孫雪婷，林堂茂（中國石油化工股份有限公司大連石油化工研究院，遼寧 大連 116045）

摘 要：氫能作為一種綠色高效的新能源在全球范圍受到前所未有的關(guān)注，氫能發(fā)展影響著全球能源結(jié)構(gòu)向清潔化、低碳化轉(zhuǎn)型的結(jié)果。制氫技術(shù)與優(yōu)化煉廠物料平衡息息相關(guān)，也是煉廠流程優(yōu)化的重要發(fā)展方向。綜述了煉廠制氫技術(shù)原理及應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)對不同制氫方案的特性、用氫成本、經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了闡述，以某煉廠為例進(jìn)行不同氫氣方案比選，從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)綜合剖析其對全廠經(jīng)濟(jì)效益影響，最后對煉廠制氫技術(shù)發(fā)展前景進(jìn)行了思考與展望。

關(guān)鍵詞：低碳化轉(zhuǎn)型；制氫方案；用氫成本；經(jīng)濟(jì)效益

氫能是公認(rèn)的清潔能源，被譽(yù)為 21 世紀(jì)最具發(fā)展前景的二次能源。氫雖然在自然界中分布廣泛， 但游離態(tài)氫在自然狀態(tài)下僅有極少量存在。氫能可以實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在解決全球變暖、能源危機(jī)、環(huán)境污染等問題上發(fā)揮重要作用。人工制氫^[1]是一種從工業(yè)原料中大規(guī)模制取的可燃?xì)鈶B(tài)氫產(chǎn)物的過程，包括化工原料制氫、工業(yè)尾氣副產(chǎn)氫、化石燃料制氫、電解水制氫等。制氫路線的選擇取決于原料資源的可獲得性、技術(shù)成熟度及原料經(jīng)濟(jì)合理性。 在全球氫時代，在碳中和和能源轉(zhuǎn)型趨勢下，氫能的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入快車道，氫能技術(shù)被中國納入遠(yuǎn)景規(guī)劃之中，從化石能源到可再生能源電解水制氫是傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型及發(fā)展氫能技術(shù)必須深入探究的過程。從碳排放角度氫能被分為灰氫、藍(lán)氫、綠氫 3 類，氫能技術(shù)與如何優(yōu)化煉廠的物料平衡息息相關(guān)， 是煉廠流程優(yōu)化的重要發(fā)展方向。

1 煉廠制氫技術(shù)

        氫氣的熱值是汽油的 3 倍，作為一種資源豐富、 熱值高且具有多種優(yōu)勢的寶貴資源，其最大的優(yōu)勢在于反應(yīng)過程中不產(chǎn)生污染物。加氫是煉廠石油產(chǎn)品升級的主要手段，其原理是在臨氫環(huán)境和催化劑 的共同作用下脫除重質(zhì)組分中的硫、氮、金屬等有害雜質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)油品質(zhì)量升級^[2]。所以，煉廠需要大量的氫氣供應(yīng)。除了外購氫方案，煉廠外購原 料制氫的路線大體包括煤制氫^[3]、天然氣制氫、電解水制氫。當(dāng)前國內(nèi)大規(guī)模制氫原料依舊以占?xì)錃猱a(chǎn)能五成左右的煤和天然氣等化石燃料為主，接近兩成的工業(yè)副產(chǎn)物及不到一成的電解水為輔。

1.1 灰氫方案——煤制氫

        灰氫是指以化石燃料為反應(yīng)原料的制氫手段， 如煤制氫。煤炭被譽(yù)為黑色的金子，是碳含量極高 的固體可燃性礦物。煤炭與水反應(yīng)生成氫氣，在反應(yīng)過程中有大量二氧化碳產(chǎn)生。煤制氫最常用的一種制氫工藝是水煤漿，其工藝過程包括氣化、CO 變換、酸性氣體脫除、氫氣提純等步驟，具體工藝如圖 1 所示。中國具有豐富的煤炭資源背景，煤炭產(chǎn)量也是世界第一，煤制氫技術(shù)成熟，可滿足大規(guī)模、高穩(wěn)定性的制氫要求，是當(dāng)前成本最低的制氫方式。

煤制氫技術(shù)至今已有約 100 年的發(fā)展歷史，作為工業(yè)大規(guī)模制氫的首選方式之一，從德國第一代煤氣化工藝問世，冷煤氣效率及氣化強(qiáng)度都得到了顯著提升；到 20 世紀(jì) 70 年代，美國、聯(lián)邦德國、英國等國家開始第二代煤氣化技術(shù)研究，頗具代表性的研究包括 Texaco 水煤漿純氧加壓氣化技術(shù)、Shell 氣流床加壓氣化技術(shù)、GSP 粉煤氣化技術(shù)等，其主要技術(shù)進(jìn)步在于加壓技術(shù)和溫度控制，實(shí)現(xiàn)了更精細(xì)的技術(shù)指標(biāo)控制。第三代煤氣化制氫技術(shù)目前仍然處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，主要包括了催化氣化、等離子體氣化、太陽能氣化等。

當(dāng)前煤制氫技術(shù)在全國范圍內(nèi)被廣泛開發(fā)應(yīng)用，巴陵石化以煤制氫作氫氣補(bǔ)給，可滿足大規(guī)模用氫量的企業(yè)需求，如長嶺煉化的煉油裝置大規(guī)模 連續(xù)試用巴陵石化提供的煤制氫氣，使得用氫總成本下降三成左右；九江通過采用 GE 水煤漿氣化技術(shù) 的煤制氫裝置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)氫氣量 10 萬 t。由于氫氣在煉化企業(yè)中屬于中間環(huán)節(jié)或者副產(chǎn)品，因此目前單獨(dú)的氫氣產(chǎn)品供應(yīng)量還有較大的增長空間。

1.2 藍(lán)氫方案——天然氣制氫

        藍(lán)氫作為一種“低排放”能源，是將天然氣通 過蒸汽甲烷重整或自熱蒸汽重整制成。雖然天然氣 也屬于化石燃料，在生產(chǎn)藍(lán)氫時也會產(chǎn)生溫室氣體， 但通過碳捕捉、利用與封存等減排技術(shù)捕捉溫室氣 體，以實(shí)現(xiàn)減輕對地球環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)了低排放 生產(chǎn)。天然氣制氫^[4]是目前煉廠主要的制氫方式之一，占總產(chǎn)氫量 8 成左右。天然氣制氫的工藝流程 包括原料預(yù)處理、水蒸氣重整、一氧化碳變換和氫氣提純 4 個部分，其原理是在高溫條件下，天然氣與水蒸氣發(fā)生變換反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣，在制氫過程中產(chǎn)生的二氧化碳被捕捉、處理、轉(zhuǎn)化利用，制氫過程如圖 2 所示。天然氣制氫是北美、中東等地區(qū)普遍采用的制氫路線。

        我國天然氣制氫應(yīng)用開始于 20 世紀(jì) 70 年代, 隨著催化劑品質(zhì)的提高、工藝流程的改進(jìn)、控制水平的提高、設(shè)備形式和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，大量裝置投入運(yùn)行積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)促進(jìn)了理論的發(fā)展，使天然氣制氫工藝的可靠性和安全性都得到了保證。但其也有一定的缺陷，例如原料利用率低、工藝復(fù)雜、操作條件苛刻、設(shè)計(jì)制造要求高、控制水平要求高、對 操作人員的理論水平和操作技能要求高等。

1.3 綠氫方案——電解水制氫

        電解水制氫^[5]是一種清潔、高效、可持續(xù)的制氫技術(shù)，其制氫工藝簡單，投入能源為電力以及部分熱能，產(chǎn)出氫氣純度可達(dá) 99.999%，產(chǎn)品純度極高。電解水制氫是一種較為簡單的制取氫氣的方法，原理是在電解槽中加入電解質(zhì)，通過水導(dǎo)通電流實(shí)現(xiàn)水分子電離，從正極析出氧氣，負(fù)極析出氫氣， 制氫原理如圖 3 所示。

        電解水制氫的優(yōu)勢包括將可再生能源——太陽能轉(zhuǎn)換為電力供能，且無溫室氣體排放，所得氫氣純度高，適用于多種工業(yè)場景。雖然其存在制氫成本高、耗能大等問題，但不可否認(rèn)電解水制氫技術(shù) 是大規(guī)模制氫方法中最具潛力的技術(shù)之一。

        根據(jù)電解質(zhì)的不同，電解水技術(shù)包括堿水電解（一般采用氫氧化鉀或氫氧化鈉為電解質(zhì)）、質(zhì)子交 換膜純水電解、固體氧化物電解^[6-8]。堿水電解技術(shù)由于其高商業(yè)化程度及高技術(shù)水準(zhǔn)的特點(diǎn)，是最廣泛使用的電解水技術(shù)手段之一。眾多國內(nèi)外企業(yè)長期致力于堿水電解技術(shù)的研發(fā)，國外研發(fā)堿水電解技術(shù)的代表企業(yè)有法國企業(yè) Mcphy、美國企業(yè) Teledyne 和挪威企業(yè) Nel 等。國內(nèi)使用堿水電解技術(shù)的代表企業(yè)有天津大陸制氫、中船重工 718 所和蘇州競立制氫。國外技術(shù)商 Proton 公司 、 Hydrogenics 等公司長期致力于質(zhì)子交換膜純水電解技術(shù)，對質(zhì)子交換膜純水電解技術(shù)的商業(yè)化推進(jìn)起到了至關(guān)重要的作用。質(zhì)子交換膜純水電解技術(shù) 具有運(yùn)行維護(hù)簡單、成本較低且安全系數(shù)高的特點(diǎn)，是我國下一階段的重點(diǎn)研發(fā)技術(shù)之一。國內(nèi)眾多企業(yè)及科研院所也已經(jīng)啟動了對這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)，其中中科院大連化所、中電豐業(yè)等單位在這項(xiàng)技術(shù)的研究上取得較大成果。利用風(fēng)能、光能、水力等可再生能源生產(chǎn)富裕電力并與新型電解水技術(shù)相結(jié)合 的耦合制氫方法通常被稱為“綠氫”路線。我國物產(chǎn)豐富，地大物博，擁有豐富的地?zé)帷⑸镔|(zhì)、海洋能、風(fēng)電和光伏資源，充分利用這些豐富資源是發(fā)展“綠氫”技術(shù)的先決條件^[9-11]。同時，我國強(qiáng)大的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)為“綠氫”的發(fā)展提供了天時地利的優(yōu)勢。雖然制氫成本偏高，煉廠較少使用此種方法大規(guī)模制氫，但隨著科技發(fā)展，未來通過可再生能源發(fā)電的成本在市場中會具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢及競 爭力，電解水制氫方案是值得進(jìn)行深入研討的。

2 制氫方案效益分析

        不同方案的制氫成本取決于維護(hù)成本、提純成本、原料成本及設(shè)備成本等多方面因素，受制氫方案具體路線選擇、不同地區(qū)能源分布狀況、制氫技 術(shù)水平的影響，各因素在總成本中的占比也不盡相同，其成本可降低的空間也有所差異。

2.1 煤制氫方案效益分析

        煤制氫方技術(shù)具有運(yùn)轉(zhuǎn)周期短、原料成本較低等優(yōu)勢，但其也存在裝置所占空間規(guī)模大、設(shè)備結(jié) 構(gòu)復(fù)雜、產(chǎn)生溫室氣體等缺點(diǎn)。煤制氫過程會產(chǎn)生大量的 CO 及 CO₂等溫室氣體，需要征收一定的碳稅，這也為煤制氫方技術(shù)增加了一定成本。煤炭資源儲備量豐富，煤制氫與其他制氫技術(shù)相比在原料成本上具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，占總成本的四成左右，其裝置成本和其他資金消耗約占總成本兩成左右。某城市從 2020 年 1 月到 2021 年 8 月的煤炭價格如圖 4 所示。

        煤制氫技術(shù)主要利用了煤炭的還原性，除去碳元素外，還有一些其他的化學(xué)成分受地質(zhì)各種因素的影響，在制氫過程中參與化學(xué)反應(yīng)會影響氫氣轉(zhuǎn)化能力，這種低效轉(zhuǎn)化極大程度地浪費(fèi)了煤炭資源，并且?guī)砹烁呶廴?sup>[12]。所以如何提高煤炭的利用率，實(shí)現(xiàn)煤能源的高效利用是制氫技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵一步。簡而言之，作為當(dāng)前最可行的大規(guī)模制氫技術(shù)，煤制氫技術(shù)具有成熟的技術(shù)優(yōu)勢及得天獨(dú)厚的資源優(yōu)勢。

2.2 天然氣制氫方案效益分析

天然氣制氫技術(shù)具有裝置占地空間不大、裝置能耗較低、無溫室氣體排放等特點(diǎn)^[13-15]。天然氣制氫大部分成本在于天然氣的價格，約占總成本的七成左右。天然氣消費(fèi)隨著人口和供應(yīng)消費(fèi)總量的變化穩(wěn)步增長，短期內(nèi)資源增長開采的潛力有限。由于地理結(jié)構(gòu)的特性分布，中國天然氣大產(chǎn)區(qū)包括塔里木產(chǎn)區(qū)、鄂爾多斯產(chǎn)區(qū)、川渝產(chǎn)區(qū)和海域產(chǎn)區(qū)，天然氣通過管道西氣東輸?shù)奖本⑻旖颉⑸虾！⒑颖钡瘸鞘校紤]到經(jīng)濟(jì)性問題仍有許多北方城市 需要依賴進(jìn)口天然氣。某城市從 2020 年 1 月到 2021 年 8 月的天然氣到港價格如圖 5 所示。

        真正影響天然氣制氫效益的，正是進(jìn)口天然氣價格的波動。雖然全國各地天然氣的價格均有差異，但整體變化趨勢大致相似。在近兩年的天然氣供應(yīng)能源價格體系中，最低點(diǎn)的天然氣價格也在每噸 2 250 元，是近兩年煤炭價格峰值點(diǎn)的 2 倍。天然氣制氫技術(shù)從原料角度來看對外依存度高，雖因碳捕捉轉(zhuǎn)化解決了大量溫室氣體排放的問題，卻在技術(shù)層面受制于原料價格體系的影響，其成本下降空間十分有限，不利于能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整。

2.3 電解水制氫方案效益分析

        電解水制氫成本主要表現(xiàn)在運(yùn)營費(fèi)用（包括有維護(hù)、電池組更換）、電費(fèi)（用電、過網(wǎng)費(fèi)）等方面^[16-18]，其電費(fèi)成本達(dá)總成本的七到八成，占比極高。要降低電解水制氫成本與低成本實(shí)現(xiàn)風(fēng)能發(fā)電緊密相關(guān)，風(fēng)能發(fā)電可以從降低光伏設(shè)施成本、運(yùn)維成本、風(fēng)場建設(shè)成本、發(fā)電機(jī)組成本等方面來降低電解水工藝的單位電耗。

        在經(jīng)濟(jì)層面，電解水制氫技術(shù)成本與其他制氫技術(shù)相比缺乏一定競爭力。但另一層面，根據(jù)部分地區(qū)的地理優(yōu)勢，其蘊(yùn)藏的太陽能、風(fēng)能等可再生能源足以支撐大規(guī)模電解水制氫的技術(shù)需求，甚至可以實(shí)現(xiàn)制氫成本的大幅下降，同時也 實(shí)現(xiàn)了能源優(yōu)化處理及綜合利用。未來要開辟一條既能滿足大規(guī)模用氫需求，又能實(shí)現(xiàn)低成本制氫的創(chuàng)新模式，充分利用過剩電能、可再生能源來降低發(fā)電成本^[19-20]，此外盡量采取就地、臨近等裝置建設(shè)準(zhǔn)則以降低氫氣的儲存及運(yùn)輸成本。與此同時要繼續(xù)加大新型電解水技術(shù)研發(fā)力度，推動可再生能源制氫技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用。

2.4 煉廠制氫方案對全廠經(jīng)濟(jì)效益影響

        以某煉廠為例，該煉廠屬于煉油型煉廠。該煉廠加工的原油包括沙輕、沙中、杰諾、阿曼，主要產(chǎn)品為 93 號汽油、97 號汽油、0 號柴油、-10 號柴油、-20 號柴油，煉廠全流程生產(chǎn)狀態(tài)任務(wù)網(wǎng)如圖 6 所示。

        煉廠實(shí)施成品油質(zhì)量升級，其主要裝置包括常壓蒸餾、延遲焦化、汽油加氫、預(yù)加氫、連續(xù)重整、異構(gòu)化、硫磺回收、制氫等。依據(jù)混合整數(shù)非線性規(guī)劃（MINLP）算法實(shí)現(xiàn)對煉廠生產(chǎn)計(jì)劃最優(yōu)解計(jì)算，也就是得到煉廠全流程的效益最大值，在效益 最優(yōu)的情況下，不同制氫方案的全廠經(jīng)濟(jì)效益對比如表 1 所示。

        從橫向?qū)Ρ冉Y(jié)果來分析，綠氫方案的總投入及總成本最多，藍(lán)氫方案次之，灰氫方案最少。由于煉廠生產(chǎn)的產(chǎn)品及副產(chǎn)品總量基本一致，所以銷售收入相差不大。從利潤總額來看，灰氫方案使用化石原料經(jīng)濟(jì)性高，但卻是以破壞生態(tài)環(huán)境為代價換來的。藍(lán)氫方案具有氫氣產(chǎn)率高且消耗水量少的優(yōu)點(diǎn)，方案整體投資相對較低，是最理想的化石原料制氫方法之一。但我國煤炭資源豐富，石油天然氣資源相對較少，天然氣對外依存度只增不減，長遠(yuǎn)來看，其發(fā)展可能會受到外界條件的制約。綠氫方案的發(fā)電設(shè)施投入大、運(yùn)維成本偏高，尚未顯現(xiàn)出其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。而在電力資源豐富的地區(qū)，電解水制氫由于其潔凈環(huán)保的特點(diǎn)，在全世界越發(fā)嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)及社會對清潔氫能 源的高度關(guān)注下將會快速發(fā)展。

        總而言之，原料價格對氫能價格的影響最大，不同原料價格影響不同制氫方案的經(jīng)濟(jì)效益。通過改善 制氫技術(shù)達(dá)到降低成本的目的可實(shí)施性較低，因?yàn)闊?廠制氫基本已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。所以控制制氫成本需因地制宜，合理選擇原料。由于氫氣需求范圍大、規(guī)模小，氫氣需求在未來仍會持續(xù)增加。因此未來天然氣制氫將成為最廣泛使用的制氫方法，煤氣化制氫將 逐漸被天然氣制氫及電解水制氫所取代。

3 對煉廠制氫技術(shù)發(fā)展前景的思考與 展望

        無論是煤制氫、天然氣制氫還是可再生能源制氫技術(shù)，均有各自的優(yōu)劣勢。未來化石原料制氫仍將是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制氫的主體技術(shù)路線。煤制氫技術(shù)能夠滿 足煉廠大規(guī)模用氫需求而頗受青睞，2017 年擬建 15 個煉化一體化項(xiàng)目，有 11 個采用煤制氫裝置，但煤制氫路線不但耗水量大，同時碳排放量也較高。隨著我國加大生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)力度、密集的環(huán)保政策的出臺，煤制氫技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展必將受到制約。在清潔低碳發(fā)展的大背景下，煤制氫技術(shù)向綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展是我國應(yīng)對富煤貧油少氣能源格局的解決途徑，也對煤制氫技術(shù)未來的發(fā)展也提出了更高要求。

        我國油氣資源對外依存度逐年提高，采用天然氣制氫技術(shù)，不僅原料來源具有不穩(wěn)定性，且天然氣制氫成本與原料價格關(guān)系最大，但天然氣價格近兩年整體呈現(xiàn)上升趨勢，所以經(jīng)濟(jì)適用性偏低。從長遠(yuǎn)來看，由于我國非常規(guī)天然氣資源（頁巖氣、 煤層氣、可燃冰等）十分豐富，隨著未來非常規(guī)天然氣開采技術(shù)進(jìn)步、開采成本降低，必將迎來天然氣大發(fā)展的鼎盛時期，屆時采用天然氣制氫預(yù)計(jì)要比煤制氫更具優(yōu)勢。

        電解水制氫將貫穿于氫能發(fā)展的全過程。電解 水制氫技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)很多：從原料角度看，水、太陽能、風(fēng)能是取之不竭用之不盡的；可以利用低谷剩下的余電或是氣電來制氫，同步實(shí)現(xiàn)能源存儲及優(yōu)化的目的。電解水生產(chǎn)氫氣效率及純度很高，可以達(dá)到 99.999%，甚至 99.999 9%；反應(yīng)速度可以通過調(diào)節(jié)槽電壓來控制。雖然電解水制氫受制于轉(zhuǎn)換效率和成本等問題，但其仍是未來理想的大規(guī)模制氫技術(shù)之一。

4 結(jié)論

         中國能源結(jié)構(gòu)受綠色低碳的消費(fèi)理念影響，如今更傾向于能源消費(fèi)方式變革，構(gòu)建多元清潔的能源供應(yīng)體系，氫能的技術(shù)革新及市場需求是調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的重要支點(diǎn)，隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，氫氣資源愈發(fā)被煉廠所高度需要，當(dāng)下對制氫方案的深入研究具有相當(dāng)高的實(shí)用價值，為煉化企業(yè)氫氣資源優(yōu)化提供理論依據(jù)。氫能產(chǎn)業(yè)未來一段時間內(nèi)應(yīng)是以化石原料制氫為主導(dǎo)，多種可再生原料制氫 方式并存的多元發(fā)展格局。隨著新時代中國的能源發(fā)展，我國制氫技術(shù)將會取得顯著成果，有力推動煉化產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步完善，為中國經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)健康發(fā) 展提供有力支撐，也為維護(hù)世界能源安全、應(yīng)對全球氣候變化、促進(jìn)世界經(jīng)濟(jì)增長做出積極貢獻(xiàn)。

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