集中式制氢技术进展及成本分析

2022-10-05 08:44赵运林曹田田张成晓

石油炼制与化工 2022年10期

赵运林，曹田田，，张成晓，林伟

(1.中国石化销售股份有限公司，北京 100728；2.中国石化石油化工科学研究院)

氢能作为二次能源中最佳碳中和载体，受到国际社会普遍关注。联合国工业发展组织已经将氢能定义为“在高效的能源储存领域尤其是在工业规模可再生能源储存领域，一种真正的范式转换”[1]。根据国际能源署(IEA)数据，2020年全球氢气总产量高达70Mt。目前氢气主要用于合成氨、石油炼化和合成甲醇[2-3]。在政府大力支持下，我国氢能产业正在快速发展，中国氢能联盟预计到2030年，我国氢气需求将达到37.15Mt，占终端能源需求的约5%，其中交通能源需求约1.56Mt；到2060年，氢气需求约为130Mt，在终端能源需求中的比例提升至约20%，其中交通能源需求提升至约40.51Mt[4]。

中国石化是我国最大的氢气生产企业，年产氢气约4.45Mt，近日全球最大的光伏绿氢生产项目在库车启动，2023年建成后将年产氢气20kt，开启了绿氢炼化新发展示范模式。目前中国石化拥有加油站3万余座，具备发展氢能交通的产业基础和网络优势，截至2021年底现已建成加氢站74座，供氢中心8家，计划“十四五”期间建成加氢站及油氢合建站1000座，具备加氢能力200kt/a。

中国石化销售公司及石油化工科学研究院系统研究了氢气的制备、储存、运输、加注等氢能产业链上主流技术，以下主要介绍集中式制氢方式及其成本。当前氢气的制备方式主要有化石能源制氢(煤制氢、天然气制氢等)、甲醇制氢、氨分解制氢、电解水制氢、生物制氢、光解水制氢、核能制氢等，主流的集中式制氢技术主要包括天然气制氢、煤制氢、工业副产氢和可再生能源电解水制氢。

1 天然气制氢

天然气制氢是成熟的化石能源制氢技术，具有流程简单、装置可靠、单位投资成本低等优势，在全球氢气生产市场中占据了最大的份额，约占总氢气产量的50%[5-6]。由于资源禀赋差异，国外天然气资源丰富，价格低廉，因此天然气制氢是欧美等西方国家的首选制氢方式。而我国以煤炭为主，天然气供销缺口大，价格较高，煤制氢占比高。天然气制氢主要有水蒸气重整制氢、部分氧化制氢和自热重整制氢等技术，后两种技术仍处于开发阶段。天然气水蒸气重整工艺流程如图1所示，主要包括脱硫、转化、变换和变压吸附(PSA)等工艺单元，脱硫单元主要防止催化剂中毒。目前水蒸气重整制氢技术完全实现国产化，包括工艺设计、关键设备、高温催化剂等。一般工业规模的天然气制氢(工业级氢气)的甲烷单耗在0.42～0.45 m3/m3，产氢量大多在5 000～100 000 m3/h。

图1 天然气重整制氢工艺流程

表1测算的是一套90 000 m3/h天然气制氢装置制氢成本[7]。由于天然气同时作为原料和供热燃料，占制氢成本的87.1%，因此天然气价格极大影响氢气成本。当天然气价格为1.88元/m3时，制氢成本为10.53元/kg；当天然气价格为2.52元/m3时，制氢成本为12.88元/kg。考虑到燃料电池汽车用氢气纯度更高，需要进一步提纯天然气制取的氢气。目前提纯车用氢气主要采用PSA法，成本为3～7元/kg。因此，当天然气价格为1.88元/m3时，制氢成本约为15.53元/kg；当天然气价格为2.52元/m3时，制氢成本约为17.88元/kg。

表1 天然气价格对成本的影响

天然气制氢的碳排放按照制备1 kg氢气排放10.1 kg CO2计(各机构统计数据不同)[8]，碳排放交易对天然气制氢的经济性影响见表2。当天然气价格为1.88 元/m3时，加上“碳税”后的制氢成本(燃料电池H2)为15.93元/kg；当天然气为2.52元/m3时，加上“碳税”后的成本则为18.28元/kg。到2025年，假设天然气原料价格为1.88元/m3，由于技术已经很成熟，生产成本下降空间有限，仅提纯成本有部分下降，考虑到碳排放交易价格上涨，预计天然气制氢价格(燃料电池H2)约为15.53元/kg；2030年，预计天然气制氢价格约为19.63元/kg。

表2 “碳税”对天然气制氢氢气成本的影响

2 煤制氢

煤制氢是化石能源制氢中另外一种成熟的制氢技术，在我国具有广泛的应用，主要用于合成氨和甲醇。煤制氢工艺流程如图2所示，包括煤造气、净化、变换、PSA等主要流程，具有原料成本低、装置规模大、技术成熟度高等优点，但是装置占地面积大、配套设施多、单位装置投资高、工艺流程较长、操作相对复杂，此外碳排放量高、气体分离成本高。从元素利用角度，煤中的主要元素碳仅用于提供制氢热量，最后以温室气体二氧化碳的形式排放大气，并没有得到充分利用，不符合目前提倡的“原子经济”。虽然如此，但由于煤制氢综合成本较低，现阶段在中国仍具有较大的应用规模[9]。

图2 典型煤制氢工艺流程

表3测算的是一套90 000 m3/h采用水煤浆激冷工艺煤炭制氢装置制氢成本，为便于与天然气制氢比较，固定氢气成本列数值。与天然气制氢成本构成不同，煤制氢成本中煤炭价格、氧气价格以及建设投资均占有重要比例。当煤炭(主要是烟煤)价格为450元/t时，制氢成本为9.74元/kg。PSA提纯成本3～7元/kg，因此当煤炭价格为450元/t时，燃料电池H2生产成本约为14.74元/kg。

表3 煤炭价格对制氢成本的影响

由于煤炭制氢的碳排放量比较高，为20.0 kg/kg(各机构统计数据不同)[10]，碳排放交易对煤制氢的经济性影响见表4，因此当煤炭(烟煤)价格为450元/t时，加上碳税后的燃料电池H2生产成本为15.54元/kg。煤炭同样作为大宗商品，价格波动较大。到2025年，考虑到“碳税”价格上涨，预计煤制燃料电池H2价格约为15.74元/kg；到2030年，预计煤制燃料电池H2价格约为23.74元/kg。

表4 “碳税”对煤制氢氢气成本的影响

3 工业副产氢

工业副产氢主要有4类，分别是钢铁行业的焦炉煤气副产氢，氯碱行业的电解氯化钠水溶液副产氢，丙烷脱氢(PDH)、乙烷脱氢等轻质烷烃脱氢副产氢以及石油炼制行业的重整、石脑油裂解、乙苯脱氢、催化裂化干气等副产氢。中国每年工业副产氢规模在9.0～10.0 Mt之间[11]。虽然工业副产氢的生产技术各有不同，但是大规模提纯主要采用PSA技术。由于PSA技术比较成熟，PSA提纯成本取决于副产氢原料气中气体组分和氢气含量，原料气中气体组分吸附能力差异越大、氢气含量越高，提纯成本也就越低。通常情况下，只有原料气中氢气含量超过50%,提纯才有经济性。所有副产氢中PDH、乙烷脱氢、氯碱副产氢等副产氢气浓度较高，更具提纯价值。

中国PDH项目主要分布在东部区域，截至2021年底，中国共有22个PDH项目投产，丙烯总产能达到10.75 Mt/a，副产氢产能0.40 Mt/a，预计可以满足超过10万辆氢燃料电池汽车用氢需求；中国的乙烷裂解副产氢规模更大，预计2022年乙烷裂解项目副产氢总产能达到了0.92 Mt/a，可以满足超过25万辆氢燃料电池汽车用氢需求。

根据统计，副产氢提纯到燃料电池H2的成本在6～15元/kg。在所有获取氢气的方法中，从工业副产的富氢气体提取氢气的成本最低，最具市场竞争力。由于提纯技术比较成熟，同时副产氢属于“蓝氢”，“碳税”不计入氢气生产中，未来成本变化有限。

中国石化副产氢以炼化企业为主，首批布局14家炼化企业建设供氢中心，目前北京燕山分公司、天津分公司、齐鲁分公司、广州分公司、海南炼油化工有限公司、上海高桥石油化工有限公司、镇海炼化分公司和青岛炼油化工有限责任公司的车用高纯氢生产线已投用。

4 电解水制氢

电解水制氢是指水分子在直流电作用下被分解生成氧气和氢气，并分别从电解槽阳极和阴极析出的技术。根据电解槽隔膜材料的不同，通常将电解水制氢分为碱性(ALK)水电解、质子交换膜(PEM)水电解、阴离子交换膜(AEM)水电解以及高温固体氧化物(SOEC)水电解。目前已经商业化运行的主要是碱性水电解和PEM水电解，而AEM水电解和SOEC水电解分别处于商业化前期和实验室研发阶段。碱性水电解技术较为成熟，目前应用较为广泛，优点是成本低、设备寿命长，但制氢设备效率不高，同时具有需要使用腐蚀性碱液、难以快速响应、占地面积大等缺点。PEM水电解近年来得到了大量的研究和应用，其优点是体积小、操作弹性大、启动快，最大的缺点是成本过高。各类电解水制氢的总结对比见表5[8，12-13]。

表5 各类电解水制氢技术对比

续表5

目前全球范围内集中式电解水制氢的项目相对较少，由于电解水装置可以与风电、光电、水电等可再生能源结合，实现绿氢的生产和能源的化学存储，在“双碳”背景下，大规模绿电集中式制氢项目会陆续出现。电解水制氢70%～90%的成本是用电费用，装置规模越大，设备利用率越高，用电费用比重越高。根据资料汇总，目前大型风光互补可再生能源制氢项目的综合制氢成本在14～30元/kg。

5 结论