煤化工企業(yè)轉(zhuǎn)型氫能的路線探討

摘要：煤化工產(chǎn)業(yè)目前面臨環(huán)保、碳減排、生存壓力，亟待轉(zhuǎn)型升級。煤制天然氣工廠可以在不影響主產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，調(diào)整部分工藝路線提純氫氣，為煤化工企業(yè)新增一個(gè)高價(jià)值副產(chǎn)品，但氫氣如何跨越地域運(yùn)輸尚無報(bào)道。綜述了氣氫液化、儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫、長輸管道摻氫3種技術(shù)路線的可行性和有利條件，借助氫能產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展之勢，實(shí)現(xiàn)煤化工產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

作為煤炭大國，我國煤炭資源豐富易得，基于我國現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)，在未來很長一段時(shí)間內(nèi)，煤炭仍將是我國的主體能源，在保障我國能源供應(yīng)安全中占據(jù)重要位置?，F(xiàn)代煤化工產(chǎn)品種類繁多，多種技術(shù)路線并存，有煤制氣、煤制油、煤制化工品等。

當(dāng)前煤化工項(xiàng)目投資大，贏利水平提升難，國內(nèi)多個(gè)煤化工項(xiàng)目處于進(jìn)退兩難的境地，已建成的煤制油、煤制氣項(xiàng)目投產(chǎn)以來持續(xù)大幅虧損，煤基化工品企業(yè)未來前景也難言樂觀;煤化工行業(yè)面臨環(huán)保、碳減排、成本壓力。因此，現(xiàn)代煤化工要想實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)根據(jù)自身特點(diǎn)找準(zhǔn)行業(yè)定位，耦合技術(shù)路線、優(yōu)化系統(tǒng)，降低成本。

在工業(yè)化制氫路線中，煤制氫優(yōu)勢明顯：(1)原料易獲得，我國煤炭資源豐富且易得;(2)制氫成本低，規(guī)?；褐茪涑杀驹?.8 元/m3左右，而天然氣制氫成本達(dá)2元/m3;(3)技術(shù)成熟，煤制氫的技術(shù)可追溯到上世紀(jì)八九十年代?？傮w看，煤基氫能路線是最經(jīng)濟(jì)、最實(shí)用的一種途徑。

氫能具有清潔、高效、可持續(xù)發(fā)展等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)電力、液體燃料、熱力等各種能源品種之間轉(zhuǎn)化的媒介，是未來實(shí)現(xiàn)跨能源網(wǎng)絡(luò)協(xié)同優(yōu)化的唯一途徑。氫氣(H2)是二次能源，需要從一次能源轉(zhuǎn)化制取，相比電解水、天然氣等現(xiàn)有制氫方式，我國以煤為主的資源稟賦為煤制氫發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，也為煤化工企業(yè)的轉(zhuǎn)型提供新的發(fā)展方向。

目前還沒有針對煤化工企業(yè)具體工藝路線調(diào)整的文獻(xiàn)。鑒于未來氫能可能大規(guī)模應(yīng)用，煤化工企業(yè)可以在不改變主產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，調(diào)整工藝路線、延伸產(chǎn)業(yè)鏈等，找出與氫能的契合點(diǎn)，增強(qiáng)抵抗風(fēng)險(xiǎn)能力。本文以煤制天然氣項(xiàng)目為例，探討了企業(yè)新增煤制純氫技術(shù)路線的可行性，希望給企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展提供參考。

1 氫氣的制取

以煤制天然氣為例，煤主要通過煤加壓氣化、變換冷卻、合成氣凈化、甲烷化合成最終生成天然氣，詳見圖1。

基于現(xiàn)有工藝，在主產(chǎn)品天然氣的基礎(chǔ)上，可以引出部分凈化后的合成氣，其主要組分含量見表1。新增PSA 裝置可以提純附加值更高的氫氣。

從表1可以看出，凈化合成氣中H2含量高、硫含量低，基本不含苯、粉塵等雜質(zhì)，利于下游PSA 提純裝置的運(yùn)行，且提純后的CH4可以直接并入天然氣外輸管道，純氫外輸?shù)侥繕?biāo)市場。

2 氫能的運(yùn)儲(chǔ)

氫能一般需要跨地域運(yùn)輸。煤制天然氣項(xiàng)目一般位于西北地區(qū)，通過西氣東輸管道輸送到東部下游用戶。如果直接通過長管拖車運(yùn)輸氣氫，運(yùn)輸成本高，項(xiàng)目不具有競爭優(yōu)勢，需要將氣氫進(jìn)一步處理，使得最終產(chǎn)品具備成本優(yōu)勢。下面選取3種技術(shù)路線進(jìn)行探討。

2.1 液氫路線

氫液化是通過預(yù)冷和膨脹節(jié)流等工藝，把氣氫降溫到20.37K變成液氫。液氫具有兩大優(yōu)勢：① 液氫的單車運(yùn)氫能力是氣氫的10倍以上，不僅運(yùn)輸效率大幅提高，而且隨著運(yùn)輸距離的增加，液氫的成本優(yōu)勢遠(yuǎn)大于氣氫;② 通過液化可以對氫氣進(jìn)行提純;在20.37K低溫下，除了少數(shù)稀有氣體之外的所有氣體雜質(zhì)都會(huì)凝固分離，因此可以獲得純度≥5N(99.999%)的高純氫和6N(99.9999%)及以上的超純氫，5N和6N氫具有廣泛應(yīng)用前景，我國消耗量約20萬t/a，目前大量用于大規(guī)模集成電路芯片、平板顯示器、半導(dǎo)體器件、冶金等行業(yè)，而且高純、超純氫的市場價(jià)格遠(yuǎn)高于普通純氫，液氫的附加值遠(yuǎn)高于氣氫。

基于以上液氫優(yōu)勢，企業(yè)可以在廠區(qū)內(nèi)增加氫液化裝置生產(chǎn)附加值更高的液氫產(chǎn)品。煤制天然氣工廠生產(chǎn)液氫相比單獨(dú)建液氫工廠具有以下優(yōu)勢：煤制天然氣工廠占地較大，一般會(huì)為后期規(guī)模擴(kuò)大留有空地，因此新增液氫裝置不需要額外征地，可以節(jié)省土地費(fèi)用;充分利用工廠現(xiàn)有的公用工程如儀表空氣、氮?dú)狻⒚擕}水等;氫液化工藝需要液氮進(jìn)行預(yù)冷，工廠建有空分裝置，產(chǎn)出的液氮完全可以滿足液氫單元的使用;液氫項(xiàng)目液化的耗電量比較大，規(guī)模化(5t/d 以上)的液氫項(xiàng)目，液化能耗在13kWh/kg(氫)左右，工廠建有自備電廠，液化可以使用廠用電，用電成本低。以上優(yōu)勢可以明顯降低液氫的生產(chǎn)成本，煤制天然氣工廠生產(chǎn)的液氫更具有競爭力。

一般液氫可用公路罐車運(yùn)輸，大的需求量可以采用更加快速、經(jīng)濟(jì)的深冷鐵路槽車或者海運(yùn)進(jìn)行運(yùn)輸;目前日本國內(nèi)的液氫路線之一是在澳大利亞利用褐煤氣化制氫、氫氣提純、氫液化、液氫海運(yùn)到日本港口，此方案正在試行中。類比國內(nèi)，我國西部產(chǎn)的液氫除公路、鐵路運(yùn)輸之外，還可以選擇通過長江水道運(yùn)輸?shù)綎|部。我國也在鼓勵(lì)高校和企業(yè)開展液氫領(lǐng)域技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化的示范應(yīng)用，加快民用液氫市場的發(fā)展，未來液氫將在我國氫能產(chǎn)業(yè)鏈中扮演重要角色。

2.2 儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫路線

儲(chǔ)氫材料選取液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫，分別是有機(jī)液體儲(chǔ)氫、氫化鎂儲(chǔ)氫2種路線。

2.2.1 液態(tài)儲(chǔ)氫

有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)以甲基環(huán)己烷為代表，具有儲(chǔ)氫量大、儲(chǔ)運(yùn)安全方便、便于利用現(xiàn)有石化基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)輸設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)。甲基環(huán)己烷儲(chǔ)放氫過程為：甲苯加氫生成甲基環(huán)己烷，甲基環(huán)己烷脫氫生成甲苯并釋放出氫氣。目前甲基環(huán)己烷儲(chǔ)氫技術(shù)中加氫工藝成熟，國內(nèi)有多種工藝路線已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，難點(diǎn)在于脫氫工藝高效催化劑的研制。日本千代田化工在此領(lǐng)域研究進(jìn)展較快，開發(fā)的SPERA工藝流程，甲苯選擇性超過99.9%，脫氫轉(zhuǎn)化率超過95%，催化劑壽命超過1萬h。日本已使用該工藝在文萊建設(shè)商業(yè)化示范裝置，并已將4.7t的氫氣運(yùn)往日本，預(yù)計(jì)2020年總共將向日本提供210t氫氣。日本甲基環(huán)己烷儲(chǔ)氫技術(shù)研發(fā)進(jìn)展及示范項(xiàng)目的運(yùn)行，證明該儲(chǔ)氫技術(shù)的可行性，有望成為未來氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的選擇路徑之一。

煤制天然氣工廠除主產(chǎn)品天然氣外，還生產(chǎn)有副產(chǎn)品焦油、中油、石腦油，目前副產(chǎn)品只能作為廉價(jià)的化工原料外銷給其他化工廠，附加值低。這3種副產(chǎn)品均含有較高的芳烴組分，其中石腦油中芳烴含量高達(dá)85%以上，加氫后可得到較優(yōu)質(zhì)的芳烴原料，從而為甲基環(huán)己烷儲(chǔ)氫工藝提供廉價(jià)的儲(chǔ)氫介質(zhì)，儲(chǔ)氫物質(zhì)可以利用現(xiàn)有鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)輸。

2.2.2 固態(tài)儲(chǔ)氫

固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)中，鎂儲(chǔ)氫具有儲(chǔ)氫量高、安全、環(huán)保等優(yōu)勢，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ膬?chǔ)氫材料。固態(tài)儲(chǔ)氫工藝流程：鎂在高溫下氣化為鎂蒸氣、與氫氣進(jìn)行反應(yīng)合成氫化鎂、氫化鎂分解釋放出氫氣。氫化鎂通過2種途徑轉(zhuǎn)化為氫氣：其一氫化鎂熱分解為鎂和氫氣;其二氫化鎂水解生成氫氧化鎂并釋放出雙倍的氫氣。

氫化鎂除用于燃料電池外，可進(jìn)一步提高品質(zhì)用于附加值更高的化妝品及醫(yī)藥行業(yè)市場，據(jù)了解國內(nèi)出口到日本的高純度粉狀氫化鎂售價(jià)2500元/kg。制備鎂粉的氣化溫度要在600℃以上，能耗約10kWh/kg(Mg H2)，生產(chǎn)成本主要是在能耗和氫氣源。煤制天然氣工廠一般位于西北地區(qū)，鎂礦資源易獲得;引出的部分凈化合成氣可獲得廉價(jià)的氫氣;氫化鎂為固體，便于大規(guī)模使用公路或鐵路運(yùn)輸;工廠自備電廠、副產(chǎn)高中低壓蒸氣，用電用氣成本低，氫化鎂生產(chǎn)成本低。

2.3 長輸管道摻氫路線

管道輸氫是具有發(fā)展?jié)摿Φ牡统杀具\(yùn)氫方式，但輸氫管道由于氫脆現(xiàn)象需選用含炭量低的材料，導(dǎo)致氫氣管道的造價(jià)是天然氣管道造價(jià)的2倍以上，此外占地拆建等問題也導(dǎo)致投資成本高。如果利用現(xiàn)有的天然氣長輸管網(wǎng)摻氫運(yùn)輸可以解決上述難題 。天然氣摻氫也是氫能研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)紛紛投入研究，目前多個(gè)示范項(xiàng)目也在陸續(xù)推進(jìn)中。德國、英國等已建有或在建摻氫率高達(dá)20%的管道摻氫示范項(xiàng)目;國家電投集團(tuán)于2019年建成國內(nèi)首例天然氣摻氫示范項(xiàng)目。如果摻氫示范驗(yàn)證成功，并解決天然氣管道與氫氣相容性問題，煤制天然氣工廠可以充分利用現(xiàn)有西氣東輸管道等天然氣主干管網(wǎng)和龐大的支線管網(wǎng)摻氫運(yùn)輸，無需任何改造，降低了氫氣的運(yùn)輸成本。

3 結(jié)論

國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展期，氫能也成為傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)向清潔能源變革的重要途徑。煤化工企業(yè)應(yīng)深入研究分析氫能全產(chǎn)業(yè)鏈，結(jié)合企業(yè)特點(diǎn)、現(xiàn)有工藝流程、地域、政策等因素找出與氫能的契合點(diǎn)，尋求效益最大化。煤化工與氫能產(chǎn)業(yè)深度融合，推動(dòng)煤化工行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新向更高質(zhì)量邁進(jìn)，實(shí)現(xiàn)資源共享、優(yōu)勢互補(bǔ)，推動(dòng)傳統(tǒng)能源實(shí)現(xiàn)更深層次、更清潔化利用的轉(zhuǎn)變。