“氫能時代”煤化工的思考

#“氫能時代”煤化工的思考聶國印1聶旭春2（1、內(nèi)蒙古自治區(qū)煤田地質(zhì)局，內(nèi)蒙呼和浩特，2、廣州大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院）摘要：低溫燃料電池已成功地進(jìn)入商業(yè)化時代，給“氫能時代”的氫能利用奠定了基礎(chǔ)；煤炭氣化制氫的規(guī)?；a(chǎn)為“氫能時代”的解決了氫源問題；“氫能時代”將成為必然?！皻淠軙r代”煤化工，在可再生能源規(guī)?；茪浼夹g(shù)產(chǎn)業(yè)化之前，從優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)考慮，應(yīng)該以煤炭氣化制氫為主，全部代替用作燃料部分；煤炭焦化、煤制化肥為輔；化工原料由石油、天然氣制取。關(guān)鍵詞：氫能；制氫技術(shù)；氫能時代；煤化工；煤炭氣化制氫?！⒍?、亠0前言氫能是通過氫氣和氧氣反應(yīng)所產(chǎn)生的能量，氫能是氫的化學(xué)能。氫在地球上主要以化合態(tài)的形式出現(xiàn)，是宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)，它構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75%。由于氫氣必須從水、化石燃料等含氫物質(zhì)中制得，因此是二次含能體能源。工業(yè)上生產(chǎn)氫的方式很多，常見的有水電解制氫、生物質(zhì)制氫、煤炭氣化制氫、重油及天然氣制氫等。氫能具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：燃燒熱值高，每Kg氫燃燒后的熱量，約為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍；燃燒的產(chǎn)物是水，是世界上最干凈的能源；資源豐富，氫氣可以由水制取，而水是地球上最為豐富的資源。氫能技術(shù)必將改變能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。我國2009年能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)為：煤炭70%，石油17.8%，水電6.7%，天然氣3.9%，核電0.8%，其他0.8%；2012年我國一次能源消費(fèi)總量已達(dá)到36.2億T標(biāo)煤，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)為：煤炭66.4%，石油18.9%，天然氣5.5%，非化石能源消費(fèi)量9.1%；計(jì)劃在2015年將煤炭占一次能源消費(fèi)比重將降至63％；在2020年之前達(dá)到非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)15%左右的目標(biāo)。低溫燃料電池已成功地進(jìn)入商業(yè)化時代，給“氫能時代”的氫能利用奠定了基礎(chǔ)；煤炭氣化制氫的規(guī)?；a(chǎn)為“氫能時代”解決了氫源問題；“氫能時代”將成為必然。目前，工業(yè)上生產(chǎn)氫的方式很多，常見的有水電解制氫、生物質(zhì)制氫、煤炭氣化制氫、重油及天然氣制氫等。其中，水電解制氫成本高；生物質(zhì)制氫技術(shù)尚未完全成熟；重油制氫成本高；天然氣制氫技術(shù)成熟，成本又低，但資源有限，不能完全滿足工業(yè)需要；只有煤炭氣化制氫技術(shù)成熟，成本低，資源豐富，完全能夠滿足工業(yè)需要?！皻淠軙r代”的煤化工，在可再生能源規(guī)?；茪浼夹g(shù)產(chǎn)業(yè)化之前，從優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)考慮，應(yīng)該以煤炭氣化制氫為主，全部代替用作燃料部分；煤炭焦化、煤制化肥為輔；化工原料由石油、天然氣制取。1制氫技術(shù)及優(yōu)、缺點(diǎn)目前，氫氣生產(chǎn)可以由化石原料制取，也可以電解水制備，由于電解水制氫成本較高，所以氫氣生產(chǎn)90%是由化石原料制取的。世界各國都在積極地研究各種制氫方法，多達(dá)上百種，大的方面為：熱化學(xué)法制氫；電解水制氫；天然氣制氫；重油制氫；煤炭氣化制氫；太陽能制氫；生物質(zhì)制氫；等離子體制氫。1.1熱化學(xué)法制氫直接熱分解水制氫是最簡單的方法，就是直接加熱水，使其達(dá)到2500K以上的溫度從而分解為氫氣和氧氣的過程。這種方法的主要問題是：①高溫下氫氣和氧氣的分離；②高溫反應(yīng)器的材料問題。溫度越高，水的分解效率越高，到大約4700K時，水分解反應(yīng)的吉布斯函數(shù)變接近于零。在水中加入催化劑，使水的分解過程按多步進(jìn)行，熱化學(xué)循環(huán)法可在低于1000K的溫度下制氫，制氫效率可達(dá)50%左右。為了適應(yīng)未來大規(guī)模工業(yè)制氫的需要，科學(xué)家們正在研究催化劑對環(huán)境的影響、新的耐腐蝕材料、以及氧和重水等副產(chǎn)品的綜合利用等課題［1］。優(yōu)點(diǎn)：資源豐富，取之不盡。缺點(diǎn)：技術(shù)不成熟，成本不明。電解水制氫電解水制氫是已經(jīng)成熟的一種傳統(tǒng)制氫方法，其生產(chǎn)歷史已有80年。電解池是電解制氫過程的主要裝置，近年來對電解制氫過程的改進(jìn)都集中在此，如電極、電解質(zhì)的改進(jìn)研究。電解制氫裝置的主要化學(xué)參數(shù)包括電解電壓和電流密度。在lKpa、25C°時，水電解所需理論電壓為1.23V,但由于在池內(nèi)存在諸如電阻、氣泡、過電位及電極附近濃度減少等因素引起的損失，工業(yè)電解池的實(shí)際操作電壓多在1.65-2.2V之間，制氫能耗為4.2-4.7KWh/m3H2,電解效率一般只有75%-80%。盡管先進(jìn)的PEM電解工藝的能耗可降為3.0KWh/m3H2，但工業(yè)化2的電解水制氫成本仍然很高，很難同化石燃料為原料的制氫過程相競爭［2］。優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟，資源豐富，產(chǎn)品濃度高，操作簡便。缺點(diǎn)：成本高。天然氣制氫工業(yè)上甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化過程采用鎳催化劑，操作溫度750-920C°，操作壓力2.17-2.86Mpa。早期的甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化過程是在常壓下操作的，但較高的壓力可以改善過程效率。反應(yīng)是吸熱的，熱量通過燃燒室燃燒甲烷供給。甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化制得的合成氣，經(jīng)過高低溫變換反應(yīng)將一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳和額外的氫氣。為了防止甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化過程析碳，反應(yīng)進(jìn)料中采用過量的水蒸氣，工業(yè)過程水碳比為3-5［2］。優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟，成本低。缺點(diǎn)：天然氣資源量有限。重油制氫重油制氫過程在一定壓力下進(jìn)行，可以采用催化劑，也可以不采用催化劑，這取決于所選原料與過程，催化部分氧化通常是以甲烷或石腦油為主的低碳烴為原料，而非催化部分則以重油為原料，反應(yīng)溫度在1150-1315C。。與甲烷相比，重油的碳?xì)浔容^高，因此重油部分氧化制得的氫氣主要來自蒸汽和一氧化碳，其中蒸汽貢獻(xiàn)氫氣的69%。與天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫相比，重油部分氧化需要空分設(shè)備來制取純氧［2］。優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟。缺點(diǎn)：成本高，重油資源量有限。煤炭氣化制氫原煤經(jīng)過備煤單元處理后，經(jīng)煤鎖送入氣化爐，蒸汽和來自空分的氧氣作為氣化劑從氣化爐下部噴入，在氣化爐內(nèi)煤和氣化劑逆流接觸，煤經(jīng)過干燥、干餾和氣化、氧化后，生成粗合成氣（主要組成為屯、CO、匹、嚇、眄、油和高級烴）；粗合成氣經(jīng)急冷和洗滌后送入C°變換單元；經(jīng)過部分CO變換和工藝廢熱回收后進(jìn)入酸性氣體脫除單元；脫除h2s和co2及其它雜質(zhì)后，得到h2和CO混合氣體（H2占70%左右）進(jìn)入氫氣提純單元；提純后得到純度99.5%的氫氣⑶。2煤炭氣化制氫與煤制天然氣的唯一區(qū)別是：粗合成氣經(jīng)酸性氣體脫除單元得到h2和CO混合氣體（H2占70%左右）后，制氫走氫氣提純單元，而制天然氣走甲烷化單元。煤制天然氣成本為.07元伽3：4］，煤炭氣化制氫成本不會很高。神華煤制油化工有限公司于2008年12月實(shí)現(xiàn)了日產(chǎn)氫氣6261,氫氣純度為99.5%。優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟，成本低，資源豐富。缺點(diǎn)：有o2捕捉深埋，CO用于他用等環(huán)保措施跟進(jìn)的必要。太陽能制氫太陽能制氫方法很多，主要有熱化學(xué)法制氫；光電化學(xué)分解法制氫；光催化法制氫；人工光合作用制氫；生物制氫。各種方法均處于研究階段，其中以光催化法制氫研究最多。太陽能-氫能轉(zhuǎn)化是氫氣工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的方向，但是仍然有很多實(shí)際的問題需要解決。優(yōu)點(diǎn)：資源豐富，取之不盡。缺點(diǎn)：技術(shù)不成熟，成本不明，能量密度低。生物質(zhì)制氫

生物質(zhì)制氫方法有20多種，主要有光解水制氫技術(shù)；暗發(fā)酵制氫技術(shù)；光發(fā)酵制氫技術(shù)；光發(fā)酵和暗發(fā)酵耦合制氫技術(shù)；發(fā)酵法生物制氫。其中發(fā)酵法生物制氫研究最多⑸。中國發(fā)酵法生物制氫由哈爾濱工業(yè)大學(xué)任南琪教授承擔(dān)的國家“863”計(jì)劃“有機(jī)廢水發(fā)酵法生物制氫技術(shù)生產(chǎn)性示范工程”，日前在哈爾濱國際科技城日產(chǎn)1200m3氫氣生產(chǎn)示范基地一次啟動成功。優(yōu)點(diǎn)：資源豐富，取之不盡。缺點(diǎn)：技術(shù)尚未完全成熟，成本不明，能量密度低。1.8等離子制氫通過電場電弧能將水加熱至5000C。，水被分解成H,H2,0,02,0H,H20,其中H和H2的含量可達(dá)50%。要使等離子體中氫組分含量穩(wěn)定，就必須對等離子進(jìn)行淬火，使氫不再與氧結(jié)合。該過程能耗很高，因而等離子體制氫成本很高⑵。優(yōu)點(diǎn)：資源豐富，取之不盡。缺點(diǎn)：技術(shù)不成熟，成本高。綜上所述，目前只有規(guī)?；拿禾繗饣茪洳拍芙鉀Q“氫能時代”的氫源問題。2“氫能時代”煤化工的思考2.1現(xiàn)代煤化工路線圖現(xiàn)代的煤化工路線詳見圖。J-亠-2.2“氫能時代”煤化工的思考從現(xiàn)代煤化工路線圖分析，煤化工產(chǎn)品一是原料（化工、化肥），一是燃料（工業(yè)、生活）。煤化工主要由三條線組成：一是煤炭焦化，副產(chǎn)化工原料；二是煤炭氣化，合成天然氣、制化肥、合成烯烴等化工原料、煤間接制油；三是煤炭液化制油。“氫能時代”的煤化工，在可再生能源規(guī)?；茪浼夹g(shù)產(chǎn)業(yè)化之前，從優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)考慮，應(yīng)該以煤炭氣化制氫為主，全部代替用作燃料部分；煤炭焦化、煤制化肥為輔;化工原料由石油、天然氣制取。2.3“氫能時代”的腳步隨著煤化工的興起，煤化工技術(shù)的逐步成熟，煤炭氣化制氫的優(yōu)勢突顯出來。煤化工

中煤制天然氣是技術(shù)最成熟、最安全、最經(jīng)濟(jì)的，而煤炭氣化制氫就是將合成氣經(jīng)過C0變換、酸性氣體脫除后的氣體（H2和CO）進(jìn)行分離、提純過程。神華煤制油化工有限公司于2008年12月實(shí)現(xiàn)了日產(chǎn)氫氣6261,氫氣純度為99.5%。煤炭氣化制氫完全可以滿足“氫能時代”低成本氫源的要求，只要在儲氫、輸送和用氫技術(shù)成熟后，“氫能時代”馬上走進(jìn)我們的生活。參考文獻(xiàn)張應(yīng)惇.韓美.熱化學(xué)法制氫.低溫與特氣.1988年第1期.劉少文?吳廣