煤炭制氫經(jīng)濟適用性分析

洪 皓（中國煤炭資產(chǎn)管理集團有限公司， 北京 100011）

      中國能源資源以煤為主， 近年來， 隨著人們的可持續(xù)發(fā)展觀日漸強烈， 中國致力于降低碳排放量， 對煤炭的開采利用關注度下降。 煤炭資源儲量大是中國能源優(yōu)勢所在， 因此， 即便在逐年減少煤炭開采、 關閉煤礦的背景下， 近 10 年煤炭消費水平下降系數(shù)約1.41， 煤炭消費量仍占能源消費總量的 50%以上。 石油和天然氣能源消費近 10 年增長系數(shù)分別為 0.27 和0.46， 雖在持續(xù)增長， 但仍低于 20%， 對外依存度高。國家能源委員會主任李克強指出， 需要基于中國基本國情和發(fā)展階段， 多元發(fā)展能源供給， 提高能源保障水平。 現(xiàn)階段， 中國能源局不斷開拓， 煤層氣、 頁巖氣等的勘探開采不斷取得成效， 同時， 各類新型能源的開采、 利用方法也被廣泛地研究、 試驗。 氫能作為未來最有潛力的新型能源^[1-2]， 其制取、 儲存、 運用技術同樣備受關注。 在氫能開發(fā)利用的初級階段， 主要問題在于氫的制取。 研究者們以不同原料為基礎提出各類制取氫的方法， 包括電解水法制氫， 天然氣、 烴類轉(zhuǎn)化、 重油裂解制氫， 甲醇裂解制氫， 煤氣化制氫，光生物制氫^[3]以及超臨界水氣化制氫^[4]。 目前已被廣泛應用的是天然氣、 烴類轉(zhuǎn)化制氫和煤焦氣化制氫技術。對能源的利用在綠色環(huán)保的基礎上， 仍需講究能源結構的可協(xié)調(diào)性， 開發(fā)利用的經(jīng)濟適用性。 因此， 結合中國制氫技術的應用現(xiàn)狀以及資源儲量特征， 本文將對煤炭制氫的經(jīng)濟適用性進行分析討論.

1、氫能在中國能源結構中的重要性

      H₂具有燃燒熱值高的特點， 其發(fā)熱值為 142.351kJ/kg，是汽油的 3 倍， 焦炭的 4.5 倍。 以 H₂ 為能源燃燒， 產(chǎn)物為 H₂O， 是世界上最干凈的能源。 早在 20 世紀 60 年代， 中國為發(fā)展航天事業(yè)， 將氫能作為能源載體和新的能源系統(tǒng)進行開發(fā)。 至 1970 年， 美國汽車行業(yè)開始提出以氫能作為汽車動力源的想法， 與此同時， 氫能技術被中國列入了 《科技發(fā)展“十五” 計劃和 2015 年遠景規(guī)劃》。 隨后， 世界各國包括冰島、 中國、 德國、 日本和美國開始競相爭取實現(xiàn)氫能交通工具商業(yè)化， 使得氫能在小汽車、 卡車、 公共汽車、 出租車、 商業(yè)船上的應用成為焦點。 汽車產(chǎn)業(yè)是中國支柱產(chǎn)業(yè)之一， 汽車燃油消耗量約占中國石油總需求量的 1/4， 發(fā)展氫燃料電池技術， 實現(xiàn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)化， 是能源供給日益緊張下的最佳選擇， 氫能在未來汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中亦是一大需求。中國煉油廠原油品質(zhì)差， 含硫量高， 煉油過程對加氫的需求量大。 同時， 市場對汽油的需求逐年增加， 重組分加工對 H₂ 的需求量也大幅度增長。 煉廠的氫用量占原油加工量的 0.8%～2.7%^[5]。 據(jù)計算， 2×107 t/a 煉廠約需要 H₂ 2×105 t/a， 在非制氫裝置產(chǎn)氫 1×105 t/a 的前提下， 制氫裝置規(guī)模需達到 1×105 t/a （約 1.3×105 m3/h）^[6]。近幾年來， 中國氫氣產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展， H₂ 產(chǎn)量年均增長率也持續(xù)增加， 對氫能的需求并非單純體現(xiàn)在汽車產(chǎn)業(yè)上， 還有煉油廠的加氫需求。 氫能是中國能源結構調(diào)整的重要支點， 據(jù)中國氫能聯(lián)盟預計， 至 2030 年，中國 H₂ 需求量可達 3.5×107 t， 復合年增長率達 5.76%^[7]。

2、 幾類主要制氫技術制氫成本取決于多方面的因素

      根據(jù)制氫原料的不同， 可分為電解水制氫、 煤炭制氫、 天然氣制氫、甲醇制氫以及其他幾種尚未完全成熟的制氫技術， 包括有光生物制氫、 超臨界水制氫等。 制氫成本體現(xiàn)在原料成本、 設備成本、 維護成本、 提純成本和以化石原料制氫的碳稅支出等各個方面， 各方面的比例在于制氫方式的不同， 針對國內(nèi)能源分布狀況、 技術水平，各類制氫手段的成本可降低空間也有所差異。 幾種相對成熟的制氫技術成本如表 1 所示^[8]。

2.1 電解水制氫

      電解水制氫是一種較為簡單的制取 H₂ 的方法， 可分為堿性水電解、 原子交換膜水電解和高溫水蒸氣電解。 電解水制氫的原料是 H₂O， 投入能源為電力以及部分熱能。 其特點是電力來自于可再生能源， 且無 CO₂排放。 該技術成本主要表現(xiàn)在運營費用 （包括有維護、電池組更換）、 電費 （用電、 過網(wǎng)費） 等方面， 其中，電費成本達總成本的 70%～80%， 占比極高。 一般來講，每生產(chǎn) 1 m³ 的 H₂ 消耗電力 3.5～5.0 kW·h。 以當前市場銷售電價為參考， 電解水制氫技術成本在 3.0～4.0 元/m³波動， 是煤氣化制氫的 3～4 倍， 在經(jīng)濟上不具有競爭力。但并非電解水制氫毫無價值可言， 近幾年， 根據(jù)各地能源優(yōu)勢， 開始探索以風能、 太陽能等可再生能源發(fā)電制氫。 由于中國三北地區(qū)不能并網(wǎng)， 使得此類電能不能大規(guī)模儲存， 若將這一類電能用于電解制氫，預計至 2030 年單位制氫成本降至 0.875～1.813 元/m³，成本大幅下降的同時也實現(xiàn)了能源優(yōu)化處理。

2.2 煤炭制氫

      煤炭是碳含量極高的化石原料， 以煤炭作為優(yōu)質(zhì)的還原劑與 H₂O 反應生成 H₂， 普遍采用水煤漿工藝原理， 即：C+H₂O→CO+H₂該工藝制氫涉及多個環(huán)節(jié)， 先經(jīng)過氣化、 CO 耐硫變換、 酸性氣體脫除， 再到 H₂ 提純， 原料成本低， 占總成本 35%～40%。 該裝置規(guī)模大， 設備結構復雜、 運轉(zhuǎn)周期短， 制造和財務投入成本約占 22.5%， 具體如圖1 所示^[9]。

圖 1  煤炭制氫成本構成

      近幾年， 煤炭制氫技術已被廣泛開發(fā)應用， 九江煤制氫項目采用 GE 水煤漿氣化技術， 年產(chǎn)氫 1×105 t； 長嶺煉油廠使用煤制氫裝置， 得到超過 3 000 m³/h 的氫氣輸送量， 使得用氫總成本下降 33%～35%； 巴陵石化合成橡膠事業(yè)部以煤制氫作 H₂ 補給， 可滿足 2000 m³/h的用氫量； 由英德氣體在湖北荊門建設的煤制氫綜合利用項目， 產(chǎn)氫能力達 5.3×104 m³/h， 氫能力為2×105 t/a；神華集團建造的百萬噸煤炭直接液化示范工廠， 其粉煤加壓氣化工藝單套日產(chǎn)氫能力為 313 t， H₂ 純度為 99.5%。以煤炭為原料氣化產(chǎn)氫工藝成本低， 在高油價的條件下， 中國煉廠以石腦油和重油為原料制氫不具有經(jīng)濟性。 而以天然氣制氫的煉廠， 天然氣價格在 3 元/m³ 之上時， 大規(guī)模的煤氣化制氫更具有經(jīng)濟性。 然而此類制氫工藝排出大量 CO， CO₂ 等溫室氣體， 需要征收一定的碳稅， 這也為該工藝增加了一定的成本。 此外， 該工藝特點在于選用了煤炭的還原性， 未全面掌握了解煤炭的分子級結構。 煤炭本身除去 C 元素外， 還含有H 元素， 這些化學組成結構受母質(zhì)和多種地質(zhì)因素的影響， 或可在制氫過程中參與反應影響氫氣轉(zhuǎn)化率。 因此， 以煤炭制氫的工藝仍不止氣化制氫一種， 基于中國豐富的煤炭資源背景， 探索煤炭利用分質(zhì)多聯(lián)產(chǎn)的發(fā)展是重要方向之一。 以煤炭為原料， 掌握不同煤質(zhì)和煤類的結構特征， 充分利用煤的 C， H 元素特性， 以實現(xiàn)煤炭制氫的低碳排放量， 亦是降低煤炭制氫成本的有效途徑。

2.3 天然氣制氫

      天然氣制氫同樣通過重整反應得到以 H₂， CO 為主要成分的混合氣體， 再經(jīng)過凈化提純得到 H₂。 該類技術已被國內(nèi)運用超過 20 a， 具有占地面積小、 無“三廢” 排放、 裝置能耗較低等特點^[10]。 但是， 隨著中國城鎮(zhèn)化水平的不斷提高， 天然氣的消費人口和供應消費總量穩(wěn)步增長。 中國的 LNG 接收站數(shù)量不多， 天然氣資源開采短期內(nèi)增長潛力有限， 市場出現(xiàn)供應缺口是必然 （見表 2）， 預計 2023 年中國天然氣供需缺口約1.75×1011 m³。 如圖 2 所示^[9]， 從天然氣制氫成本構成來看， 其主要成本在于天然氣， 占總成本的 73.4%。 由此看來， 天然氣制氫的成本主要取決于天然氣價格的波動， 在技術方面很難有成本下降的空間。

表 2   近 5 年中國天然氣供需平衡表 單位： 108 m³

圖 2 天然氣制氫成本構成

2.4 甲醇制氫

      甲醇制氫是 CH₃OH 和水蒸氣在 200 ℃條件下通過催化反應， 生成 H₂ 和 CO₂ 的混合氣體， 而后經(jīng)過變壓吸附得到高純度的 H₂， 可得到純度大于 99.9%的H₂。 該工藝投資少， 無污染。 但由于 CH₃OH 市場價格變換過快， 只適合小規(guī)模制氫， 國內(nèi)運行制氫規(guī)模均小于5 000 m³/h。 近年來， 亦有甲醇裂解制氫技術， 采用工業(yè)級甲醇裂解、 脫碳， 再經(jīng)提純得到的 H₂ 濃度高， 原料CH₃OH 消耗約 0.5 kg/m^₃ 的 H₂， 裝置規(guī)模可達6×104 m³/h。

2.5 其他制氫技術

      以上制氫方式主要為化石原料制氫和電解水制氫兩類， 迫于各類制氫方式的利弊， 在制氫原理上學者們還研究出了許多種不同的制氫技術。 超臨界水制氫包括有葡萄糖超臨界水氣化制氫^[11]、 甲醇超臨界水氣化制氫^[12]、 烴類超臨界水制氫^[13]和生物超臨界水制氫^[14]。其中， 煤炭超臨界水制氫發(fā)電多聯(lián)產(chǎn)技術可實現(xiàn)煤炭化學能高效轉(zhuǎn)化為氫能， 碳轉(zhuǎn)化效率達 96%～99%。 該技術的優(yōu)點在于可以從源頭上除去 SO₂， NOx 等氣體污染物， 極大地降低了投資運行成本。 據(jù)估算， 大型工業(yè)化后制氫成本低于 0.58 元/m³。 光生物制氫法減少了溫室氣體排放， 但與其他化學制氫方式相比， 由于單位土地面積太陽能密度低， 直接利用太陽光獲得能量需要大規(guī)模的土地， 據(jù)計算， 若需滿足 1852 個制氫規(guī)模在 10 t/d 的制氫站， 所需土地面積約 1.5×106 m^2 [3]。

3、 煤炭制氫經(jīng)濟適用性分析

      隨著人們對 H₂ 的需求量不斷增加以及氫能在中國能源結構中的地位日益凸顯， 制氫技術也在不斷發(fā)展。工藝較為成熟的天然氣制氫、 煤炭制氫技術雖被廣泛應用， 但各有缺陷。 天然氣制氫大部分成本在于天然氣的價格， 而中國天然氣能源本身對外依存度高， 以天然氣為原料制氫雖解決了溫室氣體排放的問題， 卻不利于能源結構的優(yōu)化調(diào)整； 煤炭氣化制氫優(yōu)勢在于煤炭原料的低成本， 但制氫過程中仍排出溫室氣體，不契合能源清潔開發(fā)利用的初衷， 該制氫方式仍有改善的空間； 電解水制氫主要是將電能轉(zhuǎn)化為氫能儲存，對于風能、 太陽能貧瘠的地區(qū)不具有利用經(jīng)濟性； 超臨界水制氫在于運用了超臨界水特殊的物理性質(zhì)， 在一定程度上改善了各類化石原料制氫的轉(zhuǎn)換率； 而光生物制氫等仍需克服設備等問題， 發(fā)展成熟之路仍漫長。 因此， 針對原料成本低、 改善空間大的煤炭制氫技術進行了以下幾個方面的經(jīng)濟適用性評價。

3.1 原料成本優(yōu)勢分析

      煤炭是中國重要的基礎能源， 可采儲量約 1.145×1011 t，占世界儲量的 11.67%。 中國能源結構的基本特點是富煤、 貧油、 少氣， 且在已探明的儲量中， 低煤階煤占全國煤炭儲量的 46%， 主要有褐煤和長焰煤、 不粘煤、弱粘煤等低變質(zhì)程度的煙煤。 煤炭的品種和質(zhì)量在各個地區(qū)變化較大， 比如主要煉焦煤種的瘦煤、 焦煤、 肥煤有一半左右集中在山西。 適于露天開采的煤炭儲量少， 僅占總儲量的 7%左右， 其中 70%是褐煤， 主要分布在內(nèi)蒙古、 新疆和云南。 不同于中高階煤類， 低煤階煤揮發(fā)分高 （>20%）， 不可直接用于制造煤氣或作為燃料， 其特點在于氣化、 液化工業(yè)等利用方式。 而近年來， 中國沿海省份的煤炭需求量一直很大， 但中國有約90%的煤炭資源和生產(chǎn)能力均分布在西部和北部地區(qū)。例如： 鄂爾多斯盆地的神東 - 陜北礦區(qū)、 晉北礦區(qū)以及新疆準格爾、 伊犁等地是低變質(zhì)煙煤的主要產(chǎn)出地；云南先鋒礦物的褐煤生產(chǎn)能力達 137 t/a， 是直接液化的優(yōu)質(zhì)原料煤。 全國資源量分布與煤炭資源需求人口所在地不匹配， 僅煤炭運輸方面的成本消耗就大大降低了直接利用煤炭資源的經(jīng)濟效益。此外， 全國煤炭儲量近一半為低煤階煤， 主張分級分質(zhì)多聯(lián)產(chǎn)手段高效利用煤炭， 可規(guī)避煤炭直接利用品質(zhì)低、 消耗大量能源成本的同時也產(chǎn)生大量大氣污染物等問題。 以煤炭特別是低煤階煤為原料制氫， 一方面， 秉承了低煤階煤高效利用的理念； 另一方面， 成全了煤炭制氫工藝原料的經(jīng)濟性優(yōu)勢， 是中國煤炭高效清潔利用的重要嘗試手段， 亦是能源結構消費多元化的探索方向。 同時， 隨著低溫液態(tài)儲氫、 高壓氣態(tài)儲氫和儲氫材料儲氫等儲氫方式的應運而生[2]， 將煤炭能源轉(zhuǎn)化為氫能源運送到能源缺乏的省份， 為煤炭制氫技術全面成熟發(fā)展、 實現(xiàn)地區(qū)能源供給側平衡奠定了基礎， 是低煤階煤清潔利用、 煤炭制氫技術低成本的優(yōu)勢所在。

3.2 能源利用率優(yōu)勢分析

      能源有效利用率是煤炭、 石油、 天然氣等能源物質(zhì)的含熱值與其轉(zhuǎn)化為有用熱能和機械能的比例關系，代表能源有效利用的程度， 也代表一個國家科技發(fā)達程度。 傳統(tǒng)煤炭利用方式以碳為燃料與化工產(chǎn)品原料，在低效轉(zhuǎn)化的技術工藝條件下極大程度地浪費了煤炭資源， 帶來了高污染。 直接燃燒煤發(fā)電， 其中的碳全部被轉(zhuǎn)化為 CO₂， 碳利用率為 0%， 能源利用率僅為35%； 若將煤炭液化成油， 碳利用率可達 23%； 以粉煤為原料氣化制 CH₃OH， 煤中碳的利用率可達 85.8%^[15]。煤炭所含元素豐富， 以 C 元素最高， 且煤階越低， 含有的 H， N， S 以及金屬元素含量越高， 對煤炭分級分質(zhì)利用是提高能源利用率的有效途徑。 氫能燃燒所產(chǎn)生的熱值高， 為焦炭的 4.5 倍， 汽油的 3 倍， 直觀反映了以煤炭為原料制氫比煤炭直接利用或煤炭液化制油的能源利用價值高。 以煤炭與超臨界水作用開發(fā)氣化制氫發(fā)電多聯(lián)產(chǎn)技術， 碳轉(zhuǎn)化效率可達 96%～99%， 極大地減少了大氣污染。 因此， 煤炭特別是低煤階煤，作為組成結構復雜、 有機組分豐富的化石能源， 可利用空間會隨著人們對其分子結構的認知而不斷上升，秉承“將煤炭吃干抹凈” 的分級分質(zhì)利用原則， 以煤炭為原料制取熱值更高、 需求尺度廣、 零污染排放的氫能， 是提高能源有效利用的極佳途徑。

4、 結語

      在綠色低碳的消費理念下， 中國能源結構傾向于向清潔能源強化、 化石能源弱化的格局發(fā)展， 氫能以其不斷擴大的市場需求和蓬勃發(fā)展的制氫技術， 將成為能源結構調(diào)整的重要支點。以占比總煤炭儲量近半的低煤階煤為原料制氫的技術， 將成為中國實行能源局面調(diào)整的特色手段。 相較于天然氣制氫、 電解水制氫、 光生物制氫等技術， 煤炭制氫的原料具有較強的可獲取性。 煤炭制氫可調(diào)整能源供給側不均衡狀況， 弱化能源需求人口密度與能源分布不對等關系， 是煤炭制氫的原料成本優(yōu)勢所在。此外， 能源有效利用是能源經(jīng)濟開發(fā)的前提， 將煤炭直接燃燒發(fā)電的能源利用率僅為 35%， 碳利用率為 0%。 中國煤炭儲量中近一半為低煤階煤， 提高碳利用率的同時還要提高其他元素如 N， S 及金屬元素的利用， 以傳統(tǒng)的利用方式不能實現(xiàn)低煤階煤的能源高效利用， 而以其為制氫原料， 可發(fā)揮能源有效利用率的優(yōu)勢， 也是制氫技術開發(fā)的關鍵。

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