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全面提升數(shù)據(jù)價(jià)值
賦能業(yè)務(wù)提質(zhì)增效
摘要:氫氣相對燃料電池汽車,就像石油相對于傳統(tǒng)燃油車,燃料電池汽車大規(guī)模商業(yè)化推廣離不開氫氣的供應(yīng),根據(jù)我國國情選擇適合的大規(guī)模制氫方式,是燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)上游布局中的重要一環(huán)。本文在介紹車用氫氣標(biāo)準(zhǔn)和制氫技術(shù)路線的基礎(chǔ)上,試析了國內(nèi)車用氫氣大規(guī)模制取可能的路線。
氫氣標(biāo)準(zhǔn)包括質(zhì)量、安全、制備和提純?nèi)?xiàng),共10項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)
國內(nèi)氫能標(biāo)準(zhǔn)主要由全國氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC309)負(fù)責(zé)制定,涉及氫能基礎(chǔ)與管理、氫工程建設(shè)、氫儲(chǔ)運(yùn)與加注、氫能應(yīng)用、氫相關(guān)檢測、氫質(zhì)量、氫安全、氫制備與提純八個(gè)方面。
自2005年至今頒布的氫氣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有氫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)3項(xiàng)、氫安全標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)和氫制備與提純標(biāo)準(zhǔn)5項(xiàng),共10項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)(表1)。其中,車用燃料氫氣純度需達(dá)到99.97%。
表1 氫能標(biāo)委會(huì)制定氫氣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分類及名稱
(資料來源:五度易鏈行業(yè)研究中心)
全球制氫路線主要有五類,化石燃料類共占96%
氫氣的制取有多種方式,其中化石燃料制氫是當(dāng)前獲取廉價(jià)氫氣的主要途徑,2013年全球氫氣生產(chǎn)總量約5500萬噸,其中約50%來自天然氣蒸汽重整、29%來自煉廠的石腦油重整和各種化工過程尾氣、17%來自煤炭氣化、3.9%來自電解水制氫、0.1%來自生物制氫等其他途徑。其中,由于燃料電池汽車對氫氣純度要求較高,化石燃料路線需加入變壓吸附提純(PSA)工藝,使制取的氫氣純度高于99.97%。
圖1 全球氫氣生產(chǎn)來源比例
(資料來源:《中國車用氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告(2018)》)
(1)天然氣重整制氫工藝簡單、應(yīng)用廣泛。該技術(shù)主要是通過催化劑的作用,與H20或O2反應(yīng)生產(chǎn)H2和CO,在通過變壓吸附提純(PSA)提高H2純度。比較成熟的工藝主要出自法國的德西尼布,德國的魯奇、林德和伍德,英國的福斯特惠勒以及丹麥的托普索。
(2)石腦油重整和化工尾氣碳?xì)浔戎蹈?,H2來源主要是H2O。石腦油重整和化工尾氣制氫與天然氣制氫同屬烴類制氫,工藝原理類似,但由于其碳?xì)浔戎递^高,因此制得氫氣的主要來源是H2O(占69%),并且伴有炭黑等較多副產(chǎn)品。該工藝美國 Texaco 公司和荷蘭 Shell 公司較為先進(jìn)。
(3)以煤為原料的制氫路線工藝復(fù)雜、原料成分多,對變壓吸附提純技術(shù)(PSA)要求較高。煤為原料制氫的路線主要有煤氣化制氫和焦煤爐氣制氫,前者技術(shù)核心主要是煤氣化技術(shù),多采用加壓純氧氣流床液態(tài)排渣氣化工藝,荷蘭Shell公司干煤粉氣化工藝、美國GE公司水煤漿氣化工藝和德國 SIEMENS公司的GSP氣化技術(shù)應(yīng)用較為廣泛,其中,國內(nèi)神華寧煤集團(tuán)采用的是德國SIEMENS公司GSP氣化技術(shù);后者焦煤爐氣制氫的原料焦?fàn)t氣,主要是煤煉焦工業(yè)的副產(chǎn)可燃?xì)怏w,氫的含量可達(dá)50%以上,采用PSA工藝提取純氫后,即可獲得所需純度的H2。
(4)電解水制氫工藝歷史悠久,但制氫成本居高不下。該工藝至今已有110多年歷史,技術(shù)較為成熟,主要是在含有無機(jī)酸或堿金屬氫氧化物的水中插入電極,通電后在陰極生成氫氣,陽極生成氧氣。其制氫效率可達(dá)75~85%,工藝簡單無污染,但電耗較大,成本中電費(fèi)占總成本約80%,目前以德國Lurgi公司、挪威Hydro公司以及加拿大多倫多電解槽有限公司工藝較為先進(jìn)。
(5)氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫易提純,是低成本H2來源的補(bǔ)充。氯堿工業(yè)上用電解飽和Nacl溶液的方法來制取NaOH、CL2,同時(shí)得到副產(chǎn)品H2。采用PSA吸附提純,即可獲取純度99~99.999%的高純度H2。傳統(tǒng)氯堿廠對氫氣的利用主要分為兩類,一類是收集后與CL2反應(yīng)生產(chǎn)HCL產(chǎn)品,另一類則是直接燃燒,提供熱能,但由于投資大,更多選擇直接放空。收集氯堿廠生產(chǎn)的H2,即可提高氯堿廠效益,也是H2來源的一種補(bǔ)充。
氯堿廠副產(chǎn)氫可滿足當(dāng)前車用,未來可以煤系路線為主
國內(nèi)的能源結(jié)構(gòu)及產(chǎn)業(yè)布局情況,決定了煤制氫、焦煤爐氣提純氫以及氯堿工業(yè)副產(chǎn)提純氫,是目前較為合適的大規(guī)模制氫方式。
(1)石油和天然氣對外依存度高,以煤為原料的路線符合國情。2018年國內(nèi)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中,煤炭占總量的66%、石油占19.1%、天然氣僅占5.9%,石油和天然氣對外依存度較高。因此,全球占比重較高的天然氣和石油制氫路線不適合我國的基本國情,而我國煤炭資源豐富,價(jià)格相對較低,又由于其工藝復(fù)雜、流程較長,因此適合在華北、西部等煤炭資源相對豐富的地區(qū),布局大中型規(guī)模制氫裝置。同時(shí),2014年國內(nèi)焦炭產(chǎn)量為4.77億噸,產(chǎn)生的焦?fàn)t氣達(dá)2000億m3,如按照50%純度核算,提純后可制取1000億Nm3的H2,由于世界焦炭生產(chǎn)主要集中在我國,因此焦?fàn)t氣制氫在國際上沒有得到足夠的重視,技術(shù)開發(fā)和工業(yè)應(yīng)用均集中于我國。
(2)氯堿廠副產(chǎn)氫價(jià)格便宜,當(dāng)前產(chǎn)量已以可滿足汽車市場使用。2016年我國氯堿廠產(chǎn)能為3945萬噸、產(chǎn)量3283.9萬噸,可產(chǎn)生82.1萬噸H2,,即92億Nm3H2,成本僅為1.3 ~1.5元/Nm3,可供萬輛燃料電池汽車50萬次的300公里里程充能,供應(yīng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前國內(nèi)市場上燃料電池汽車的使用量。
結(jié)語
根據(jù)我國國情選擇適合的大規(guī)模制氫方式,是燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)上游布局中的重要一環(huán)。國內(nèi)制定的氫氣標(biāo)準(zhǔn)包括質(zhì)量、安全、制備和提純?nèi)?xiàng),共10項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn),對車用氫氣的純度和安全提出了較高的要求;全球制氫路線主要有天然氣、石腦油、煤、電解水和氯堿工業(yè)副產(chǎn)等其他制氫方式共五類,其中化石燃料類共占96%;根據(jù)我國一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀判斷,氯堿廠副產(chǎn)氫可滿足當(dāng)前車用,未來大規(guī)模制氫則以煤系路線為主。
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