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【森樂(lè )化工】制氫篇

我國制氫現狀自2020年“雙碳”目標提出后,我國氫能產(chǎn)業(yè)熱度攀升,發(fā)展進(jìn)入快車(chē)道。中國是世界上最大的制氫國,2022年我國氫氣產(chǎn)能約為4100萬(wàn)噸/年,產(chǎn)量為3781萬(wàn)噸/年。預測在2030年碳達峰愿景下,我國氫氣的產(chǎn)量預期將超過(guò)5000萬(wàn)噸/年。主要的制氫方式包括化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫和電解水制氫等三類(lèi),目前我國氫制取幾乎都來(lái)自化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫,這兩種制氫路徑技術(shù)成熟、產(chǎn)量大且產(chǎn)能分...

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產(chǎn)品介紹

20年專(zhuān)注于環(huán)保設備生產(chǎn)/環(huán)保工程解決方案

我國制氫現狀

自2020年“雙碳”目標提出后,我國氫能產(chǎn)業(yè)熱度攀升,發(fā)展進(jìn)入快車(chē)道。中國是世界上最大的制氫國,2022年我國氫氣產(chǎn)能約為4100萬(wàn)噸/年,產(chǎn)量為3781萬(wàn)噸/年。預測在2030年碳達峰愿景下,我國氫氣的產(chǎn)量預期將超過(guò)5000萬(wàn)噸/年。主要的制氫方式包括化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫和電解水制氫等三類(lèi),目前我國氫制取幾乎都來(lái)自化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫,這兩種制氫路徑技術(shù)成熟、產(chǎn)量大且產(chǎn)能分布廣、成本低,但是大多屬于碳基能源制取的灰氫,其碳排放比較高。煤制氫成本最低,但是排放很高,可再生能源制氫無(wú)碳排放,其成本是煤制氫的三倍。

我國氫源以煤炭為主,可再生能源電解水制氫受成本過(guò)高的制約,占比很小。當前,我國的氫源結構與世界氫源結構差距較大。從全球的氫源結構來(lái)看,氫氣有48%來(lái)源于天然氣、30%來(lái)自于副產(chǎn)氫、18%來(lái)源于煤炭。而我國目前仍是以煤制氫為主,占比達62%,天然氣制氫占比19%,石油制氫、工業(yè)副產(chǎn)氣制氫占比18%,而電解水制氫僅占1%。我國的氫源結構與“富煤、缺油、少氣”的資源稟賦有關(guān),但可再生能源電解水制氫占比小,主要限制因素是成本過(guò)高,其中電價(jià)占總成本的60%-70%。雖然近年來(lái),我國風(fēng)光發(fā)電成本出現了較大幅度的下降,部分地區已經(jīng)實(shí)現了平價(jià)上網(wǎng),但是目前可再生能源電解水制氫的綜合成本仍然約是煤制氫的三倍,是煤制氫+CCS綜合成本的二倍,因此,短期內,電解水制氫仍無(wú)法完全替代化石燃料制氫。

  制氫技術(shù)路線(xiàn)
氫按照制取過(guò)程及碳排放可以分為“灰氫”“藍氫”和“綠氫”?!盎覛洹敝覆捎没剂现迫〉臍錃?,如石油、天然氣、煤炭制氫等,制氫過(guò)程中有大量的碳排放?!八{氫”指采用化石燃料制取,但過(guò)程中采用了碳捕捉及封存技術(shù)(CCS)的氫氣?!熬G氫”指采用可再生能源(如風(fēng)電、水電、太陽(yáng)能等)通過(guò)電解制氫,制氫過(guò)程完全沒(méi)有碳排放。
目前,氫的制取主要有以下三種較為成熟的技術(shù)路線(xiàn):一是以煤炭、天然氣為代表的化石能源制氫;二是以焦爐煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業(yè)副產(chǎn)氣制氫;三是以堿性電解水、酸性質(zhì)子交換膜電解水為代表的電解水制氫。其他制氫方式,例如微生物直接制氫和太陽(yáng)能光催化分解水制氫等,仍處于實(shí)驗和開(kāi)發(fā)階段,尚未達到工業(yè)規模制氫要求。


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化石燃料制氫

化石燃料制氫是傳統的制氫方法,也是目前國際及我國的主流制氫方式。該方式由于離不開(kāi)對化石燃料的依賴(lài),仍會(huì )排出二氧化碳等溫室氣體,因此所制氫氣不屬于清潔氫能范疇?;茉粗茪渲饕褐茪?、天然氣制氫、石油制氫、甲醇制氫等,其中煤和天然氣制氫又是化石能源制氫的主要方式。



圖片

煤制氫

煤炭目前仍是我國的主要能源之一, 也是我國制氫的主要原料。雖然煤焦化副產(chǎn)的焦爐氣也可用于制氫,但煤氣化制氫目前在國內氫氣生產(chǎn)中占據主導地位。煤氣化制氫技術(shù)的工藝過(guò)程一般包括煤氣化、煤氣凈化、CO變換以及氫氣提純等主要生產(chǎn)環(huán)節。煤制氫經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,技術(shù)成熟,被廣泛應用于煤化工、石化、鋼鐵等領(lǐng)域。特別是化工和化肥行業(yè)一直在使用這項技術(shù)生產(chǎn)氨。但煤制氫工藝的二氧化碳排放量約是天然氣制氫的4倍,需結合碳捕集與封存(CCS)技術(shù)才能實(shí)現減排。據IEA數據,在煤制氫生產(chǎn)中加入CCS預計將使資本支出和燃料成本分別增加5%和130%。中國煤炭資源相對豐富、成本較低,配備CCS的煤制氫工藝可以是向清潔制氫中的一個(gè)合理過(guò)渡。



圖片

天然氣制氫

天然氣制氫是目前全球氫氣的主要來(lái)源,在北美和中東等地區被廣泛使用。與煤制氫裝置相比,用天然氣制氫產(chǎn)量高,排放的溫室氣體少,是化石原料制氫路線(xiàn)中較為理想的制氫方式。工業(yè)上由天然氣制氫的技術(shù)主要有蒸汽轉化法、部分氧化法以及天然氣催化裂解制氫。然而,我國國內目前天然氣約40%依賴(lài)進(jìn)口。國內主流的工業(yè)制氫方式仍然是煤制氫,天然氣制氫之路仍然需要契機。降本和技術(shù)突破也是天然氣制氫的兩大關(guān)卡。



2

工業(yè)副產(chǎn)制氫

工業(yè)副產(chǎn)制氫是指將富含氫氣的工業(yè)尾氣作為原料,主要采用變壓吸附法(PSA法),回收提純制氫。目前主要尾氣來(lái)源有氯堿工業(yè)副產(chǎn)氣、焦爐煤氣、輕烴裂解副產(chǎn)氣。與其他制氫方式相比,工業(yè)副產(chǎn)品制氫的最大優(yōu)勢在于幾乎無(wú)需額外的資本投入和化石原料投入,所獲氫氣在成本和減排方面有顯著(zhù)優(yōu)勢。由于其豐富的潛在供應量,被廣泛認為是燃料電池發(fā)展現階段可行的供氫解決方案。


3

電解水制氫

電解水制氫是在直流電下將水分子分解為氫氣和氧氣,分別在陰、陽(yáng)極析出,所產(chǎn)生的氫氣純度高(>99%)。這是目前最有發(fā)展潛力的綠色氫能生產(chǎn)方式,特別是利用可再生能源進(jìn)行電解水制氫是目前眾多氫氣來(lái)源方案中碳排放最低的工藝,與全球低碳減排的能源發(fā)展趨勢最為一致。


目前電解水制氫主要有3種技術(shù)路線(xiàn):堿性電解(AWE)、質(zhì)子交換膜(PEM)電解和固體氧化物(SOEC)電解。其中堿性電解水制氫技術(shù)相對最為成熟、成本最低,更具經(jīng)濟性,已被大規模應用。PEM電解水制氫技術(shù)已實(shí)現小規模應用,且適應可再能源發(fā)電的波動(dòng)性,效率較高,發(fā)展前景好。固體氧化物電解水制氫目前以技術(shù)研究為主,尚未實(shí)現商業(yè)化。


PEM電解裝置的雙極板需使用鍍金或鍍鉑的鈦材料,電堆核心也要使用稀有金屬??紤]到陽(yáng)極側容易氧化,為增強耐用性,還要使用銥這種地球上最稀有的金屬,目前全球的年產(chǎn)能僅7噸左右。陰極側也需要使用稀有金屬鉑。稀有金屬占PEM電解系統整體成本的近10%,其高成本和供應鏈的局限性成為了目前推廣PEM電解技術(shù)的主要瓶頸。為避免關(guān)鍵材料供應短缺和降低成本,PEM電解技術(shù)的發(fā)展也將努力減少稀有材料的使用,并用價(jià)格低廉的常見(jiàn)材料來(lái)替代稀有金屬。


       森樂(lè )環(huán)保:制高純氫及加氫站一體化


利用光伏發(fā)電制氫,實(shí)現可再生能源與氫能的耦合,初期規劃建設電解水制氫、加氫、儲氫一體化站,制氫能力為100Nm3/h,設計加氫能力為200kg/d,制氫工藝采用堿性電解水制氫工藝路線(xiàn),配置燃料電池發(fā)電示范工程,為燃料電池汽車(chē)提供加氫服務(wù),其余氫氣利用氫氣長(cháng)管拖車(chē)對外銷(xiāo)售,整站年供氫能力約60噸。

技術(shù)特點(diǎn)

(1)自動(dòng)化程度高,減少操作人員的工作量;原料氣和燃料氣采用不同壓力等級天然氣,有效節能和降耗;
(2)制氫裝置操作彈性大,無(wú)大容量?jì)涔?,制氫裝置可不停車(chē);制氫、壓縮設備高度撬裝化,占地面積??;
(3)采用高壓儲氣瓶的儲氫方式,技術(shù)成熟,安全可靠;高壓氫氣分級加注,儲氣設備容積利用率高;
(4)可利用現有天然氣加氣站進(jìn)行改擴建,易推廣。
    參數詳情
參數名稱(chēng)參數值
制氫能力50~1000kg/d
加注能力200~1500kg/d
加注等級35MPa/70MPa





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