摘要：煤化工產業(yè)目前面臨環(huán)保、碳減排、生存壓力，亟待轉型升級。煤制天然氣工廠可以在不影響主產品的基礎上，調整部分工藝路線提純氫氣，為煤化工企業(yè)新增一個高價值副產品，但氫氣如何跨越地域運輸尚無報道。綜述了氣氫液化、儲氫材料儲氫、長輸管道摻氫3種技術路線的可行性和有利條件，借助氫能產業(yè)蓬勃發(fā)展之勢，實現(xiàn)煤化工產業(yè)的轉型升級。
作為煤炭大國，我國煤炭資源豐富易得，基于我國現(xiàn)有的能源結構，在未來很長一段時間內，煤炭仍將是我國的主體能源，在保障我國能源供應安全中占據(jù)重要位置?，F(xiàn)代煤化工產品種類繁多，多種技術路線并存，有煤制氣、煤制油、煤制化工品等。
當前煤化工項目投資大，贏利水平提升難，國內多個煤化工項目處于進退兩難的境地，已建成的煤制油、煤制氣項目投產以來持續(xù)大幅虧損，煤基化工品企業(yè)未來前景也難言樂觀；煤化工行業(yè)面臨環(huán)保、碳減排、成本壓力。因此，現(xiàn)代煤化工要想實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，應根據(jù)自身特點找準行業(yè)定位，耦合技術路線、優(yōu)化系統(tǒng)，降低成本。
在工業(yè)化制氫路線中，煤制氫優(yōu)勢明顯：（1）原料易獲得，我國煤炭資源豐富且易得；（2）制氫成本低，規(guī)?；褐茪涑杀驹?.8 元/m3左右，而天然氣制氫成本達2元/m3；（3）技術成熟，煤制氫的技術可追溯到上世紀八九十年代。總體看，煤基氫能路線是最經濟、最實用的一種途徑。
氫能具有清潔、高效、可持續(xù)發(fā)展等特點，是實現(xiàn)電力、液體燃料、熱力等各種能源品種之間轉化的媒介，是未來實現(xiàn)跨能源網(wǎng)絡協(xié)同優(yōu)化的唯一途徑。氫氣（H2）是二次能源，需要從一次能源轉化制取，相比電解水、天然氣等現(xiàn)有制氫方式，我國以煤為主的資源稟賦為煤制氫發(fā)展奠定了基礎，也為煤化工企業(yè)的轉型提供新的發(fā)展方向。
目前還沒有針對煤化工企業(yè)具體工藝路線調整的文獻。鑒于未來氫能可能大規(guī)模應用，煤化工企業(yè)可以在不改變主產品的基礎上，調整工藝路線、延伸產業(yè)鏈等，找出與氫能的契合點，增強抵抗風險能力。本文以煤制天然氣項目為例，探討了企業(yè)新增煤制純氫技術路線的可行性，希望給企業(yè)轉型發(fā)展提供參考。
1 氫氣的制取
以煤制天然氣為例，煤主要通過煤加壓氣化、變換冷卻、合成氣凈化、甲烷化合成最終生成天然氣，詳見圖1。
基于現(xiàn)有工藝，在主產品天然氣的基礎上，可以引出部分凈化后的合成氣，其主要組分含量見表1。新增PSA 裝置可以提純附加值更高的氫氣。
從表1可以看出，凈化合成氣中H2含量高、硫含量低，基本不含苯、粉塵等雜質，利于下游PSA 提純裝置的運行，且提純后的CH4可以直接并入天然氣外輸管道，純氫外輸?shù)侥繕耸袌觥?
2 氫能的運儲
氫能一般需要跨地域運輸。煤制天然氣項目一般位于西北地區(qū)，通過西氣東輸管道輸送到東部下游用戶。如果直接通過長管拖車運輸氣氫，運輸成本高，項目不具有競爭優(yōu)勢，需要將氣氫進一步處理，使得最終產品具備成本優(yōu)勢。下面選取3種技術路線進行探討。
2.1 液氫路線
氫液化是通過預冷和膨脹節(jié)流等工藝，把氣氫降溫到20.37K變成液氫。液氫具有兩大優(yōu)勢：① 液氫的單車運氫能力是氣氫的10倍以上，不僅運輸效率大幅提高，而且隨著運輸距離的增加，液氫的成本優(yōu)勢遠大于氣氫；② 通過液化可以對氫氣進行提純；在20.37K低溫下，除了少數(shù)稀有氣體之外的所有氣體雜質都會凝固分離，因此可以獲得純度≥5N（99.999%）的高純氫和6N（99.9999%）及以上的超純氫，5N和6N氫具有廣泛應用前景，我國消耗量約20萬t/a，目前大量用于大規(guī)模集成電路芯片、平板顯示器、半導體器件、冶金等行業(yè)，而且高純、超純氫的市場價格遠高于普通純氫，液氫的附加值遠高于氣氫。
基于以上液氫優(yōu)勢，企業(yè)可以在廠區(qū)內增加氫液化裝置生產附加值更高的液氫產品。煤制天然氣工廠生產液氫相比單獨建液氫工廠具有以下優(yōu)勢：煤制天然氣工廠占地較大，一般會為后期規(guī)模擴大留有空地，因此新增液氫裝置不需要額外征地，可以節(jié)省土地費用；充分利用工廠現(xiàn)有的公用工程如儀表空氣、氮氣、脫鹽水等；氫液化工藝需要液氮進行預冷，工廠建有空分裝置，產出的液氮完全可以滿足液氫單元的使用；液氫項目液化的耗電量比較大，規(guī)?；?t/d 以上）的液氫項目，液化能耗在13kWh/kg（氫）左右，工廠建有自備電廠，液化可以使用廠用電，用電成本低。以上優(yōu)勢可以明顯降低液氫的生產成本，煤制天然氣工廠生產的液氫更具有競爭力。
一般液氫可用公路罐車運輸，大的需求量可以采用更加快速、經濟的深冷鐵路槽車或者海運進行運輸；目前日本國內的液氫路線之一是在澳大利亞利用褐煤氣化制氫、氫氣提純、氫液化、液氫海運到日本港口，此方案正在試行中。類比國內，我國西部產的液氫除公路、鐵路運輸之外，還可以選擇通過長江水道運輸?shù)綎|部。我國也在鼓勵高校和企業(yè)開展液氫領域技術、產業(yè)化的示范應用，加快民用液氫市場的發(fā)展，未來液氫將在我國氫能產業(yè)鏈中扮演重要角色。
2.2 儲氫材料儲氫路線
儲氫材料選取液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫，分別是有機液體儲氫、氫化鎂儲氫2種路線。
2.2.1 液態(tài)儲氫
有機液體儲氫技術以甲基環(huán)己烷為代表，具有儲氫量大、儲運安全方便、便于利用現(xiàn)有石化基礎設施和運輸設備等優(yōu)點。甲基環(huán)己烷儲放氫過程為：甲苯加氫生成甲基環(huán)己烷，甲基環(huán)己烷脫氫生成甲苯并釋放出氫氣。目前甲基環(huán)己烷儲氫技術中加氫工藝成熟，國內有多種工藝路線已實現(xiàn)工業(yè)化，難點在于脫氫工藝高效催化劑的研制。日本千代田化工在此領域研究進展較快，開發(fā)的SPERA工藝流程，甲苯選擇性超過99.9%，脫氫轉化率超過95%，催化劑壽命超過1萬h。日本已使用該工藝在文萊建設商業(yè)化示范裝置，并已將4.7t的氫氣運往日本，預計2020年總共將向日本提供210t氫氣。日本甲基環(huán)己烷儲氫技術研發(fā)進展及示范項目的運行，證明該儲氫技術的可行性，有望成為未來氫儲運技術的選擇路徑之一。
煤制天然氣工廠除主產品天然氣外，還生產有副產品焦油、中油、石腦油，目前副產品只能作為廉價的化工原料外銷給其他化工廠，附加值低。這3種副產品均含有較高的芳烴組分，其中石腦油中芳烴含量高達85%以上，加氫后可得到較優(yōu)質的芳烴原料，從而為甲基環(huán)己烷儲氫工藝提供廉價的儲氫介質，儲氫物質可以利用現(xiàn)有鐵路運輸系統(tǒng)運輸。
2.2.2 固態(tài)儲氫
固態(tài)儲氫技術中，鎂儲氫具有儲氫量高、安全、環(huán)保等優(yōu)勢，被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ膬洳牧?。固態(tài)儲氫工藝流程：鎂在高溫下氣化為鎂蒸氣、與氫氣進行反應合成氫化鎂、氫化鎂分解釋放出氫氣。氫化鎂通過2種途徑轉化為氫氣：其一氫化鎂熱分解為鎂和氫氣；其二氫化鎂水解生成氫氧化鎂并釋放出雙倍的氫氣。
氫化鎂除用于燃料電池外，可進一步提高品質用于附加值更高的化妝品及醫(yī)藥行業(yè)市場，據(jù)了解國內出口到日本的高純度粉狀氫化鎂售價2500元/kg。制備鎂粉的氣化溫度要在600℃以上，能耗約10kWh/kg（Mg H2），生產成本主要是在能耗和氫氣源。煤制天然氣工廠一般位于西北地區(qū)，鎂礦資源易獲得；引出的部分凈化合成氣可獲得廉價的氫氣；氫化鎂為固體，便于大規(guī)模使用公路或鐵路運輸；工廠自備電廠、副產高中低壓蒸氣，用電用氣成本低，氫化鎂生產成本低。
2.3 長輸管道摻氫路線
管道輸氫是具有發(fā)展?jié)摿Φ牡统杀具\氫方式，但輸氫管道由于氫脆現(xiàn)象需選用含炭量低的材料，導致氫氣管道的造價是天然氣管道造價的2倍以上，此外占地拆建等問題也導致投資成本高。如果利用現(xiàn)有的天然氣長輸管網(wǎng)摻氫運輸可以解決上述難題 。天然氣摻氫也是氫能研究熱點，國內外科研機構紛紛投入研究，目前多個示范項目也在陸續(xù)推進中。德國、英國等已建有或在建摻氫率高達20%的管道摻氫示范項目；國家電投集團于2019年建成國內首例天然氣摻氫示范項目。如果摻氫示范驗證成功，并解決天然氣管道與氫氣相容性問題，煤制天然氣工廠可以充分利用現(xiàn)有西氣東輸管道等天然氣主干管網(wǎng)和龐大的支線管網(wǎng)摻氫運輸，無需任何改造，降低了氫氣的運輸成本。
3 結論
國內氫能產業(yè)進入快速發(fā)展期，氫能也成為傳統(tǒng)能源產業(yè)向清潔能源變革的重要途徑。煤化工企業(yè)應深入研究分析氫能全產業(yè)鏈，結合企業(yè)特點、現(xiàn)有工藝流程、地域、政策等因素找出與氫能的契合點，尋求效益最大化。煤化工與氫能產業(yè)深度融合，推動煤化工行業(yè)的技術創(chuàng)新向更高質量邁進，實現(xiàn)資源共享、優(yōu)勢互補，推動傳統(tǒng)能源實現(xiàn)更深層次、更清潔化利用的轉變。
