焦炉煤气制氢与车载二甲醚重整制氢的能耗与CO2排放对比

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(北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京 100191)

焦炉煤气制氢与车载二甲醚重整制氢的能耗与CO2排放对比

徐征，宋凌珺

(北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京 100191)

本文分别建立了焦炉煤气制氢与车载二甲醚重整制氢生产及运输过程的模型，分析了两个过程中的总能耗与CO2总排放情况。结果表明在中短途运输中，车载二甲醚重整制氢的总能耗与CO2总排放都远远小于焦炉煤气制氢；焦炉煤气制氢的三种运输方式的总能耗和CO2总排放在不同运输情况中各不相同，因此三种方式各有优势。利用这些对比结果，既能根据各种情况提供较为合适的制氢技术，又能降低其生命周期能耗、减少环境污染，具有重要意义。

焦炉煤气；二甲醚；车载制氢；能耗；CO2排放

随着汽车产业大规模地发展、人民生活水平越来越高，人们购买汽车的热情逐年高涨，汽车保有量大量增加，截止2012年7月，全国汽车保有量已达1.14亿辆[1]。同时，汽车尾气的排放量进一步增多，有害物质对大气的污染也日益严重。另外，交通运输行业是最依赖能源的部门，2012年中国车用燃油占燃油总消耗量的比例已到达55%[2]；况且与发达国家相比，我国的机动车油耗水平相对较高[3]，降低石油消耗水平刻不容缓。总之，环境污染与能源安全问题已经越来越严重，开发污染小的新能源是当务之急。

氢能具有热值高、无污染、可再生等优点[4]，70年代至今，随着制氢技术的发展，氢燃料电池在发电、电动车和微型电池方面的应用开发取得了许多成果[5]，开发低能耗、低排放的制氢方式是制氢技术的发展趋势。车载二甲醚重整制氢技术首先是把燃料经过处理器或重整器转变成合成气(CO和H2)，要求装置体积小、质量小、响应快。虽然技术较复杂，但因本身节约了运输产生的费用、能耗，减少了污染，车载二甲醚重整制氢在一定程度上有优势[6]。焦炉煤气是炼焦的副产物，其中存有大量氢气，氢气含量占54%～59%[7]。焦炉煤气制氢是一种具有我国特点的制氢方法[8]，目前用变压吸附法从焦炉煤气中提取氢气的技术已十分成熟，氢气纯度99.95%以上，最高的能达到99.995%[7]。焦炉煤气制氢技术较之其他制氢方法在技术成熟度上有着显著的优势，但是在运输上有大量的能量消耗和排放，也有一定的缺点[9]。

本文列出了车载二甲醚重整制氢与焦炉煤气制氢在生产和运输过程各个环节能耗和CO2排放的清单，并对其进行计算、分析、对比，这对于氢能在汽车上的应用具有重要意义。

1 建立模型

1.1 参数定义

本文将焦炉煤气制氢和车载二甲醚重整制氢清单模型分析参数分为能耗与CO2排放，不考虑其他污染物的排放，评价这两个参数的功能单位分别是MJ/kg和kg/kg。

1.2 评价边界

焦炉煤气制氢的过程评价边界包括从焦炉煤气制氢开始到加注到汽车油箱为止的整个过程，分为三个主要阶段，即氢的制取、氢的运输、氢的加注。

焦炉煤气制氢过程的能耗包括制氢阶段能耗、运输阶段能耗、加气站阶段能耗三个部分。制氢阶段能耗分为从焦炉煤气提取氢气的能耗和氢气在中央厂压缩或液化的能耗；运输阶段能耗根据三种不同的氢运输方式分类讨论，气氢拖车和液氢拖车运输需计算卡车燃油能耗，气氢管道由于进口与出口存在压差，只产生很少运输能耗，因此本文忽略不计[10]；加气站的能耗指的是氢气从运输车卸载到加氢站的储氢罐的过程和从加氢站的储氢罐加注到汽车油箱过程的能耗。焦炉煤气制氢过程的CO2排放不仅包括气氢拖车和液氢拖车的燃油燃烧产生的部分，也包括制氢和加气站阶段电力设备的排放部分(将电能看成由煤炭发电产生，煤炭发电过程有CO2排放)。

车载二甲醚重整制氢过程包括二甲醚的运输及重整二甲醚产生合成气。本文采用实验室常温常压下二甲醚部分氧化重整制氢的实验数据为计算依据[11]。实验中二甲醚部分氧化重整制氢的反应物为二甲醚和空气，生成物中主要是H2、CO、CO2、CH4和N2。

1.3 数据清单

1.3.1 焦炉煤气制氢过程清单

制氢阶段的清单如表1[12]、表2[9]所示。

表1 焦炉煤气制氢能耗和物质损耗[12]

表2 氢气在中央厂压缩和液化的能耗[9]

加注阶段的清单如表3[10]所示。

表3 加注站耗能[10]

1.3.2 车载二甲醚重整制氢过程清单

车载二甲醚重整制氢阶段的清单如表4所示，该数据为实验室数据。

表4 车载制氢能耗状况[11]

2 数据计算

本文计算过程中使用如下数据：

火力发电电能全生命周期CO2排放：1.02 kg/kW·h[13]，火力发电占全国发电量的78.6%[14]；

运输部分CO2排放： 1 kg柴油排放3.186 3 kg CO2；

柴油热值为46.04 MJ/kg，密度为0.83 kg/L；卡车燃油(柴油)经济性: 6.3 L/100 t×km[15]；

车载二甲醚制氢条件下H2密度：0.083 g/L；

车载二甲醚制氢条件下二甲醚密度：0.661 kg/L。

2.1 主要计算公式

设运输距离为L(km)，计算制取单位质量H2的能耗与CO2排放。

2.1.1 焦炉煤气制氢过程能耗计算公式

(1)气氢拖车

气氢拖车总能耗=提取氢气及压缩氢气的能耗+气氢拖车燃油的能耗+气氢拖车到加注站以及加注到油箱的能耗=2.407×10-3L+7.86

(2)液氢拖车

液氢拖车总能耗=提取氢气及液化氢气的能耗+液氢拖车燃油的能耗+液氢拖车到加注站及加注到油箱的能耗=2.407×10-3L+43.50

(3)气氢管道

气氢管道总能耗=提取氢气及压缩氢气的能耗+气氢管道到加注站及加注到油箱的能耗=10.74

2.1.2 车载二甲醚重整制氢过程耗能计算公式如下：

车载二甲醚重整制氢总能耗=车载二甲醚重整制氢反应的能耗+二甲醚运输的能耗=9.23×10-3L+2.6643×10-6

2.1.3 焦炉煤气制氢过程CO2排放计算公式

(1)气氢拖车

气氢拖车CO2总排放=提取氢气及压缩氢气的CO2排放+气氢拖车燃油的CO2排放+气氢拖车到加注站及加注到油箱的CO2排放=1.666×10-4L+1.751

(2)液氢拖车

液氢拖车CO2总排放=提取氢气及液化氢气的CO2排放+液氢拖车燃油的CO2排放+液氢拖车到加注站及加注到油箱的CO2排放=1.666×10-4L+9.687

(3)气氢管道

气氢管道CO2总排放=提取氢气及压缩氢气的CO2排放+气氢管道到加注站及加注到油箱的CO2排放=2.392

2.1.4 车载二甲醚重整制氢CO2排放计算公式

车载二甲醚重整制氢CO2总排放=二甲醚运输过程CO2排放+电能CO2排放+二甲醚重整制氢反应的CO2排放=6.39×10-4L+0.623

2.2 计算结果与分析

焦炉煤气制氢与车载二甲醚重整制氢过程能耗与CO2排放对比如图1、图2所示。

图1 焦炉煤气制氢与车载二甲醚制氢总能耗对比

由图1可以看出，在中短途运输中，焦炉煤气制氢的三种运输方式总能耗都比车载二甲醚重整制氢多，其中液氢拖车运输总耗能最大；在长途运输中，车载二甲醚重整制氢总耗能上升较快，超过气氢拖车、气氢管道两大运输方式，但离液氢拖车运输仍有很大距离。

图2 焦炉煤气制氢与车载二甲醚重整制氢过程CO2排放对比

由图2可以看出，在中短长途运输中，车载二甲醚重整制氢CO2总排放都比焦炉煤气制氢三种运输方式的CO2总排放少；在超长途运输中，车载二甲醚重整制氢的CO2总排放才超过气氢拖车、气氢管道两大运输方式，但实际中运输多为中短途运输，而超长途运输的情况在实际中基本不存在。

由图1和图2可以看出，焦炉煤气制氢液氢拖车的总能耗和CO2总排放均高于气氢拖车和气氢管道，但每辆液氢拖车所能储存的H2含量比气氢拖车多得多，因此两者各有优势。在三种焦炉煤气制氢运输方式中，当距离大于1 197 km时，气氢管道的总耗能比气氢拖车的总耗能少，而当距离大于3 848 km时，气氢管道的CO2总排放比气氢拖车的CO2总排放少。可见气氢管道适合长途氢运输，但管道建设技术和成本要求较高，前期准备久，因此气氢管道与车运各有优势。

3 结论

本文建立了计算焦炉煤气制氢与车载二甲醚重整制氢过程的能耗与CO2排放的模型，计算结果表明，焦炉煤气制氢与车载二甲醚重整制氢各具优势。焦炉煤气制氢技术简单，使用已经普及；车载二甲醚重整制氢技术较复杂，使用范围还很小，但在中短途运输中能耗和CO2排放较少，若能普及必定有很大的优势。焦炉煤气制氢的三种运输方式各有特点，应根据具体情况具体分析，选择最优运输方案。

影响制氢过程能耗与CO2排放的其他因素还很多，如运输阶段中交通条件的影响等，本文只做估算对比，因此这些因素的不确定性对清单结果的影响需要进一步研究。

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ComparisonofCO2EmissionandEnergyConsumptionofHydrogenProductionfromCokeOvenGasandDimethylEtheronboardReformingProcess

XU Zheng，SONG Ling-jun

(School of Transportation Science and Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)

The models of process of transportation and hydrogen production from coke oven gas and dimethyl ether(DME) onboard reforming were built respectively. The energy consumption and CO2emission were analyzed. The result showed in the medium and short transportation distance, the energy consumption and CO2emission of hydrogen production from DME were much less than hydrogen production from coke oven gas. Moreover, energy consumptions and CO2emissions were different with three kinds of transportation ways of hydrogen production from coke oven gas because of variety of situations. So each of them had its own advantages. The result will be helpful for choosing a more appropriate hydrogen production technique, and reducing energy consumptions and emissions in life cycle.

coke oven gas; dimethyl ether; hydrogen production onboard; energy consumption; CO2emission

2013-08-19修订稿日期2013-11-01

国家自然科学基金(21106002)；面向中美清洁能源合作的电动汽车前沿技术研究(2010DFA7 2760)

徐征(1991～),男，本科在读。

TQ522.61

A

1002-6339 (2014) 01-0038-04