因地制宜 焦爐煤氣制氫！河北省這樣做
來源：化工信息周刊 2019-09-18
近日，河北省發展和改革委員會等部門印發《河北省推進氫能產業發展實施意見》提出，以培育壯大氫能產業為目標，要率先將河北打造成為全國氫能產業創新發展高地。河北將主要圍繞制氫、儲運加、燃料電池、應用示范和產業集聚發展，推動氫能產業高質量發展。
《意見》中明確支持唐山、邯鄲等地鋼鐵、化工等企業重點研發利用工業尾氣高效低成本制氫，提高深冷儲氫、用氫及純化技術。支持工業企業開展氫能應用示范，支持河鋼集團、峰峰集團、旭陽焦化等工業企業，以“就近制取、就近使用”為原則，加強資源綜合利用，加快布局建設工業副產氣制氫項目，著力提高工業副產氫提純技術。同時以職工通勤車、物流車和載重貨車為切入點，配套建設制氫工廠和加氫站，大力推進燃料電池重載汽車示范，形成可復制的商業模式推廣。
自2015年以來，煤炭、焦化、鋼鐵等行業逐步回歸理性，焦化企業經歷了一場落后產能淘汰與產品結構優化的重大變革。隨著氫能和燃料電池的發展，開辟了焦爐煤氣新的利用方向。
我國是焦炭產量最大的國家，2017年我國焦炭產量 43142.6 萬t，其中約三分之一產自鋼鐵聯合企業，全年副產焦爐煤氣約1000億m3。目前部分有效地利用，部分作燃料，還有約 20% 還處于放散狀態。煉焦過程中釋放的焦爐煤氣中富含氫氣(氫含量55%左右)，焦爐煤氣制氫是目前可實現的大規模低成本高效率獲得工業氫氣的重要途徑。而我國晉、冀、豫幾省是資源大省和焦化大省，氫源非常豐富，如何高效、合理地利用是關系環保、資源綜合利用和節能減排的重大課題。
1氫燃料電池氫氣標準
氫燃料電池電極采用特制多孔性材料制成，它不僅要為氣體和電解質提供較大的接觸面，還要對電池的化學反應起催化作用，因此對氫氣中的雜氣凈化提取要求很高，個別雜質組分更苛刻。其中 CO、CO2、CH4等含碳化合物對電池電極造成不可逆的碳蝕等永久性損壞。氫燃料電池的氫氣技術指標符合表1。
表1 氫氣標準
2焦爐煤氣成分
焦爐煤氣由于含有多種雜質組分， 如粉塵、焦油、萘、苯、硫化物、氨及 HCN 等雜質組分，在利用或進入變壓吸附提純氫氣之前必須除去，以消除對后工序催化劑或吸附劑的影響。焦爐煤氣主要成分見表2。
表2 焦爐煤氣成分
3主要制氫方式
焦爐煤氣常用的提氫的手段有膜分離提氫技術、深冷分離提氫技術與變壓吸附（PSA）提氫技術三大類。
01 | 膜分離提氫技術
膜分離技術的原理是膜的選擇透過性，即在分子水平上，不同粒徑的分子混合物在通過半透膜時，大于膜截留分子量的物質分子無法穿過膜而流回料罐，小于膜截留分子量的物質或分子則通過膜形成透析液。但在工程操作中，由于泵加壓后液流截面的不均勻性，一些透過膜速度慢的物質也會少量滲透到膜的富氫側。膜分離提氫技術產品純度一般在85%~99% 之間，氫氣回收率為65%~80%。
02 | 深冷分離提氫技術
深冷分離技術是利用不同氣體冷凝點的不同，從而逐級液化混合氣體以達到氣體分離效果的工藝技術。在焦爐煤氣的深加工中，深冷分離很少單獨應用于氫氣的分離提純，多是用于與甲烷氣體同時分離提純的場景，其氫氣產品純度可達85% 以上，回收率可達95% 左右。但由于諸如氮氣、甲烷等氣體的液化溫度均很低，因此在氣量大時，深冷分離裝置需要提供大量的冷能，以完成目標氣體的液化工作，耗能非常高，除此之外由于液化氣體溫度極低，因此在管道材質及保溫材料上的投資也很高。
03 | 變壓吸附提氫技術
變壓吸附提氫技術是近年來逐步發展起來的一種氣體分離工藝技術，利用吸附劑在不同壓力下對不同物質的吸附能力的不同而達到氣體分離凈化目的的技術，以其自動化程度高，能耗低等優點逐步增加自身市場份額，并且在提氫、脫碳等氣體分離領域均有著廣泛的使用。
變壓吸附技術由于能耗低、自動化程度高、產氣速度快，對原料氣凈化程度要求低等優勢，在焦化廠中得到了廣泛應用，其產品氣純度最高可達99.9%，但回收率在60%~90%。在部分生產線中，為了穩定產品氫純度，也有在變壓吸附工序后串接膜分離工藝的生產線。
此外，甲烷、甲醇轉化制氫以及天然氣制氫在工業中也已廣泛應用，不再一一說明。
4制氫成本分析
有統計數據顯示，我國已經是世界第一大制氫國，現有煤氣化制氫約1000萬噸，天然氣制氫300萬噸以上，石油制氫300萬噸，工業副產氫約800萬噸，電解水制氫100萬噸。由下表可知，不同的制備方式制氫成本各有不同，詳見表3。
表3 常見制備方式及制氫成本分析
由表3可知，從成本看，煤焦化制氫和煤氣化制氫同樣具備優勢。根據煤種不同，規模化煤制氫成本已可控制在0.8元/m3上下，有項目甚至低到0.4-0.5元/m3。相比至少2元/m3的天然氣制氫，及成本更高的電解水制氫，前者經濟性突出。
據了解，國家能源集團（原神華集團）已經建成的80臺煤氣化爐，若用來為燃料電池車輛供應氫氣，則每年可生產氫氣400萬噸，可以為4000萬輛車提供動力。石油和化學工業規劃院能源化工處副總工程師韓紅梅在受訪時也曾表示：“一個規模200萬噸/年的焦化廠，用5%的外送焦爐氣加工成氫能，就可滿足100輛出租車、300輛公交大巴、100輛物流車的供應。”
5總結
據預測，到2050年，氫能約占全球能源消耗總量的20%，氫產業鏈年產值將達2.5萬億美元。巨大的市場潛力和發展前景將吸引更多企業加大對氫能的投入。目前國內氫能的商業化應用才剛剛起步，尚未形成完整的產業鏈與行業分工，在氫氣制取、運輸、存儲、利用等各個環節都存在市場空間，為焦化企業介入氫燃料產業鏈提供了良好的發展機會！
