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李毅中:中國的“制氫路徑”

放大字體  縮小字體 發布日期:2020-01-09  來源:中國石油化工  瀏覽次數:332
核心提示:氫能產業鏈的制備—儲運—加注—應用四個環節中,制氫是龍頭。
    專家簡介:李毅中,教授級高級工程師,工業和信息化部原部長、黨組書記,中國工業經濟聯合會會長。中共第十四屆、十五屆中央候補委員,第十六屆、十七屆中央委員,第十一屆全國政協委員,第十二屆全國政協常委。歷任中國石化集團公司總經理、黨組書記兼中國石化股份公司董事長,國務院國資委黨委書記、副主任;國家安監總局局長、黨組書記。

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    氫能產業鏈的制備—儲運—加注—應用四個環節中,制氫是龍頭。自然界并沒有礦藏氫氣,氫氣是二次能源,需要人工制備。制氫是個老話題,也是新話題。說其“老”,因為已有從化石能源制氫生產水煤氣、合成氨尿素、甲醇等化工產品成熟的氫碳平衡的工藝技術;說其“新”,因為氫經燃料電池轉化為電,開辟了新用途,產生了新需求,也伴生了新問題。因此需要認真研究,科學把握。

    氫能源發展正當其時,要科學合理地選擇制氫工藝路徑,必須從源頭以環保、經濟、安全、高效的要求實現氫能的供給。

    首先,選擇獲得氫源的路徑,要避免CO2的大量排放。其次,制氫路徑的選擇要把握環保性、經濟性、安全性、能效性。

制氫路徑


    選擇獲得氫源的路徑,要避免CO2的大量排放。

    一般地說,制備氫氣有幾種途徑:


    第一,化石能源制氫。煤、天然氣、石油(包括輕烴、石腦油、重油)為原料發展化工不是以氫氣為最終產品,而是進一步生產化工產品或用以深度加工提高質量和收率。煤炭中含氫很少,煤種不同只有2~5%,存在于高分子側鏈和官能團中。主要是用生產水煤氣的方式產氫,同時伴生大量CO和CO2,進一步合成將碳固定在目的產品中,如尿素、甲醇等,避免或減少了CO2的大量排放。天然氣和石油組分中含氫較高,約在15%以上,以甲烷為例,與水反應生成氫氣和CO2,氫氣收率較高,同樣進一步合成為相關石化產品。如果將氫作為目的產品,不可逾越的問題是CO2的出路。生產1kg氫伴生的CO2重量,煤制氫約為11公斤,天然氣制氫約為5.5公斤,輕油制氫約7公斤。作為溫室氣體的CO2絕不允許大量排放,氣候變暖是對人類的威脅,少量排放也將會征收高額碳稅。所謂CO2的捕集、利用和封存技術(CCUS或CCS)尚在試驗并未產業化,亟待科技攻關。因此可以說,在當下的技術條件下,雖然化石能源制氫技術成熟,但此路徑并不可取,不宜新建。至于用甲醇裂解制氫伴生約7倍的CO2,如以乙烯、丙烯為產品是可行的,但以H2為目的產品,CO2同樣不能大量排放,況且甲醇就是由煤制得的。

    2019年6月“世界能源理事會”把這種伴有大量CO2排放的氫稱為“灰氫”,把CO2通過CCUS或CCS利用或封存避免排放的氫稱為“藍氫”。顯然“灰氫”不可取,灰變藍才可以用。要加快CCS的研發和產業化,據悉日本川崎重工在澳大利亞用泥碳制氫已將CO2注入海底,需待考證。

    第二,工業副產氫氣的回收提純利用。煉油尾氣、乙烯尾氣、氯矸尾氣中含有不同比例的氫氣。氫氣是石油化工寶貴的資源,通過加氫處理、加氫裂化等工藝過程可提高產品質量和收率?,F在大體做到了能收盡收,能用盡用。即使有少量未能回收也混入燃氣作為燃料并未排放,石化企業現已普遍“消滅”了火炬。從石油化工尾氣中回收的氫氣首先是滿足自用,是否能有較多余量外供,需研究協調平衡。

    至于焦爐氣,即煤在隔絕空氣加熱干餾生成主產品焦炭,副產焦爐氣和煤焦油等。焦爐氣中含氫約50~60%(V),其余是甲烷等,折算其中氫的重量收率不到2%。焦爐氣是合適的化工原料,也可作為燃料氣利用。無論從安全、環保還是資源節約,都不可能大量放空,甲烷也是“厲害”的溫室氣體。從焦爐氣和其他工業含氫尾氣中要通過脫硫、CO變換、甲烷化、變壓吸附(PSA)等處理提純到99.99%的氫純度并除去CO、硫化物、鹵化物等有害雜質,以防止用于燃料電池時使催化劑“中毒”。就煤焦化而言,其主產品焦炭主要用于煉鐵,一噸鐵約需0.35噸焦炭,如果把焦爐氣作為主要目的產品而擴大煉焦能力會造成焦炭的嚴重過剩,就本末倒置了,何況煉焦本身是高耗能、高污染,更要防止產能過剩。

    第三,電解水制氫。是潔凈的制氫技術。其中用可再生能源電解水制得的氫被“世界能源理事會”稱為“綠氫”,是未來制氫的發展方向。需要研究的一是要用非化石能源產生的清潔電源,如果用火電就沒有意義了,這就要建立清潔電源的專用分布式電網。二是耗電過高要大力降低耗電,提高制氫能效。三是利用棄水、棄風、棄光“三棄”電量是可能的,數據顯示,經過努力,2018年我國“棄水、棄風、棄光”率分別是5.8%、7%和3.1%,國際先進水平是3%,仍有一定潛力。減少“三棄”可以攤薄總發電成本,如電力企業可以優惠價供電解水用電就更好了。如今在張家口、內蒙、新疆等地風電資源豐富的地方做試點,如氫能就近使用,避免長途運輸就更合理了。

    綜上所述,希望業界在致力燃料電池攻關的同時,也要關注氫氣的來源,尋求環保、經濟、可靠的氫氣制備路徑,其中化石能源制氫要避免溫室氣體CO2的大量排放。至于其他方式制氫如核能制氫、太陽能制氫、生物制氫等尚在研發之中,期望能加快攻關。氫氣的制備要與儲存、運輸、加注、應用協調發展,落實氫源才能使整個產業鏈成為有源之水、有本之木。

科學合理


    制氫路徑的選擇要把握環保性、經濟性、安全性、能效性。

    制氫路徑在工藝技術成熟可靠的基礎上要科學把握其特殊要求。至于環保先決前已簡述,制氫過程不能發生溫室氣體CO2的大量排放,顯然這是首要的、必須的。我國已向世界承諾,CO2排放量2030年達峰后下降,而2018年全球排放CO2 331.4億噸,增長1.7%,其中我國達到100億噸增長了2.3%,形勢逼人。建議國家應盡快制定限排的標準規范并嚴格執行。“灰氫”不可取,“藍氫”可以用,“廢氫”可回收,“綠氫”是方向。

    經濟性評價包括購車、能耗、維修養護等多方面。僅從制氫評價,對已有各種制氫工藝技術的成本有不同的版本和數據,出入較大,總的看是偏小了。大體上每kg氫氣生產成本在合理的原材料價格和電價的前提下,煤制氫10元,天然氣、石腦油、重油、甲醇制氫約17元,工業副產氫回收提純21元,電解水制氫30元。在此成本價的基礎上一是應計算氫氣的完全生產成本,應包括折舊、稅金、人工以及各項費用和制氫廠的合理利潤,形成氫氣的出廠價。二是計算氫氣的儲存、運輸和加注的成本、費稅、利潤,形成燃料電池車用氫的零售價。用這個完整的市場價與汽油的市場零售價、與商用電價加充電站費用相比才公平合理,而不能用成本價與含稅市場價相比。并可據此提出相應的政策支持要求,如減免稅、財政補貼等。隨著制氫工藝設備的改進完善,氫氣會有較大的降價空間,以顯示其有競爭力的經濟性。使用小型電解水制氫與加注合一裝備,可以降低儲運加注費用。

    用氫的安全保障不能不是社會關注的熱點之一。采用安全可靠的技術和裝備可以提供制氫、儲運、加注和用氫的全產業鏈安全保障,這一點不容置疑。但這并不意味著可以改變氫的自然屬性。氫氣無色無嗅、重度低、熱值高、易揮發,其爆炸極限很寬,為4~75.6%(V),僅次于乙炔,易燃易爆,屬危險品。正如汽油在汽車中使用是安全的,但汽油終究還是易燃易爆的危險品。我國大慶煉油廠加氫裂化車間1967年9月9日、撫順石油三廠加氫車間1975年7月24日均因氫氣泄漏發生過特別重大和重大爆炸人身事故;2015年10月18日某大學化學系一實驗室發生氫氣爆炸人身事故。日前報道挪威的一家加氫站爆炸。至于氫氣球玩具發生爆燃燒傷事故,更有不少報道。我這樣講并不是聳人聽聞或杞人憂天,而是歷史的教訓值得記取。在氫氣全產業鏈中,都要把安全放在首位。

    至于用氫的能效,需要研究的問題,一是要考慮制氫效率,即所產氫氣的單位熱值/制氫過程中的單位能耗,現在只有60%。二是氫氣用在乘用車上,每百公里耗1kg,電解水制1kg氫耗電約56kWh,而電動乘用車百公里耗電15-20kWh。期望燃料電池乘用車的性能進一步提升,使百公里耗氫有較大下降,同時大力減少電解水耗電以顯示其較好的能效性。

    積極發展節能與新能源汽車是必然趨勢。我國自2012年確定新能源汽車包括純電動車、插電式混合動力汽車及燃料電池汽車。如今電動車產量、保有量都占全球的一半,電池、電機、電控都接近或達到國際水平,充電樁建設也相應加快,已由培育期進入成長期。但仍需加大投入、加快技術創新,堅持不懈努力,推進燃油車的替代。燃料電池車的研發研制也取得了進展,具有功率大、續航長、加注快、低溫性能好等優點,適宜用于客車、貨車等商用車,有特定的應用場景更顯其優勢,可以成為新能源汽車大家族中的重要成員,有良好的發展前景,相應要更長時間。因此需全盤考慮、縝密規劃、攻堅克難、梯次發展。

 
 
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