焦炉煤气制氢工艺及生命周期评价

苏越

摘 要：近年来，全国的机动车保有量持续增加。然而，机动车数量的不断增加也带来了严重的资源与环境问题。氢能作为一种清洁的能源，对于减少温室气体排放和改善大气质量具有重要的意义。在钢铁的生产流程当中，存在着诸如焦炉煤气这样的富氢气体被作为燃料使用，是获取氢气的很好原料。本文采用了生命周期评价（LCA）方法对焦炉煤气制氢过程、氢气运输过程及终端消费过程的成本和碳足迹进行了定量化的评估。本文首先考察了焦炉煤气制氢的工艺流程，由于焦炉煤气中氢气含量较高，通过变压吸附（PSA）分离就可获取高纯度的氢气。然后，本文划定了生命周期评价的系统边界，包含了焦炉煤气的变压吸附分离纯化、氢气的后处理、氢气的运输以及氢气进入加注站等过程，并作出了一些必要的基本假设。接下来，本文对于焦炉煤气制氢生命周期的每个环节进行了定量化的清单分析，将计算结果进行汇总后得出，若采用气氢拖车的运输方式，焦炉煤气制氢的成本约为16.63元/kg氢气，碳足迹为25.31kg/kg氫气；而采用液氢拖车的运输方式，焦炉煤气制氢的成本约为23.10元/kg氢气，碳足迹为24.33kg/kg氢气。最后，本文对计算得到的结果进行了一定的分析，提出了一些降低焦炉煤气制氢成本的具体建议。

关键词：焦炉煤气制氢；生命周期评价；经济性；碳足迹

中图分类号：TQ116.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）21-0135-02

“十二五”以来，随着中国经济的快速增长，也导致了全国机动车的数量持续增加。然而，机动车数量的不断增加也带来了严重的资源与环境问题，例如，随着汽车销量的增加，汽油的消耗量也在不断增加，进一步加剧我国的能源压力；另外，汽车尾气中的有害气体对于雾霾的形成有着显著的作用。氢能作为一种清洁的能源，对于减少温室气体排放和改善大气质量具有重要的意义。

1 氢气的基本性质和用途

氢气是目前最清洁的能源，它能和氧气反应产生无污染的水。在以煤炭为主的化石能源结构中，氢气将是替代化石能源极具潜力的绿色载体。

从物理性质来看，氢气具有低密度，无色，无味等性质。常温下化学性质稳定，但可与较多物质在点燃或加热情况下反应。从用途上来看，氢气被广泛的应用于合成氨工业。在石油工业上，各类加氢化过程，如：裂化，脱硫等需要消耗大量氢气，同时氢气还可以用来合成其他物质。氢气和氯气反应生成氯化氢并用来生产化工原料盐酸。甲烷的合成是氢气和一氧化氮的合成气在加压催化的条件下生成的。氢气还可以通过放热反应参与到金属切割中。

2 焦炉煤气制氢的工艺流程

焦炉煤气中氢气含量占比较大，现有的焦炉煤气制氢都通过变压吸附分离来提高氢气纯度。但是焦炉煤气中仍存在一些杂质，这些杂质必须在进入PAS前脱除。同时，由于焦炉煤气压力只有5kPa，为满足PSA以及后续需要，需要将焦炉煤气压力分段压缩提升。其工艺流程为首先将焦炉煤气加压处理，经过预处理除去杂质，得到较高压力的净化气，然后进一步加压，进行变压吸附分离操作，即可得到高压的纯化氢气。

3 焦炉煤气制氢的生命周期评价

3.1 系统边界

本文所考察的系统边界如图1所示。包含了焦炉煤气的变压吸附分离纯化、氢气的后处理、氢气的运输以及氢气进入加注站等过程。对于运输过程而言，运输车辆及其所需柴油的生产过程的成本和碳足迹将不予以考虑。对于运输方式而言，本文分别考虑气氢拖车和液氢拖车两种运输方式，不考虑管道运输的方式，因为管道运输的投资成本较高，且只能实现点对点的运输。但是，对于液氢拖车运输的方式，需要考虑液氢储罐的成本。本文以下的所有计算均按照生产能力为60000m3H2/h进行计算。

3.2 固定资产投资的成本清单分析

已知基于2010年的价格标准，生产能力37500m3/h的焦炉煤气制氢装置需要1.2亿元的初始投资，建设工期10个月，固定资产投资价格指数1.1。则可以估算出所需的一次性1.75亿元，建设工期约为14月。

3.3 生产原料的清单分析

由于焦炉煤气在钢铁企业主要被用作燃料使用，因此这里考虑的原料成本实际上是将焦炉煤气用于制氢后钢铁企业需要的替代天然气燃料的经济成本和环境成本。已知天然气的热值为38500kJ/m3，取天然气价格为3.65元/m3。则可以计算得出原料的成本为1.33元/kgH2，碳足迹为11.36kg/kgH2。

3.4 焦炉煤气制氢过程的清单分析

由于PSA制备纯化氢气是一个物理过程，因此该过程主要的成本在于电能的消耗带来的经济与环境成本。已知中国的电能的碳足迹为0.8kg/kWh，电价取0.8元/kWh，根据文献数据则可以计算得出，焦炉煤气制氢过程的成本为0.23元/kgH2，碳足迹为0.23kg/kgH2。

3.5 氢气后处理过程的清单分析

出于运输的需求，经过焦炉煤气制氢生产工艺流程之后得到的氢气，需要进一步进行压缩。根据文献数据计算可知，不论是采用气氢拖车运输方式还是液氢拖车运输方式，该过程的经济成本均为12.00元/kgH2，碳足迹为0.23kg/kgH2。

3.6 氢气运输过程的清单分析

关于氢气的运输过程的经济成本的核算较为复杂。本文直接采用产业研究报告中的数据，即基于200km的运输半径进行计算，当采用气氢拖车进行运输时，运输阶段的成本为2.02元/kgH2，而当采用液氢拖车进行运输时，运输阶段的成本为8.57元/kgH2。

关于氢气运输过程中的碳足迹，主要是运氢车辆的柴油燃烧所导致。从文献中了解到1kg柴油燃烧排放3.1863kgCO2，运输车辆每百吨公里油耗为6.3L。经过计算可以得出，当采用气氢拖车进行运输时，运输阶段的碳足迹为1.00kg/kgH2；而当采用液氢拖车进行运输时，运输阶段的成本为0.10kg/kgH2。

3.7 氢气进入加注站过程的清单分析

氢气从运输车辆进入加注站过程当中主要的成本在于压缩机的电能消耗。根据文献数据可以计算得出，当采用气氢拖车运输方式时，氢气从运输车辆进入加注站的经济成本为0.72元/kgH2，碳足迹为0.72kg/kgH2；而当采用液氢拖车运输方式时，氢气从运输车辆进入加注站的经济成本为0.64元/kgH2，碳足迹为0.64kg/kgH2。

3.8 總结与讨论

通过对以上的计算结果进行汇总，可以得到焦炉煤气制氢的基于全生命周期评价的经济成本和碳足迹，如表1和表2所示。分析表中数据，不难得到如下结论：

（1）从不同的环节的角度来看，焦炉煤气制氢的经济成本和环境成本最高的环节在于对已经得到分离纯化的氢气进行后续压缩和液化处理用于运输的环节，占到整个制氢成本的一半左右。因此，要想提高焦炉煤气制氢的经济性，减少其环境成本，需要重点关注压缩液化氢气的环节，提高压缩机等设备的效率，降低该过程的电能消耗。此外，从碳足迹的角度来看，由于焦炉煤气被天然气替代用作燃料带来的碳足迹也相当可观，占整个生命周期的碳足迹的一半左右。因此，对于钢铁行业而言，提高燃料的利用效率，对于降低焦炉煤气制氢的环境成本具有重要意义。

（2）从运输方式的角度来看，液氢拖车的经济成本要比气氢拖车高出约50%，而液氢拖车方式的碳足迹与气氢拖车的方式相比并没有太大的优势。造成这一现象的原因主要在于液氢拖车的储罐的制造成本仍然较高。因此，目前来看，采用气氢拖车运输不仅在成本上具有较大的优势，而且其带来的环境影响也比较有限。

参考文献

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