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【森乐化工】制氢篇

我国制氢现状自2020年“双碳”目标提出后,我国氢能产业热度攀升,发展进入快车道。中国是世界上最大的制氢国,2022年我国氢气产能约为4100万吨/年,产量为3781万吨/年。预测在2030年碳达峰愿景下,我国氢气的产量预期将超过5000万吨/年。主要的制氢方式包括化石燃料制氢、工业副产制氢和电解水制氢等三类,目前我国氢制取几乎都来自化石能源制氢和工业副产氢,这两种制氢路径技术成熟、产量大且产能分...

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我国制氢现状

自2020年“双碳”目标提出后,我国氢能产业热度攀升,发展进入快车道。中国是世界上最大的制氢国,2022年我国氢气产能约为4100万吨/年,产量为3781万吨/年。预测在2030年碳达峰愿景下,我国氢气的产量预期将超过5000万吨/年。主要的制氢方式包括化石燃料制氢、工业副产制氢和电解水制氢等三类,目前我国氢制取几乎都来自化石能源制氢和工业副产氢,这两种制氢路径技术成熟、产量大且产能分布广、成本低,但是大多属于碳基能源制取的灰氢,其碳排放比较高。煤制氢成本最低,但是排放很高,可再生能源制氢无碳排放,其成本是煤制氢的三倍。

我国氢源以煤炭为主,可再生能源电解水制氢受成本过高的制约,占比很小。当前,我国的氢源结构与世界氢源结构差距较大。从全球的氢源结构来看,氢气有48%来源于天然气、30%来自于副产氢、18%来源于煤炭。而我国目前仍是以煤制氢为主,占比达62%,天然气制氢占比19%,石油制氢、工业副产气制氢占比18%,而电解水制氢仅占1%。我国的氢源结构与“富煤、缺油、少气”的资源禀赋有关,但可再生能源电解水制氢占比小,主要限制因素是成本过高,其中电价占总成本的60%-70%。虽然近年来,我国风光发电成本出现了较大幅度的下降,部分地区已经实现了平价上网,但是目前可再生能源电解水制氢的综合成本仍然约是煤制氢的三倍,是煤制氢+CCS综合成本的二倍,因此,短期内,电解水制氢仍无法完全替代化石燃料制氢。

  制氢技术路线
氢按照制取过程及碳排放可以分为“灰氢”“蓝氢”和“绿氢”。“灰氢”指采用化石燃料制取的氢气,如石油、天然气、煤炭制氢等,制氢过程中有大量的碳排放。“蓝氢”指采用化石燃料制取,但过程中采用了碳捕捉及封存技术(CCS)的氢气。“绿氢”指采用可再生能源(如风电、水电、太阳能等)通过电解制氢,制氢过程完全没有碳排放。
目前,氢的制取主要有以下三种较为成熟的技术路线:一是以煤炭、天然气为代表的化石能源制氢;二是以焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢为代表的工业副产气制氢;三是以碱性电解水、酸性质子交换膜电解水为代表的电解水制氢。其他制氢方式,例如微生物直接制氢和太阳能光催化分解水制氢等,仍处于实验和开发阶段,尚未达到工业规模制氢要求。


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化石燃料制氢

化石燃料制氢是传统的制氢方法,也是目前国际及我国的主流制氢方式。该方式由于离不开对化石燃料的依赖,仍会排出二氧化碳等温室气体,因此所制氢气不属于清洁氢能范畴。化石能源制氢主要包括煤制氢、天然气制氢、石油制氢、甲醇制氢等,其中煤和天然气制氢又是化石能源制氢的主要方式。



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煤制氢

煤炭目前仍是我国的主要能源之一, 也是我国制氢的主要原料。虽然煤焦化副产的焦炉气也可用于制氢,但煤气化制氢目前在国内氢气生产中占据主导地位。煤气化制氢技术的工艺过程一般包括煤气化、煤气净化、CO变换以及氢气提纯等主要生产环节。煤制氢经过多年的发展,技术成熟,被广泛应用于煤化工、石化、钢铁等领域。特别是化工和化肥行业一直在使用这项技术生产氨。但煤制氢工艺的二氧化碳排放量约是天然气制氢的4倍,需结合碳捕集与封存(CCS)技术才能实现减排。据IEA数据,在煤制氢生产中加入CCS预计将使资本支出和燃料成本分别增加5%和130%。中国煤炭资源相对丰富、成本较低,配备CCS的煤制氢工艺可以是向清洁制氢中的一个合理过渡。



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天然气制氢

天然气制氢是目前全球氢气的主要来源,在北美和中东等地区被广泛使用。与煤制氢装置相比,用天然气制氢产量高,排放的温室气体少,是化石原料制氢路线中较为理想的制氢方式。工业上由天然气制氢的技术主要有蒸汽转化法、部分氧化法以及天然气催化裂解制氢。然而,我国国内目前天然气约40%依赖进口。国内主流的工业制氢方式仍然是煤制氢,天然气制氢之路仍然需要契机。降本和技术突破也是天然气制氢的两大关卡。



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工业副产制氢

工业副产制氢是指将富含氢气的工业尾气作为原料,主要采用变压吸附法(PSA法),回收提纯制氢。目前主要尾气来源有氯碱工业副产气、焦炉煤气、轻烃裂解副产气。与其他制氢方式相比,工业副产品制氢的最大优势在于几乎无需额外的资本投入和化石原料投入,所获氢气在成本和减排方面有显著优势。由于其丰富的潜在供应量,被广泛认为是燃料电池发展现阶段可行的供氢解决方案。


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电解水制氢

电解水制氢是在直流电下将水分子分解为氢气和氧气,分别在阴、阳极析出,所产生的氢气纯度高(>99%)。这是目前最有发展潜力的绿色氢能生产方式,特别是利用可再生能源进行电解水制氢是目前众多氢气来源方案中碳排放最低的工艺,与全球低碳减排的能源发展趋势最为一致。


目前电解水制氢主要有3种技术路线:碱性电解(AWE)、质子交换膜(PEM)电解和固体氧化物(SOEC)电解。其中碱性电解水制氢技术相对最为成熟、成本最低,更具经济性,已被大规模应用。PEM电解水制氢技术已实现小规模应用,且适应可再能源发电的波动性,效率较高,发展前景好。固体氧化物电解水制氢目前以技术研究为主,尚未实现商业化。


PEM电解装置的双极板需使用镀金或镀铂的钛材料,电堆核心也要使用稀有金属。考虑到阳极侧容易氧化,为增强耐用性,还要使用铱这种地球上最稀有的金属,目前全球的年产能仅7吨左右。阴极侧也需要使用稀有金属铂。稀有金属占PEM电解系统整体成本的近10%,其高成本和供应链的局限性成为了目前推广PEM电解技术的主要瓶颈。为避免关键材料供应短缺和降低成本,PEM电解技术的发展也将努力减少稀有材料的使用,并用价格低廉的常见材料来替代稀有金属。


       森乐环保:制高纯氢及加氢站一体化


利用光伏发电制氢,实现可再生能源与氢能的耦合,初期规划建设电解水制氢、加氢、储氢一体化站,制氢能力为100Nm³/h,设计加氢能力为200kg/d,制氢工艺采用碱性电解水制氢工艺路线,配置燃料电池发电示范工程,为燃料电池汽车提供加氢服务,其余氢气利用氢气长管拖车对外销售,整站年供氢能力约60吨。

技术特点

(1)自动化程度高,减少操作人员的工作量;原料气和燃料气采用不同压力等级天然气,有效节能和降耗;
(2)制氢装置操作弹性大,无大容量储氢罐,制氢装置可不停车;制氢、压缩设备高度撬装化,占地面积小;
(3)采用高压储气瓶的储氢方式,技术成熟,安全可靠;高压氢气分级加注,储气设备容积利用率高;
(4)可利用现有天然气加气站进行改扩建,易推广。
    参数详情
参数名称参数值
制氢能力50~1000kg/d
加注能力200~1500kg/d
加注等级35MPa/70MPa