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  • 2019-02-28
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氢气相对燃料电池汽车,就像石油相对于传统燃油车,燃料电池汽车大规模商业化推广离不开氢气的供应,根据我国国情选择适合的大规模制氢方式,是燃料电池汽车产业上游布局中的重要一环。本文在介绍车用氢气标准和制氢技术路线的基础上,试析了国内车用氢气的主要制取路线。

  摘要:氢气相对燃料电池汽车,就像石油相对于传统燃油车,燃料电池汽车大规模商业化推广离不开氢气的供应,根据我国国情选择适合的大规模制氢方式,是燃料电池汽车产业上游布局中的重要一环。本文在介绍车用氢气标准和制氢技术路线的基础上,试析了国内车用氢气大规模制取可能的路线。

  氢气标准包括质量、安全、制备和提纯三项,共10项标准

  国内氢能标准主要由全国氢能标准化技术委员会(SAC/TC309)负责制定,涉及氢能基础与管理、氢工程建设、氢储运与加注、氢能应用、氢相关检测、氢质量、氢安全、氢制备与提纯八个方面。

  自2005年至今颁布的氢气相关标准有氢质量标准3项、氢安全标准2项和氢制备与提纯标准5项,共10项标准(表1)。其中,车用燃料氢气纯度需达到99.97%。

  表1 氢能标委会制定氢气相关标准分类及名称

  

  (资料来源:白小姐一肖中特行业研究中心)

  全球制氢路线主要有五类,化石燃料类共占96%

  氢气的制取有多种方式,其中化石燃料制氢是当前获取廉价氢气的主要途径,2013年全球氢气生产总量约5500万吨,其中约50%来自天然气蒸汽重整、29%来自炼厂的石脑油重整和各种化工过程尾气、17%来自煤炭气化、3.9%来自电解水制氢、0.1%来自生物制氢等其他途径。其中,由于燃料电池汽车对氢气纯度要求较高,化石燃料路线需加入变压吸附提纯(PSA)工艺,使制取的氢气纯度高于99.97%。

  图1 全球氢气生产来源比例

  (资料来源:《中国车用氢能产业发展报告(2018)》)

  (1)天然气重整制氢工艺简单、应用广泛。该技术主要是通过催化剂的作用,与H20或O2反应生产H2和CO,在通过变压吸附提纯(PSA)提高H2纯度。比较成熟的工艺主要出自法国的德西尼布,德国的鲁奇、林德和伍德,英国的福斯特惠勒以及丹麦的托普索。

  (2)石脑油重整和化工尾气碳氢比值高,H2来源主要是H2O。石脑油重整和化工尾气制氢与天然气制氢同属烃类制氢,工艺原理类似,但由于其碳氢比值较高,因此制得氢气的主要来源是H2O(占69%),并且伴有炭黑等较多副产品。该工艺美国 Texaco 公司和荷兰 Shell 公司较为先进。

  (3)以煤为原料的制氢路线工艺复杂、原料成分多,对变压吸附提纯技术(PSA)要求较高。煤为原料制氢的路线主要有煤气化制氢和焦煤炉气制氢,前者技术核心主要是煤气化技术,多采用加压纯氧气流床液态排渣气化工艺,荷兰Shell公司干煤粉气化工艺、美国GE公司水煤浆气化工艺和德国 SIEMENS公司的GSP气化技术应用较为广泛,其中,国内神华宁煤集团采用的是德国SIEMENS公司GSP气化技术;后者焦煤炉气制氢的原料焦炉气,主要是煤炼焦工业的副产可燃气体,氢的含量可达50%以上,采用PSA工艺提取纯氢后,即可获得所需纯度的H2。

  (4)电解水制氢工艺历史悠久,但制氢成本居高不下。该工艺至今已有110多年历史,技术较为成熟,主要是在含有无机酸或碱金属氢氧化物的水中插入电极,通电后在阴极生成氢气,阳极生成氧气。其制氢效率可达75~85%,工艺简单无污染,但电耗较大,成本中电费占总成本约80%,目前以德国Lurgi公司、挪威Hydro公司以及加拿大多伦多电解槽有限公司工艺较为先进。

  (5)氯碱工业副产氢易提纯,是低成本H2来源的补充。氯碱工业上用电解饱和Nacl溶液的方法来制取NaOH、CL2,同时得到副产品H2。采用PSA吸附提纯,即可获取纯度99~99.999%的高纯度H2。传统氯碱厂对氢气的利用主要分为两类,一类是收集后与CL2反应生产HCL产品,另一类则是直接燃烧,提供热能,但由于投资大,更多选择直接放空。收集氯碱厂生产的H2,即可提高氯碱厂效益,也是H2来源的一种补充。

  氯碱厂副产氢可满足当前车用,未来可以煤系路线为主

  国内的能源结构及产业布局情况,决定了煤制氢、焦煤炉气提纯氢以及氯碱工业副产提纯氢,是目前较为合适的大规模制氢方式。

  (1)石油和天然气对外依存度高,以煤为原料的路线符合国情。2018年国内一次能源消费结构中,煤炭占总量的66%、石油占19.1%、天然气仅占5.9%,石油和天然气对外依存度较高。因此,全球占比重较高的天然气和石油制氢路线不适合我国的基本国情,而我国煤炭资源丰富,价格相对较低,又由于其工艺复杂、流程较长,因此适合在华北、西部等煤炭资源相对丰富的地区,布局大中型规模制氢装置。同时,2014年国内焦炭产量为4.77亿吨,产生的焦炉气达2000亿m³,如按照50%纯度核算,提纯后可制取1000亿Nm³的H2,由于世界焦炭生产主要集中在我国,因此焦炉气制氢在国际上没有得到足够的重视,技术开发和工业应用均集中于我国。

  (2)氯碱厂副产氢价格便宜,当前产量已以可满足汽车市场使用。2016年我国氯碱厂产能为3945万吨、产量3283.9万吨,可产生82.1万吨H2,,即92亿Nm3H2,成本仅为1.3 ~1.5元/Nm³,可供万辆燃料电池汽车50万次的300公里里程充能,供应量远远大于目前国内市场上燃料电池汽车的使用量。

  结语

  根据我国国情选择适合的大规模制氢方式,是燃料电池汽车产业上游布局中的重要一环。国内制定的氢气标准包括质量、安全、制备和提纯三项,共10项标准,对车用氢气的纯度和安全提出了较高的要求;全球制氢路线主要有天然气、石脑油、煤、电解水和氯碱工业副产等其他制氢方式共五类,其中化石燃料类共占96%;根据我国一次能源消费结构和产业现状判断,氯碱厂副产氢可满足当前车用,未来大规模制氢则以煤系路线为主。


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