煤炭制氢经济适用性分析

洪 皓（中国煤炭资产管理集团有限公司， 北京 100011）

      中国能源资源以煤为主， 近年来， 随着人们的可持续发展观日渐强烈， 中国致力于降低碳排放量， 对煤炭的开采利用关注度下降。 煤炭资源储量大是中国能源优势所在， 因此， 即便在逐年减少煤炭开采、 关闭煤矿的背景下， 近 10 年煤炭消费水平下降系数约1.41， 煤炭消费量仍占能源消费总量的 50%以上。 石油和天然气能源消费近 10 年增长系数分别为 0.27 和0.46， 虽在持续增长， 但仍低于 20%， 对外依存度高。国家能源委员会主任李克强指出， 需要基于中国基本国情和发展阶段， 多元发展能源供给， 提高能源保障水平。 现阶段， 中国能源局不断开拓， 煤层气、 页岩气等的勘探开采不断取得成效， 同时， 各类新型能源的开采、 利用方法也被广泛地研究、 试验。 氢能作为未来最有潜力的新型能源^[1-2]， 其制取、 储存、 运用技术同样备受关注。 在氢能开发利用的初级阶段， 主要问题在于氢的制取。 研究者们以不同原料为基础提出各类制取氢的方法， 包括电解水法制氢， 天然气、 烃类转化、 重油裂解制氢， 甲醇裂解制氢， 煤气化制氢，光生物制氢^[3]以及超临界水气化制氢^[4]。 目前已被广泛应用的是天然气、 烃类转化制氢和煤焦气化制氢技术。对能源的利用在绿色环保的基础上， 仍需讲究能源结构的可协调性， 开发利用的经济适用性。 因此， 结合中国制氢技术的应用现状以及资源储量特征， 本文将对煤炭制氢的经济适用性进行分析讨论.

1、氢能在中国能源结构中的重要性

      H₂具有燃烧热值高的特点， 其发热值为 142.351kJ/kg，是汽油的 3 倍， 焦炭的 4.5 倍。 以 H₂ 为能源燃烧， 产物为 H₂O， 是世界上最干净的能源。 早在 20 世纪 60 年代， 中国为发展航天事业， 将氢能作为能源载体和新的能源系统进行开发。 至 1970 年， 美国汽车行业开始提出以氢能作为汽车动力源的想法， 与此同时， 氢能技术被中国列入了 《科技发展“十五” 计划和 2015 年远景规划》。 随后， 世界各国包括冰岛、 中国、 德国、 日本和美国开始竞相争取实现氢能交通工具商业化， 使得氢能在小汽车、 卡车、 公共汽车、 出租车、 商业船上的应用成为焦点。 汽车产业是中国支柱产业之一， 汽车燃油消耗量约占中国石油总需求量的 1/4， 发展氢燃料电池技术， 实现新能源汽车产业化， 是能源供给日益紧张下的最佳选择， 氢能在未来汽车产业发展中亦是一大需求。中国炼油厂原油品质差， 含硫量高， 炼油过程对加氢的需求量大。 同时， 市场对汽油的需求逐年增加， 重组分加工对 H₂ 的需求量也大幅度增长。 炼厂的氢用量占原油加工量的 0.8%～2.7%^[5]。 据计算， 2×107 t/a 炼厂约需要 H₂ 2×105 t/a， 在非制氢装置产氢 1×105 t/a 的前提下， 制氢装置规模需达到 1×105 t/a （约 1.3×105 m3/h）^[6]。近几年来， 中国氢气产业迅速发展， H₂ 产量年均增长率也持续增加， 对氢能的需求并非单纯体现在汽车产业上， 还有炼油厂的加氢需求。 氢能是中国能源结构调整的重要支点， 据中国氢能联盟预计， 至 2030 年，中国 H₂ 需求量可达 3.5×107 t， 复合年增长率达 5.76%^[7]。

2、 几类主要制氢技术制氢成本取决于多方面的因素

      根据制氢原料的不同， 可分为电解水制氢、 煤炭制氢、 天然气制氢、甲醇制氢以及其他几种尚未完全成熟的制氢技术， 包括有光生物制氢、 超临界水制氢等。 制氢成本体现在原料成本、 设备成本、 维护成本、 提纯成本和以化石原料制氢的碳税支出等各个方面， 各方面的比例在于制氢方式的不同， 针对国内能源分布状况、 技术水平，各类制氢手段的成本可降低空间也有所差异。 几种相对成熟的制氢技术成本如表 1 所示^[8]。

2.1 电解水制氢

      电解水制氢是一种较为简单的制取 H₂ 的方法， 可分为碱性水电解、 原子交换膜水电解和高温水蒸气电解。 电解水制氢的原料是 H₂O， 投入能源为电力以及部分热能。 其特点是电力来自于可再生能源， 且无 CO₂排放。 该技术成本主要表现在运营费用 （包括有维护、电池组更换）、 电费 （用电、 过网费） 等方面， 其中，电费成本达总成本的 70%～80%， 占比极高。 一般来讲，每生产 1 m³ 的 H₂ 消耗电力 3.5～5.0 kW·h。 以当前市场销售电价为参考， 电解水制氢技术成本在 3.0～4.0 元/m³波动， 是煤气化制氢的 3～4 倍， 在经济上不具有竞争力。但并非电解水制氢毫无价值可言， 近几年， 根据各地能源优势， 开始探索以风能、 太阳能等可再生能源发电制氢。 由于中国三北地区不能并网， 使得此类电能不能大规模储存， 若将这一类电能用于电解制氢，预计至 2030 年单位制氢成本降至 0.875～1.813 元/m³，成本大幅下降的同时也实现了能源优化处理。

2.2 煤炭制氢

      煤炭是碳含量极高的化石原料， 以煤炭作为优质的还原剂与 H₂O 反应生成 H₂， 普遍采用水煤浆工艺原理， 即：C+H₂O→CO+H₂该工艺制氢涉及多个环节， 先经过气化、 CO 耐硫变换、 酸性气体脱除， 再到 H₂ 提纯， 原料成本低， 占总成本 35%～40%。 该装置规模大， 设备结构复杂、 运转周期短， 制造和财务投入成本约占 22.5%， 具体如图1 所示^[9]。

图 1  煤炭制氢成本构成

      近几年， 煤炭制氢技术已被广泛开发应用， 九江煤制氢项目采用 GE 水煤浆气化技术， 年产氢 1×105 t； 长岭炼油厂使用煤制氢装置， 得到超过 3 000 m³/h 的氢气输送量， 使得用氢总成本下降 33%～35%； 巴陵石化合成橡胶事业部以煤制氢作 H₂ 补给， 可满足 2000 m³/h的用氢量； 由英德气体在湖北荆门建设的煤制氢综合利用项目， 产氢能力达 5.3×104 m³/h， 氢能力为2×105 t/a；神华集团建造的百万吨煤炭直接液化示范工厂， 其粉煤加压气化工艺单套日产氢能力为 313 t， H₂ 纯度为 99.5%。以煤炭为原料气化产氢工艺成本低， 在高油价的条件下， 中国炼厂以石脑油和重油为原料制氢不具有经济性。 而以天然气制氢的炼厂， 天然气价格在 3 元/m³ 之上时， 大规模的煤气化制氢更具有经济性。 然而此类制氢工艺排出大量 CO， CO₂ 等温室气体， 需要征收一定的碳税， 这也为该工艺增加了一定的成本。 此外， 该工艺特点在于选用了煤炭的还原性， 未全面掌握了解煤炭的分子级结构。 煤炭本身除去 C 元素外， 还含有H 元素， 这些化学组成结构受母质和多种地质因素的影响， 或可在制氢过程中参与反应影响氢气转化率。 因此， 以煤炭制氢的工艺仍不止气化制氢一种， 基于中国丰富的煤炭资源背景， 探索煤炭利用分质多联产的发展是重要方向之一。 以煤炭为原料， 掌握不同煤质和煤类的结构特征， 充分利用煤的 C， H 元素特性， 以实现煤炭制氢的低碳排放量， 亦是降低煤炭制氢成本的有效途径。

2.3 天然气制氢

      天然气制氢同样通过重整反应得到以 H₂， CO 为主要成分的混合气体， 再经过净化提纯得到 H₂。 该类技术已被国内运用超过 20 a， 具有占地面积小、 无“三废” 排放、 装置能耗较低等特点^[10]。 但是， 随着中国城镇化水平的不断提高， 天然气的消费人口和供应消费总量稳步增长。 中国的 LNG 接收站数量不多， 天然气资源开采短期内增长潜力有限， 市场出现供应缺口是必然 （见表 2）， 预计 2023 年中国天然气供需缺口约1.75×1011 m³。 如图 2 所示^[9]， 从天然气制氢成本构成来看， 其主要成本在于天然气， 占总成本的 73.4%。 由此看来， 天然气制氢的成本主要取决于天然气价格的波动， 在技术方面很难有成本下降的空间。

表 2   近 5 年中国天然气供需平衡表 单位： 108 m³

图 2 天然气制氢成本构成

2.4 甲醇制氢

      甲醇制氢是 CH₃OH 和水蒸气在 200 ℃条件下通过催化反应， 生成 H₂ 和 CO₂ 的混合气体， 而后经过变压吸附得到高纯度的 H₂， 可得到纯度大于 99.9%的H₂。 该工艺投资少， 无污染。 但由于 CH₃OH 市场价格变换过快， 只适合小规模制氢， 国内运行制氢规模均小于5 000 m³/h。 近年来， 亦有甲醇裂解制氢技术， 采用工业级甲醇裂解、 脱碳， 再经提纯得到的 H₂ 浓度高， 原料CH₃OH 消耗约 0.5 kg/m^₃ 的 H₂， 装置规模可达6×104 m³/h。

2.5 其他制氢技术

      以上制氢方式主要为化石原料制氢和电解水制氢两类， 迫于各类制氢方式的利弊， 在制氢原理上学者们还研究出了许多种不同的制氢技术。 超临界水制氢包括有葡萄糖超临界水气化制氢^[11]、 甲醇超临界水气化制氢^[12]、 烃类超临界水制氢^[13]和生物超临界水制氢^[14]。其中， 煤炭超临界水制氢发电多联产技术可实现煤炭化学能高效转化为氢能， 碳转化效率达 96%～99%。 该技术的优点在于可以从源头上除去 SO₂， NOx 等气体污染物， 极大地降低了投资运行成本。 据估算， 大型工业化后制氢成本低于 0.58 元/m³。 光生物制氢法减少了温室气体排放， 但与其他化学制氢方式相比， 由于单位土地面积太阳能密度低， 直接利用太阳光获得能量需要大规模的土地， 据计算， 若需满足 1852 个制氢规模在 10 t/d 的制氢站， 所需土地面积约 1.5×106 m^2 [3]。

3、 煤炭制氢经济适用性分析

      随着人们对 H₂ 的需求量不断增加以及氢能在中国能源结构中的地位日益凸显， 制氢技术也在不断发展。工艺较为成熟的天然气制氢、 煤炭制氢技术虽被广泛应用， 但各有缺陷。 天然气制氢大部分成本在于天然气的价格， 而中国天然气能源本身对外依存度高， 以天然气为原料制氢虽解决了温室气体排放的问题， 却不利于能源结构的优化调整； 煤炭气化制氢优势在于煤炭原料的低成本， 但制氢过程中仍排出温室气体，不契合能源清洁开发利用的初衷， 该制氢方式仍有改善的空间； 电解水制氢主要是将电能转化为氢能储存，对于风能、 太阳能贫瘠的地区不具有利用经济性； 超临界水制氢在于运用了超临界水特殊的物理性质， 在一定程度上改善了各类化石原料制氢的转换率； 而光生物制氢等仍需克服设备等问题， 发展成熟之路仍漫长。 因此， 针对原料成本低、 改善空间大的煤炭制氢技术进行了以下几个方面的经济适用性评价。

3.1 原料成本优势分析

      煤炭是中国重要的基础能源， 可采储量约 1.145×1011 t，占世界储量的 11.67%。 中国能源结构的基本特点是富煤、 贫油、 少气， 且在已探明的储量中， 低煤阶煤占全国煤炭储量的 46%， 主要有褐煤和长焰煤、 不粘煤、弱粘煤等低变质程度的烟煤。 煤炭的品种和质量在各个地区变化较大， 比如主要炼焦煤种的瘦煤、 焦煤、 肥煤有一半左右集中在山西。 适于露天开采的煤炭储量少， 仅占总储量的 7%左右， 其中 70%是褐煤， 主要分布在内蒙古、 新疆和云南。 不同于中高阶煤类， 低煤阶煤挥发分高 （>20%）， 不可直接用于制造煤气或作为燃料， 其特点在于气化、 液化工业等利用方式。 而近年来， 中国沿海省份的煤炭需求量一直很大， 但中国有约90%的煤炭资源和生产能力均分布在西部和北部地区。例如： 鄂尔多斯盆地的神东 - 陕北矿区、 晋北矿区以及新疆准格尔、 伊犁等地是低变质烟煤的主要产出地；云南先锋矿物的褐煤生产能力达 137 t/a， 是直接液化的优质原料煤。 全国资源量分布与煤炭资源需求人口所在地不匹配， 仅煤炭运输方面的成本消耗就大大降低了直接利用煤炭资源的经济效益。此外， 全国煤炭储量近一半为低煤阶煤， 主张分级分质多联产手段高效利用煤炭， 可规避煤炭直接利用品质低、 消耗大量能源成本的同时也产生大量大气污染物等问题。 以煤炭特别是低煤阶煤为原料制氢， 一方面， 秉承了低煤阶煤高效利用的理念； 另一方面， 成全了煤炭制氢工艺原料的经济性优势， 是中国煤炭高效清洁利用的重要尝试手段， 亦是能源结构消费多元化的探索方向。 同时， 随着低温液态储氢、 高压气态储氢和储氢材料储氢等储氢方式的应运而生[2]， 将煤炭能源转化为氢能源运送到能源缺乏的省份， 为煤炭制氢技术全面成熟发展、 实现地区能源供给侧平衡奠定了基础， 是低煤阶煤清洁利用、 煤炭制氢技术低成本的优势所在。

3.2 能源利用率优势分析

      能源有效利用率是煤炭、 石油、 天然气等能源物质的含热值与其转化为有用热能和机械能的比例关系，代表能源有效利用的程度， 也代表一个国家科技发达程度。 传统煤炭利用方式以碳为燃料与化工产品原料，在低效转化的技术工艺条件下极大程度地浪费了煤炭资源， 带来了高污染。 直接燃烧煤发电， 其中的碳全部被转化为 CO₂， 碳利用率为 0%， 能源利用率仅为35%； 若将煤炭液化成油， 碳利用率可达 23%； 以粉煤为原料气化制 CH₃OH， 煤中碳的利用率可达 85.8%^[15]。煤炭所含元素丰富， 以 C 元素最高， 且煤阶越低， 含有的 H， N， S 以及金属元素含量越高， 对煤炭分级分质利用是提高能源利用率的有效途径。 氢能燃烧所产生的热值高， 为焦炭的 4.5 倍， 汽油的 3 倍， 直观反映了以煤炭为原料制氢比煤炭直接利用或煤炭液化制油的能源利用价值高。 以煤炭与超临界水作用开发气化制氢发电多联产技术， 碳转化效率可达 96%～99%， 极大地减少了大气污染。 因此， 煤炭特别是低煤阶煤，作为组成结构复杂、 有机组分丰富的化石能源， 可利用空间会随着人们对其分子结构的认知而不断上升，秉承“将煤炭吃干抹净” 的分级分质利用原则， 以煤炭为原料制取热值更高、 需求尺度广、 零污染排放的氢能， 是提高能源有效利用的极佳途径。

4、 结语

      在绿色低碳的消费理念下， 中国能源结构倾向于向清洁能源强化、 化石能源弱化的格局发展， 氢能以其不断扩大的市场需求和蓬勃发展的制氢技术， 将成为能源结构调整的重要支点。以占比总煤炭储量近半的低煤阶煤为原料制氢的技术， 将成为中国实行能源局面调整的特色手段。 相较于天然气制氢、 电解水制氢、 光生物制氢等技术， 煤炭制氢的原料具有较强的可获取性。 煤炭制氢可调整能源供给侧不均衡状况， 弱化能源需求人口密度与能源分布不对等关系， 是煤炭制氢的原料成本优势所在。此外， 能源有效利用是能源经济开发的前提， 将煤炭直接燃烧发电的能源利用率仅为 35%， 碳利用率为 0%。 中国煤炭储量中近一半为低煤阶煤， 提高碳利用率的同时还要提高其他元素如 N， S 及金属元素的利用， 以传统的利用方式不能实现低煤阶煤的能源高效利用， 而以其为制氢原料， 可发挥能源有效利用率的优势， 也是制氢技术开发的关键。

      四川蜀泰化工科技有限公司

      联系电话:0828-7880085

      公司官网：www.shutaicn.com

  【上一篇：制氢技术综述&制氢技术路线选择】

  【下一篇：生物质制乙醇、乙醇重整制氢原理、途径和催化剂】