研发研制也取得了进展,具有功率大、续航长、加注快、低温性能好等优点,适宜用于客车、货车等商用车,有特定的应用场景更显其优势,可以成为新能源汽车大家族中的重要成员,有良好的发展前景,相应要更长时间。因此需全盘考虑、缜密规划、攻坚克难、有序发展。

  (本文为工业和信息化部原部长、中国工业经济联合会会长李毅中,在近日召开的2019氢能产业发展创新峰会上发表的主旨演讲。)

编辑 : 靳凤