煤制氫
關(guān)注創(chuàng)建者：環(huán)保達(dá)人 創(chuàng)建時(shí)間：2023-06-16
煤制氫的實(shí)例教程
由于其他制氫工藝在技術(shù)和成本方面仍受制約，煤制氫將是中國(guó)初期及中期階段的主要氫源，而碳捕集利用與封存（CCUS）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)低碳煤制氫的關(guān)鍵技術(shù)選擇。考慮到CCUS技術(shù)的額外能耗和碳捕集的不完全性等特點(diǎn)，煤制氫耦合CCUS技術(shù)全流程仍將產(chǎn)生不同程度的碳排放，但相關(guān)評(píng)估較少。基于此，本文從全流程的角度評(píng)估和比較煤制氫耦合CCUS技術(shù)的碳足跡，研究結(jié)論為中國(guó)低碳化氫能發(fā)展提供決策參考，對(duì)碳中和目標(biāo)下的能源轉(zhuǎn)型具有一定的指導(dǎo)意義。
01
引言
氫能的來源具有多樣性，其中可再生能源電解水制氫被認(rèn)為是較為理想的制氫方式，從長(zhǎng)期來看其將是氫能的主要來源。但受技術(shù)成熟度、制氫成本等諸多因素的影響，目前化石能源制氫仍是全球主流的制氫方式，約占全球氫能來源的95%以上。
中國(guó)是氫氣生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，同時(shí)也是煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，在氫能發(fā)展的初期和中期階段仍需依賴煤制氫技術(shù)滿足氫氣需求。現(xiàn)階段，相較于其他制氫技術(shù)，煤制氫技術(shù)具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)，但其缺點(diǎn)在于會(huì)產(chǎn)生大量CO2排放。已有研究表明，煤制氫技術(shù)的碳足跡遠(yuǎn)高于天然氣制氫、生物質(zhì)制氫、光伏/風(fēng)力發(fā)電制氫（電解水）及核能/熱化學(xué)制氫等主要制氫技術(shù)。為兼顧氫能供應(yīng)和碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，中國(guó)需發(fā)展低碳煤制氫技術(shù)，目前碳捕集利用與封存（CCUS）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)低碳煤制氫的重要
手段。
然而，CCUS技術(shù)會(huì)引起額外能耗，增加 CO2排放，其凈減排效果無法根據(jù) CO2捕集率直接衡量。
展開 2
化石原料制氫
①煤制氫
我國(guó)的煤炭資源豐富，煤制氫技術(shù)的發(fā)展非常迅速，是目前我國(guó)最主要的制氫技術(shù)之一，其技術(shù)路徑是煤炭通過氣化轉(zhuǎn)化成合成氣，再經(jīng)水煤氣變化分離處理，提取高純度的氫氣。
煤制氫按照具體工藝流程有水煤漿氣化制氫和干粉煤氣化制氫，其中以航天爐技術(shù)、清華爐水冷壁技術(shù)和華理四噴嘴技術(shù)為代表的煤氣化技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位，煤制氫裝置合成氣生產(chǎn)規(guī)模超過20萬m3/h，煤氣化制氫技術(shù)的轉(zhuǎn)化效率在55%~60%，同時(shí)合成氣裝置每生產(chǎn)1m3 H2，CO2的排放量約為2.710kg。煤制氫工藝的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、原料成本低、規(guī)模裝置大，缺點(diǎn)則是設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)轉(zhuǎn)周期相對(duì)低、投資高、配套裝置多。此外，煤制氫裝置必須要考慮二氧化碳排放問題，隨著我國(guó)碳排放政策的日益收緊，未來作為溫室氣體二氧化碳排放將會(huì)征收高額碳稅。
②天然氣制氫
天然氣制氫按照工藝路線的不同，主要分為蒸汽重整制氫、絕熱制氫、部分氧化制氫、高溫裂解制氫和自熱重整制氫等。目前國(guó)內(nèi)外主流制氫方式是蒸汽重整制氫。
天然氣蒸汽重整制氫主要包括4個(gè)流程：
a）原料預(yù)處理。主要指原料氣的脫硫過程。
b）天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化。多采用在鎳系催化劑作用下天然氣與水蒸氣反應(yīng)，天然氣中的烷烴轉(zhuǎn)化成主要成分為一氧化碳和氫氣的原料氣。
c）一氧化碳變換。在中溫或高溫以及催化劑條件下一氧化碳和水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，從而生成氫氣和二氧化碳的變換氣。
d）氫氣提純。最常用的氫氣提純系統(tǒng)是變壓吸附凈化分離系統(tǒng)(PSA)，凈化后得到的氫氣純度可以滿足燃料電池車用要求。天然氣蒸汽重整制氫裝置簡(jiǎn)單，能效較高，能量轉(zhuǎn)化率可達(dá)70%以上，每生產(chǎn)1m3H2，CO2排放約為1.07kg。
展開 煤制氫碳捕集場(chǎng)景
相較其他制氫技術(shù)，現(xiàn)階段煤制氫與CCUS技術(shù)的集成應(yīng)用具備顯著的成本優(yōu)勢(shì)；CCUS技術(shù)可降低煤制氫過程約90%的二氧化碳排放，但相比可再生能源制氫其碳足跡仍是短板；新疆、山西、陜西 及內(nèi)蒙古等地區(qū)可作為推廣煤制氫與CCUS技術(shù)集成應(yīng)用的優(yōu)先區(qū)域；煤制氫與CCUS 技術(shù)集成應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)主要包括缺乏公眾認(rèn)可度以及與可再生能源之間的競(jìng)爭(zhēng)。這有可能對(duì)煤制氫與CCUS技術(shù)的集成應(yīng)用潛力形成嚴(yán)重制約，阻礙其長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。
未來已來，石化行業(yè)CCUS技術(shù)大有可為。
文章來源石油和化工智能制造智庫
展開 如前文所述，我國(guó)氫氣總產(chǎn)量中絕大部分來源于化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫，僅1.5%由電解水制氫提供。煤制氫雖然技術(shù)成熟、成本低廉，但短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)清潔低碳。因?yàn)?em>煤制氫生產(chǎn)過程需要消耗大量煤炭，從當(dāng)前技術(shù)水平看，生產(chǎn)1噸氫氣平均需要消耗煤炭約6-8 噸，排放15-20噸左右的二氧化碳，此外還會(huì)產(chǎn)生大量高鹽廢水及工業(yè)廢渣。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)測(cè)算，2020年化石能源制氫合計(jì)排放二氧化碳3.225億噸，大致占我國(guó)工業(yè)過程排放二氧化碳量的25%左右。而目前碳捕捉與封存技術(shù)（CCS）、廢水廢渣綜合利用技術(shù)還不足以支持煤制氫大規(guī)模發(fā)展，短期內(nèi)煤制氫的“三高”問題難以解決。
電解水制氫雖然在制氫環(huán)節(jié)清潔，但我國(guó)60%左右的電力來自煤炭，用煤電來電解水制氫，“三高”問題將更為嚴(yán)重。從全生命周期角度測(cè)算，煤電制氫的能耗、碳排放比煤制氫更高。能效方面，生產(chǎn)1噸氫氣，電解水制氫需消耗5萬-6萬度電，“電-氫”系統(tǒng)能效約為 65%-75%；但如果使用燃煤發(fā)電的電力制氫，“煤-電-氫”系統(tǒng)效率下降至30%以下。碳排放方面，煤電制氫生產(chǎn)1噸氫氣需要排放二氧化碳30噸甚至更高，是煤制氫的2-3倍。因此，煤電制氫比傳統(tǒng)煤制氫更加耗能、更加污染，不應(yīng)作為清潔制氫的技術(shù)選擇。
綜上，氫氣如果來自于煤炭，使用過程的清潔、低碳是以生產(chǎn)環(huán)節(jié)的“不清潔、不低碳”為代價(jià)的，其結(jié)果只能是污染和排放的空間轉(zhuǎn)移。在“綠氫”不具備真正的成本競(jìng)爭(zhēng)力之前，大規(guī)模推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，將導(dǎo)致“灰氫”規(guī)模快速擴(kuò)張和二氧化碳排放量快速增加，不利于我國(guó)“雙碳”工作的推進(jìn)。
展開 從來源看，我國(guó)的氫源結(jié)構(gòu)目前仍是以煤為主，來自煤制氫的氫氣占比約62%、天然氣制氫占19%，電解水制氫僅占1%，工業(yè)副產(chǎn)占18%。就消費(fèi)情況看，目前的氫能基本全部用于工業(yè)領(lǐng)域，其中，生產(chǎn)合成氨用氫占比為37%、甲醇用氫占比為19%、煉油用氫占比為10%、直接燃燒占比為15%、其他領(lǐng)域占比為19%。
（1）以煤為原料制氫
煤制氫的本質(zhì)是以煤中碳取代水中的氫，最終生成氫氣和二氧化碳。這里，碳起到還原作用并為置換反應(yīng)提供熱。
以煤為原料制取含氫氣體的方法主要有兩種：
一是煤的焦化（或稱高溫干餾），煤在隔絕空氣條件下，在900-1000℃制取焦炭，副產(chǎn)品為焦?fàn)t煤氣。焦?fàn)t煤氣組份中含氫氣55%-60%(體積）、甲烷23%-27%、一氧化碳5%-8%等。每噸煤可得煤氣300-350m3，作為城市煤氣，亦是制取氫氣的原料。
二是煤的氣化，使煤在高溫常壓或加壓下，與水蒸汽或氧氣（空氣）等反應(yīng)轉(zhuǎn)化成氣體產(chǎn)物。氣體產(chǎn)物中氫氣的含量隨不同氣化方法而異。
（2）天然氣制氫
天然氣的主要成分是甲烷（CH4），本身就含有氫。和煤制氫相比，用天然氣制氫產(chǎn)量高、加工成本較低，排放的溫室氣體少，因此天然氣成為國(guó)外制造氫氣的主要原料。其中天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化是較普遍的制造氫氣方法。
（3）重油部分氧化制造氫氣
重油是煉油過程中的殘余物，可用來制造氫氣。重油部分氧化過程中碳氫化合物與氧氣、水蒸氣反應(yīng)生成氫氣和二氧化碳。該過程在一定的壓力下進(jìn)行，可以采用催化劑，這取決于所選原料與過程。
展開 
煤制氫的最新內(nèi)容
熱導(dǎo)式氫氣傳感器在氧中氫分析儀中的應(yīng)用4個(gè)月前
雖然使用煤或天然氣制氫具有成本優(yōu)勢(shì)，但這些方法面臨不可持續(xù)性及環(huán)境污染問題。相比之下，電解水制氫由于其原料來源廣泛、環(huán)保無污染的特點(diǎn)，被視為滿足未來大規(guī)模氫氣需求的理想選擇。
氧中氫分析儀的核心作用
防爆風(fēng)險(xiǎn)控制：電解水過程中，若氧氣側(cè)混入過量氫氣（通常超過4%體積濃度），可能形成爆炸性混合物。
煤制氫技術(shù)現(xiàn)已大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，因其低成本和高技術(shù)成熟度而飽受青睞。但是其產(chǎn)氫效率低和溫室氣體排放量大也成為了制約煤制氫工藝進(jìn)一步推廣的主要原因。
以甲烷為原料制備氫氣主要有兩種方法，一種是先制備水煤氣，然后再得到氫氣；或直接分解甲烷從而得到氫氣。
煤制氫能源轉(zhuǎn)換效率對(duì)于煤制氫碳足跡的影響較大，當(dāng)應(yīng)用CCUS技術(shù)時(shí)，CO2運(yùn)輸距離也會(huì)在一定程度上影響整體的碳足跡。
圖3 煤制氫及煤制氫耦合CCUS技術(shù)全流程碳足跡
為便于分析煤制氫（耦合CCUS 技術(shù)）各環(huán)節(jié)的碳足跡構(gòu)成，本文對(duì)部分不確定性參數(shù)進(jìn)行了處理。
應(yīng)用場(chǎng)景十：制氫碳捕集
相較其他制氫技術(shù),現(xiàn)階段煤制氫與CCUS技術(shù)的集成應(yīng)用具備顯著的成本優(yōu)勢(shì)；CCUS技術(shù)可降低煤制 氫過程約90%的二氧化碳排放，但相比可再生能源制氫其碳足跡仍是短板；新疆、山西、陜西 及內(nèi)蒙古等地區(qū)可作為推廣煤制氫與CCUS技術(shù)集成應(yīng)用的優(yōu)先區(qū)域；煤制氫與CCUS 技術(shù)集成應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)主要包括缺乏公眾認(rèn)可度以及與可再生能源之間的競(jìng)爭(zhēng)。
發(fā)展現(xiàn)狀
生態(tài)結(jié)構(gòu)：按照產(chǎn)業(yè)流程，CCUS主要由碳排放、碳捕集、碳運(yùn)輸、碳利用與封存等環(huán)節(jié)組成
碳排放主要分為煤化工、制氫等高濃度排放和石油化工、煉鋼、燃煤、燃?xì)獾戎械蜐舛扰欧拧Ｌ疾都⑻祭门c封存是CCUS三大重點(diǎn)環(huán)節(jié)，下文將詳細(xì)闡述。碳運(yùn)輸主要分為罐車運(yùn)輸、船舶運(yùn)輸和管道運(yùn)輸?shù)取?/div>
技術(shù)人員在純梁油區(qū)進(jìn)行co2注入準(zhǔn)備工作
在碳捕集環(huán)節(jié)，齊魯石化二氧化碳回收提純裝置包括壓縮單元、制冷單元和液化精制單元，以及配套公用工程，回收煤制氫裝置尾氣中的二氧化碳，提純后純度達(dá)到99%以上；在碳利用與封存環(huán)節(jié)，勝利油田運(yùn)用超臨界二氧化碳易與原油混相的原理，計(jì)劃在正理莊油田建設(shè)10座無人值守注氣站，向附近73口井注入二氧化碳，同時(shí)油氣集輸系統(tǒng)全部采用密閉管輸，進(jìn)一步提高二氧化碳封存率
煤制氫碳捕集場(chǎng)景
相較其他制氫技術(shù)，現(xiàn)階段煤制氫與CCUS技術(shù)的集成應(yīng)用具備顯著的成本優(yōu)勢(shì)；CCUS技術(shù)可降低煤制氫過程約90%的二氧化碳排放，但相比可再生能源制氫其碳足跡仍是短板；新疆、山西、陜西 及內(nèi)蒙古等地區(qū)可作為推廣煤制氫與CCUS技術(shù)集成應(yīng)用的優(yōu)先區(qū)域；煤制氫與CCUS 技術(shù)集成應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)主要包括缺乏公眾認(rèn)可度以及與可再生能源之間的競(jìng)爭(zhēng)
在集群化規(guī)模部署情景下，根據(jù)其應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)選擇，衍生出多種技術(shù)應(yīng)用模式：①實(shí)現(xiàn)主要碳排放工業(yè)源大幅減排與低碳轉(zhuǎn)型的技術(shù)應(yīng)用模式，如“ 燃 煤 電 廠 +CCUS”“ 鋼 鐵 廠+CCUS”“ 水 泥 廠 +CCUS”“能源化工+CCUS”等；②服務(wù)化石能源低碳化 開 發(fā) 利 用 的 技 術(shù) 應(yīng) 用 模 式 ，如 煤 炭 地 下 氣 化（Underground Coal Gasification，簡(jiǎn)稱 UCG）—煤制氫
應(yīng)用場(chǎng)景十：制氫碳捕集
相較其他制氫技術(shù),現(xiàn)階段煤制氫與CCUS技術(shù)的集成應(yīng)用具備顯著的成本優(yōu)勢(shì)；CCUS技術(shù)可降低煤制 氫過程約90%的二氧化碳排放，但相比可再生能源制氫其碳足跡仍是短板；新疆、山西、陜西 及內(nèi)蒙古等地區(qū)可作為推廣煤制氫與CCUS技術(shù)集成應(yīng)用的優(yōu)先區(qū)域；煤制氫與CCUS 技術(shù)集成應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)主要包括缺乏公眾認(rèn)可度以及與可再生能源之間的競(jìng)爭(zhēng)。
二是提供一種成本最低的擴(kuò)大氫氣生產(chǎn)的途徑：
在大多數(shù)地區(qū)，天然氣和煤制氫與CCUS
相結(jié)合比使用可再生能源進(jìn)行水電解制氫成本更低，在二氧化碳儲(chǔ)存和化石燃料成本都比較低的地方更是如此。
此外，捕集來的二氧化碳還可用于將氫轉(zhuǎn)化為合成碳?xì)浠衔锶剂希鼈円子趦?chǔ)存、運(yùn)輸和使用且生命周期二氧化碳排放相對(duì)傳
統(tǒng)化石燃料更低。
