煤炭制氫經(jīng)濟(jì)適用性分析

洪 皓（中國(guó)煤炭資產(chǎn)管理集團(tuán)有限公司， 北京 100011）

      中國(guó)能源資源以煤為主， 近年來(lái)， 隨著人們的可持續(xù)發(fā)展觀日漸強(qiáng)烈， 中國(guó)致力于降低碳排放量， 對(duì)煤炭的開(kāi)采利用關(guān)注度下降。 煤炭資源儲(chǔ)量大是中國(guó)能源優(yōu)勢(shì)所在， 因此， 即便在逐年減少煤炭開(kāi)采、 關(guān)閉煤礦的背景下， 近 10 年煤炭消費(fèi)水平下降系數(shù)約1.41， 煤炭消費(fèi)量仍占能源消費(fèi)總量的 50%以上。 石油和天然氣能源消費(fèi)近 10 年增長(zhǎng)系數(shù)分別為 0.27 和0.46， 雖在持續(xù)增長(zhǎng)， 但仍低于 20%， 對(duì)外依存度高。國(guó)家能源委員會(huì)主任李克強(qiáng)指出， 需要基于中國(guó)基本國(guó)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(guó)能源局不斷開(kāi)拓， 煤層氣、 頁(yè)巖氣等的勘探開(kāi)采不斷取得成效， 同時(shí)， 各類(lèi)新型能源的開(kāi)采、 利用方法也被廣泛地研究、 試驗(yàn)。 氫能作為未來(lái)最有潛力的新型能源^[1-2]， 其制取、 儲(chǔ)存、 運(yùn)用技術(shù)同樣備受關(guān)注。 在氫能開(kāi)發(fā)利用的初級(jí)階段， 主要問(wèn)題在于氫的制取。 研究者們以不同原料為基礎(chǔ)提出各類(lèi)制取氫的方法， 包括電解水法制氫， 天然氣、 烴類(lèi)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(yīng)用的是天然氣、 烴類(lèi)轉(zhuǎn)化制氫和煤焦氣化制氫技術(shù)。對(duì)能源的利用在綠色環(huán)保的基礎(chǔ)上， 仍需講究能源結(jié)構(gòu)的可協(xié)調(diào)性， 開(kāi)發(fā)利用的經(jīng)濟(jì)適用性。 因此， 結(jié)合中國(guó)制氫技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀以及資源儲(chǔ)量特征， 本文將對(duì)煤炭制氫的經(jīng)濟(jì)適用性進(jìn)行分析討論.

1、氫能在中國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的重要性

      H₂具有燃燒熱值高的特點(diǎn)， 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(jì) 60 年代， 中國(guó)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(jìn)行開(kāi)發(fā)。 至 1970 年， 美國(guó)汽車(chē)行業(yè)開(kāi)始提出以氫能作為汽車(chē)動(dòng)力源的想法， 與此同時(shí)， 氫能技術(shù)被中國(guó)列入了 《科技發(fā)展“十五” 計(jì)劃和 2015 年遠(yuǎn)景規(guī)劃》。 隨后， 世界各國(guó)包括冰島、 中國(guó)、 德國(guó)、 日本和美國(guó)開(kāi)始競(jìng)相爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)氫能交通工具商業(yè)化， 使得氫能在小汽車(chē)、 卡車(chē)、 公共汽車(chē)、 出租車(chē)、 商業(yè)船上的應(yīng)用成為焦點(diǎn)。 汽車(chē)產(chǎn)業(yè)是中國(guó)支柱產(chǎn)業(yè)之一， 汽車(chē)燃油消耗量約占中國(guó)石油總需求量的 1/4， 發(fā)展氫燃料電池技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)新能源汽車(chē)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(lái)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中亦是一大需求。中國(guó)煉油廠原油品質(zhì)差， 含硫量高， 煉油過(guò)程對(duì)加氫的需求量大。 同時(shí)， 市場(chǎng)對(duì)汽油的需求逐年增加， 重組分加工對(duì) H₂ 的需求量也大幅度增長(zhǎng)。 煉廠的氫用量占原油加工量的 0.8%～2.7%^[5]。 據(jù)計(jì)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(dá)到 1×105 t/a （約 1.3×105 m3/h）^[6]。近幾年來(lái)， 中國(guó)氫氣產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展， H₂ 產(chǎn)量年均增長(zhǎng)率也持續(xù)增加， 對(duì)氫能的需求并非單純體現(xiàn)在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)上， 還有煉油廠的加氫需求。 氫能是中國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要支點(diǎn)， 據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟預(yù)計(jì)， 至 2030 年，中國(guó) H₂ 需求量可達(dá) 3.5×107 t， 復(fù)合年增長(zhǎng)率達(dá) 5.76%^[7]。

2、 幾類(lèi)主要制氫技術(shù)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(shù)， 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(shè)備成本、 維護(hù)成本、 提純成本和以化石原料制氫的碳稅支出等各個(gè)方面， 各方面的比例在于制氫方式的不同， 針對(duì)國(guó)內(nèi)能源分布狀況、 技術(shù)水平，各類(lèi)制氫手段的成本可降低空間也有所差異。 幾種相對(duì)成熟的制氫技術(shù)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(jiǎn)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(diǎn)是電力來(lái)自于可再生能源， 且無(wú) CO₂排放。 該技術(shù)成本主要表現(xiàn)在運(yùn)營(yíng)費(fèi)用 （包括有維護(hù)、電池組更換）、 電費(fèi) （用電、 過(guò)網(wǎng)費(fèi)） 等方面， 其中，電費(fèi)成本達(dá)總成本的 70%～80%， 占比極高。 一般來(lái)講，每生產(chǎn) 1 m³ 的 H₂ 消耗電力 3.5～5.0 kW·h。 以當(dāng)前市場(chǎng)銷(xiāo)售電價(jià)為參考， 電解水制氫技術(shù)成本在 3.0～4.0 元/m³波動(dòng)， 是煤氣化制氫的 3～4 倍， 在經(jīng)濟(jì)上不具有競(jìng)爭(zhēng)力。但并非電解水制氫毫無(wú)價(jià)值可言， 近幾年， 根據(jù)各地能源優(yōu)勢(shì)， 開(kāi)始探索以風(fēng)能、 太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電制氫。 由于中國(guó)三北地區(qū)不能并網(wǎng)， 使得此類(lèi)電能不能大規(guī)模儲(chǔ)存， 若將這一類(lèi)電能用于電解制氫，預(yù)計(jì)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(shí)也實(shí)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(yīng)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(gè)環(huán)節(jié)， 先經(jīng)過(guò)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(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 運(yùn)轉(zhuǎn)周期短， 制造和財(cái)務(wù)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(gòu)成

      近幾年， 煤炭制氫技術(shù)已被廣泛開(kāi)發(fā)應(yīng)用， 九江煤制氫項(xiàng)目采用 GE 水煤漿氣化技術(shù)， 年產(chǎn)氫 1×105 t； 長(zhǎng)嶺煉油廠使用煤制氫裝置， 得到超過(guò) 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(bǔ)給， 可滿足 2000 m³/h的用氫量； 由英德氣體在湖北荊門(mén)建設(shè)的煤制氫綜合利用項(xiàng)目， 產(chǎn)氫能力達(dá) 5.3×104 m³/h， 氫能力為2×105 t/a；神華集團(tuán)建造的百萬(wàn)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(jià)的條件下， 中國(guó)煉廠以石腦油和重油為原料制氫不具有經(jīng)濟(jì)性。 而以天然氣制氫的煉廠， 天然氣價(jià)格在 3 元/m³ 之上時(shí)， 大規(guī)模的煤氣化制氫更具有經(jīng)濟(jì)性。 然而此類(lèi)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(diǎn)在于選用了煤炭的還原性， 未全面掌握了解煤炭的分子級(jí)結(jié)構(gòu)。 煤炭本身除去 C 元素外， 還含有H 元素， 這些化學(xué)組成結(jié)構(gòu)受母質(zhì)和多種地質(zhì)因素的影響， 或可在制氫過(guò)程中參與反應(yīng)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(guó)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(lèi)的結(jié)構(gòu)特征， 充分利用煤的 C， H 元素特性， 以實(shí)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(guò)重整反應(yīng)得到以 H₂， CO 為主要成分的混合氣體， 再經(jīng)過(guò)凈化提純得到 H₂。 該類(lèi)技術(shù)已被國(guó)內(nèi)運(yùn)用超過(guò) 20 a， 具有占地面積小、 無(wú)“三廢” 排放、 裝置能耗較低等特點(diǎn)^[10]。 但是， 隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化水平的不斷提高， 天然氣的消費(fèi)人口和供應(yīng)消費(fèi)總量穩(wěn)步增長(zhǎng)。 中國(guó)的 LNG 接收站數(shù)量不多， 天然氣資源開(kāi)采短期內(nèi)增長(zhǎng)潛力有限， 市場(chǎng)出現(xiàn)供應(yīng)缺口是必然 （見(jiàn)表 2）， 預(yù)計(jì) 2023 年中國(guó)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(gòu)成來(lái)看， 其主要成本在于天然氣， 占總成本的 73.4%。 由此看來(lái)， 天然氣制氫的成本主要取決于天然氣價(jià)格的波動(dòng)， 在技術(shù)方面很難有成本下降的空間。

表 2   近 5 年中國(guó)天然氣供需平衡表 單位： 108 m³

圖 2 天然氣制氫成本構(gòu)成

2.4 甲醇制氫

      甲醇制氫是 CH₃OH 和水蒸氣在 200 ℃條件下通過(guò)催化反應(yīng)， 生成 H₂ 和 CO₂ 的混合氣體， 而后經(jīng)過(guò)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(wú)污染。 但由于 CH₃OH 市場(chǎng)價(jià)格變換過(guò)快， 只適合小規(guī)模制氫， 國(guó)內(nèi)運(yùn)行制氫規(guī)模均小于5 000 m³/h。 近年來(lái)， 亦有甲醇裂解制氫技術(shù)， 采用工業(yè)級(jí)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)?？蛇_(dá)6×104 m³/h。

2.5 其他制氫技術(shù)

      以上制氫方式主要為化石原料制氫和電解水制氫兩類(lèi)， 迫于各類(lèi)制氫方式的利弊， 在制氫原理上學(xué)者們還研究出了許多種不同的制氫技術(shù)。 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(lèi)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(shù)可實(shí)現(xiàn)煤炭化學(xué)能高效轉(zhuǎn)化為氫能， 碳轉(zhuǎn)化效率達(dá) 96%～99%。 該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)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(yùn)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(xué)制氫方式相比， 由于單位土地面積太陽(yáng)能密度低， 直接利用太陽(yáng)光獲得能量需要大規(guī)模的土地， 據(jù)計(jì)算， 若需滿足 1852 個(gè)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(jì)適用性分析

      隨著人們對(duì) H₂ 的需求量不斷增加以及氫能在中國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的地位日益凸顯， 制氫技術(shù)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(shù)雖被廣泛應(yīng)用， 但各有缺陷。 天然氣制氫大部分成本在于天然氣的價(jià)格， 而中國(guó)天然氣能源本身對(duì)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(wèn)題， 卻不利于能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整； 煤炭氣化制氫優(yōu)勢(shì)在于煤炭原料的低成本， 但制氫過(guò)程中仍排出溫室氣體，不契合能源清潔開(kāi)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(chǔ)存，對(duì)于風(fēng)能、 太陽(yáng)能貧瘠的地區(qū)不具有利用經(jīng)濟(jì)性； 超臨界水制氫在于運(yùn)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(lèi)化石原料制氫的轉(zhuǎn)換率； 而光生物制氫等仍需克服設(shè)備等問(wèn)題， 發(fā)展成熟之路仍漫長(zhǎng)。 因此， 針對(duì)原料成本低、 改善空間大的煤炭制氫技術(shù)進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的經(jīng)濟(jì)適用性評(píng)價(jià)。

3.1 原料成本優(yōu)勢(shì)分析

      煤炭是中國(guó)重要的基礎(chǔ)能源， 可采儲(chǔ)量約 1.145×1011 t，占世界儲(chǔ)量的 11.67%。 中國(guó)能源結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)是富煤、 貧油、 少氣， 且在已探明的儲(chǔ)量中， 低煤階煤占全國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量的 46%， 主要有褐煤和長(zhǎng)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(gè)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(kāi)采的煤炭?jī)?chǔ)量少， 僅占總儲(chǔ)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(lèi)， 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(diǎn)在于氣化、 液化工業(yè)等利用方式。 而近年來(lái)， 中國(guó)沿海省份的煤炭需求量一直很大， 但中國(guó)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(zhǔn)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(dá) 137 t/a， 是直接液化的優(yōu)質(zhì)原料煤。 全國(guó)資源量分布與煤炭資源需求人口所在地不匹配， 僅煤炭運(yùn)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(jì)效益。此外， 全國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量近一半為低煤階煤， 主張分級(jí)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(shí)也產(chǎn)生大量大氣污染物等問(wèn)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(jì)性優(yōu)勢(shì)， 是中國(guó)煤炭高效清潔利用的重要嘗試手段， 亦是能源結(jié)構(gòu)消費(fèi)多元化的探索方向。 同時(shí)， 隨著低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、 高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫等儲(chǔ)氫方式的應(yīng)運(yùn)而生[2]， 將煤炭能源轉(zhuǎn)化為氫能源運(yùn)送到能源缺乏的省份， 為煤炭制氫技術(shù)全面成熟發(fā)展、 實(shí)現(xiàn)地區(qū)能源供給側(cè)平衡奠定了基礎(chǔ)， 是低煤階煤清潔利用、 煤炭制氫技術(shù)低成本的優(yōu)勢(shì)所在。

3.2 能源利用率優(yōu)勢(shì)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(jī)械能的比例關(guān)系，代表能源有效利用的程度， 也代表一個(gè)國(guó)家科技發(fā)達(dá)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(shù)工藝條件下極大程度地浪費(fèi)了煤炭資源， 帶來(lái)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(dá) 23%； 以粉煤為原料氣化制 CH₃OH， 煤中碳的利用率可達(dá) 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(duì)煤炭分級(jí)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(jià)值高。 以煤炭與超臨界水作用開(kāi)發(fā)氣化制氫發(fā)電多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)， 碳轉(zhuǎn)化效率可達(dá) 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(jié)構(gòu)復(fù)雜、 有機(jī)組分豐富的化石能源， 可利用空間會(huì)隨著人們對(duì)其分子結(jié)構(gòu)的認(rèn)知而不斷上升，秉承“將煤炭吃干抹凈” 的分級(jí)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(jié)語(yǔ)

      在綠色低碳的消費(fèi)理念下， 中國(guó)能源結(jié)構(gòu)傾向于向清潔能源強(qiáng)化、 化石能源弱化的格局發(fā)展， 氫能以其不斷擴(kuò)大的市場(chǎng)需求和蓬勃發(fā)展的制氫技術(shù)， 將成為能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要支點(diǎn)。以占比總煤炭?jī)?chǔ)量近半的低煤階煤為原料制氫的技術(shù)， 將成為中國(guó)實(shí)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(shù)， 煤炭制氫的原料具有較強(qiáng)的可獲取性。 煤炭制氫可調(diào)整能源供給側(cè)不均衡狀況， 弱化能源需求人口密度與能源分布不對(duì)等關(guān)系， 是煤炭制氫的原料成本優(yōu)勢(shì)所在。此外， 能源有效利用是能源經(jīng)濟(jì)開(kāi)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(guó)煤炭?jī)?chǔ)量中近一半為低煤階煤， 提高碳利用率的同時(shí)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(shí)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(shì)， 也是制氫技術(shù)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。

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