中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2050年我們將會(huì)迎接氫能時(shí)代的到來(lái)，形成10萬(wàn)億元的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。煤的最佳應(yīng)用方式就是變成氫，當(dāng)然也可以煤制油，但是煤制氫將會(huì)作為新能源的一個(gè)重頭戲。
煤制氫優(yōu)點(diǎn)與實(shí)例
氫氣是目前石油化工領(lǐng)域中用量最大的一種化工原料，廣泛用于生產(chǎn)合成氨、油品、甲醇以及石油煉制過(guò)程的加氫反應(yīng)。氫能作為一種潔凈、高效可儲(chǔ)存、可再生的能源受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。我國(guó)是以煤炭為主要能源的國(guó)家，以煤炭為原料制取氫氣供給終端用戶使用，集中處理有害廢物將污染降低到最低水平，是一種相對(duì)環(huán)保的制氫路線。
煤炭制氫涉及復(fù)雜的工藝過(guò)程。煤炭經(jīng)過(guò)氣化、一氧化碳耐硫變換、酸性氣體脫除、氫氣提純等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以得到不同純度的氫氣。一般情況下，煤氣化需要氧氣，因此煤炭制氫還需要與之配套的空分系統(tǒng)。煤制取氫氣優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)日臻成熟，原料成本低，裝置規(guī)模大。缺點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)轉(zhuǎn)周期相對(duì)短、投資高、配套裝置多。
隨著我國(guó)成品油升級(jí)，各種加氫工藝應(yīng)用越來(lái)越廣，煤氣化制氫相比干氣和輕油制氫具有成本優(yōu)勢(shì)。對(duì)蒸汽轉(zhuǎn)化制氫、水煤漿氣化制氫、干粉煤氣化制氫及渣油氣化制氫的成本進(jìn)行分析比較后可以認(rèn)為，利用煤和石油加工過(guò)程中得到的低值產(chǎn)品石油焦制氫，改變了傳統(tǒng)的制氫原料路線，可以解決制氫成本高的問(wèn)題。同時(shí)，替代出來(lái)的煉廠石腦油、干氣、天然氣等原料用于生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益更高的石化產(chǎn)品。例如：輕油一般可作為乙烯裂解原料，生產(chǎn)乙烯、丙烯等高附加值產(chǎn)品；干氣根據(jù)組成不同，可用作乙烯裝置原料或低硫工藝爐燃料。
神華集團(tuán)已經(jīng)建成的世界上第一套百萬(wàn)噸級(jí)煤炭直接液化示范工廠,采用兩套荷蘭殼牌(Shell)公司的SCGP粉煤加壓氣化工藝,為煤液化、加氫穩(wěn)定、加氫改質(zhì)等裝置提供氫氣原料,單套日產(chǎn)氫能力為313噸,氫氣純度為99.5%(mole),CO+CO2≤20μg/g。
煤制氫在煉廠的應(yīng)用
煉油廠制氫原料主要有煉廠干氣、天然氣、煤、石腦油和重油等，制氫原料路線的選擇主要取決于原料的可獲得性和成本。在高油價(jià)的現(xiàn)狀下，中國(guó)煉廠石腦油和重油制氫已不具經(jīng)濟(jì)性，逐步被淘汰。目前國(guó)內(nèi)煉化一體化項(xiàng)目典型氫源包括：天然氣或煤制氫、干氣制氫、重整裝置副產(chǎn)氫、PSA回收氫及乙烯裝置產(chǎn)氫。
中國(guó)外購(gòu)天然氣制氫的煉廠，天然氣價(jià)格一般超過(guò)3元/立方米，而沿海地區(qū)使用進(jìn)口LNG的煉廠，天然氣成本高達(dá)4元/立方米左右，在此條件下，煉廠以大規(guī)模煤氣化裝置制氫更具經(jīng)濟(jì)性，有以下一系列優(yōu)點(diǎn)。
1. 煤制氫成本低。以9萬(wàn)Nm3/h制氫規(guī)模為例，水煤漿氣化和天然氣制氫裝置投資分別為12.4億元和6億元。雖然煤制氫投資高很多，但在氫氣價(jià)格（成本+10%投資回報(bào)）為1.5萬(wàn)元/噸（1.36元/ m3）時(shí)，對(duì)應(yīng)的煤和天然氣成本分別為805元/噸和2.58元/ m3，而且還沒(méi)計(jì)算煤制氫副產(chǎn)大量蒸汽的價(jià)值。
2. 煤氣化裝置（廢熱鍋爐流程）副產(chǎn)的大量蒸汽，可節(jié)省煉廠燃料油。節(jié)省出來(lái)的燃料油可作為焦化裝置原料增產(chǎn)成品油。
3. 廉價(jià)的煤制氫可替代干氣制氫。節(jié)約的干氣可用于提取乙烯等化工原料，增加經(jīng)濟(jì)效益。
4. 水煤漿氣化制氫原料靈活，可接受石油焦和煤在相當(dāng)寬的比例范圍內(nèi)混合進(jìn)料。在煤價(jià)高而石油焦價(jià)格低的時(shí)候，解決石油焦銷路問(wèn)題；而煤價(jià)低，石油焦市場(chǎng)價(jià)格高的情況下，可全部氣化煤，以實(shí)現(xiàn)效益最大化。
由于上述優(yōu)勢(shì)，煤制氫在煉廠正在取得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。從2009~2013年，中國(guó)煉廠新建煤/石油焦制氫項(xiàng)目如下表2-15所示。
2009~2013年中國(guó)煉廠新建煤/石油焦制氫項(xiàng)目
不僅是在中國(guó)，煤制氫也被印度企業(yè)所選擇。2012年5月，印度最大的私營(yíng)企業(yè)信誠(chéng)工業(yè)公司建設(shè)全球最大的石油焦/煤氣化多聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目，項(xiàng)目位于該公司擁有的世界最大煉油廠區(qū)——賈姆納加爾——總煉油能力為130萬(wàn)桶/天（6200~6500萬(wàn)噸/年）。據(jù)印度媒體報(bào)道，該項(xiàng)目總投資40億美元，采用E-Gas氣化技術(shù)（氣流床兩段水煤漿氣化），根據(jù)公開數(shù)據(jù)，該項(xiàng)目采用10臺(tái)進(jìn)料量約3000噸/天的氣化爐，多聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)品方案將包括氫氣、電力、蒸汽、合成天然氣(SNG)和醋酸等乙?；ぎa(chǎn)品。
總的來(lái)說(shuō)，在油價(jià)和天然氣價(jià)格高企，而煤炭?jī)r(jià)格相對(duì)平穩(wěn)的現(xiàn)狀下，大規(guī)模煤氣化制氫不僅具備成本優(yōu)勢(shì)，而且可以優(yōu)化煉廠的物料平衡，已經(jīng)成為中國(guó)煉廠制氫的重要發(fā)展方向。將煤炭或焦炭原料轉(zhuǎn)化為氫氣，該項(xiàng)技術(shù)已在中國(guó)石化下屬金陵石化、齊魯石化、南化公司成功應(yīng)用。與傳統(tǒng)干氣制氫工藝相比，煤制氫裝置的水煤漿制氫工藝可節(jié)約成本20%到25%。
由中石化南京工程公司EPC總承包九江煤制氫項(xiàng)目啟動(dòng)。該項(xiàng)目總投資14億元，采用GE水煤漿氣化技術(shù)，年產(chǎn)氫10萬(wàn)噸，于2014年投料試車。九江石化煤制氫項(xiàng)目選用的低溫甲醇洗工藝采用半貧液技術(shù)，以冷甲醇作為溶劑脫除酸性氣體，是中國(guó)石化自有專利技術(shù)的首次國(guó)產(chǎn)化實(shí)踐，具有能耗低，工藝氣體凈化度高，吸收選擇性高，甲醇的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好，能夠有效脫除原料氣的硫化氫、二氧化碳和COS組分等優(yōu)點(diǎn)。
2014年1月23日，中石化集團(tuán)茂名石化油品質(zhì)量升級(jí)改造工程煤制氫裝置成功生產(chǎn)出合格氫氣。該套裝置是目前中國(guó)單產(chǎn)能力最大的煤制氫裝置，它的建成投用，既可滿足茂名石化汽柴油質(zhì)量從國(guó)四升級(jí)至國(guó)五的用氫需求，又可緩解煉油擴(kuò)能后氫氣資源不足的壓力，對(duì)于茂名石化優(yōu)化資源、調(diào)整結(jié)構(gòu)、綠色生產(chǎn)、節(jié)能降耗具有重要意義。據(jù)了解，該煤制氫裝置總投資30億元人民幣，于2011年9月動(dòng)工建設(shè)，是茂名石化油品質(zhì)量升級(jí)改造工程的重要配套項(xiàng)目，也是中國(guó)石化重點(diǎn)工程建設(shè)項(xiàng)目，主要包括水煤漿氣化裝置、合成氣凈化裝置以及配套設(shè)施，以煤、煉廠副產(chǎn)的高硫石油焦和純氧為主要原料，每小時(shí)可生產(chǎn)出20萬(wàn)標(biāo)立方米、純度為97.5%以上、4.8兆帕的工業(yè)氫氣。該裝置水煤漿氣化單元采用美國(guó)GE公司水煤漿氣化技術(shù)，合成氣凈化單元耐硫變換及甲烷化采用中國(guó)石化自主技術(shù)，酸性氣體脫除采用德國(guó)魯齊（Lurgi）低溫甲醇洗技術(shù)等先進(jìn)的工藝技術(shù)。裝置設(shè)備材料國(guó)產(chǎn)化率99%，高98米的吸收塔是目前全國(guó)同類裝置最大的設(shè)備，低溫甲醇洗吸收塔塔體材料首次實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。
截至2014年7月5日，長(zhǎng)嶺煉油廠加氫煉油裝置連續(xù)45天試用巴陵煤制氫氣1100萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)立方米，安全及各項(xiàng)工藝指標(biāo)均達(dá)到生產(chǎn)要求，標(biāo)志著長(zhǎng)煉首次大規(guī)模試用煤制氫氣獲得成功。長(zhǎng)煉800萬(wàn)噸煉油項(xiàng)目有7套加氫裝置，氫氣主要依靠5萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)立方米每小時(shí)制氫和70萬(wàn)噸重整裝置提供，需要消耗大量的煉廠干氣，每年損耗乙烯資源4萬(wàn)多噸，氫氣生產(chǎn)成為影響該企業(yè)成品油加工成本的重要因素。2013年，為了實(shí)現(xiàn)區(qū)域資源優(yōu)化，總部在岳陽(yáng)地區(qū)建成“巴陵-長(zhǎng)嶺”氫氣管線，將巴陵石化煤制氣裝置甲烷化后含氫量85.84%的原料氣提純至99.5%的氫氣，以每小時(shí)3000多標(biāo)準(zhǔn)立方米的流量輸送量至巴陵石化云溪片區(qū)及長(zhǎng)煉氫氣管網(wǎng)。綜合數(shù)據(jù)表明，長(zhǎng)煉試用煤制氫后，用氫總體成本下降33%至35%。
2014年7月14日，巴陵石化合成橡膠事業(yè)部首次采用長(zhǎng)輸管線輸送的煤制氫氣生產(chǎn)熱塑橡膠SEBS獲得成功。至7月17日，兩套SEBS裝置平均每小時(shí)用氫量約2000標(biāo)準(zhǔn)立方米（180千克），累計(jì)用量達(dá)9.32噸，已采用煤制氫生產(chǎn)SBES產(chǎn)品260多噸，合格率100%，目前日產(chǎn)120噸左右。氫氣是熱塑橡膠SEBS生產(chǎn)的重要原料之一，巴陵石化合成橡膠事業(yè)部自2006年實(shí)現(xiàn)SEBS工業(yè)化生產(chǎn)以來(lái)，一直使用電解氫氣。近年來(lái)，隨著裝置擴(kuò)能改造，低負(fù)荷電解氫氣供應(yīng)“吃緊”，影響SEBS裝置穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)及市場(chǎng)開拓。2014年4月20日，巴陵石化建成的國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)煤制氫氣輸送管線順利投用，首站至分輸站引入氫氣。與此同時(shí)，公司內(nèi)部原有的電解及干氣制氫裝置關(guān)停。為優(yōu)化氫氣資源利用，公司合成橡膠事業(yè)部將煤制氫氣引入熱塑橡膠裝置生產(chǎn)。試用煤制氫與干氣制氫的摻混氫生產(chǎn)SEBS，經(jīng)分析檢測(cè)，產(chǎn)品加氫度達(dá)97.5%，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足生產(chǎn)要求。巴陵石化煤制氫不僅量大，能充分滿足SEBS生產(chǎn)需求，且相比電解制氫，品質(zhì)更高，有利于SEBS關(guān)鍵指標(biāo)加氫度穩(wěn)定。氫壓機(jī)停運(yùn)后，每天可節(jié)電近3200度，價(jià)值約1800元。目前，合成橡膠事業(yè)部繼續(xù)對(duì)氫氣外管系統(tǒng)和煤制氫使用情況進(jìn)行跟蹤，并做好將煤制氫引入聚丙烯裝置的準(zhǔn)備工作。
由華東理工大學(xué)開發(fā)的多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)，2014年11月13日將用于江蘇恒力集團(tuán)在大連建設(shè)的國(guó)內(nèi)單產(chǎn)能力最大的煤制氫裝置。該水煤漿氣化裝置設(shè)計(jì)為4開2備，總生產(chǎn)能力為46萬(wàn)立方米(CO+H2)/時(shí)。江蘇恒力集團(tuán)是全球最大的織造企業(yè)，同時(shí)也是全球最大的超亮光絲和工業(yè)絲生產(chǎn)基地，該集團(tuán)在大連建設(shè)的煉化一體項(xiàng)目選擇多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)用于煤制氫氣，氫氣生產(chǎn)能力為32.1萬(wàn)立方米/時(shí)，是目前我國(guó)最大的煤制氫系統(tǒng)，該裝置還同時(shí)生產(chǎn)50萬(wàn)噸甲醇/年，醋酸35萬(wàn)噸/年，以及燃料氣3萬(wàn)立方米/時(shí)。
荊門英德氣體有限公司（中國(guó)荊門）是工業(yè)氣體供應(yīng)商英德氣體集團(tuán)（香港）的子公司，該公司已于2017年10月20日開始在湖北省荊門化學(xué)品回收工業(yè)園區(qū)建設(shè)煤制氫和綜合利用項(xiàng)目的主要生產(chǎn)設(shè)施。該項(xiàng)目將建設(shè)一個(gè)氣體島，為該工業(yè)園區(qū)的鄰近裝置提供氨和甲醇等工業(yè)氣體和某些化學(xué)原料，特別是為中國(guó)石化子公司煉油公司中石化荊門公司提供升級(jí)和擴(kuò)容項(xiàng)目。該項(xiàng)目將通過(guò)水煤漿夾帶式流化床氣化技術(shù)將煤炭轉(zhuǎn)化為氣體混合物，然后通過(guò)三種過(guò)程：變壓吸附分離氫氣、液氮洗滌分離氨和甲醇合成和蒸餾生產(chǎn)甲醇。該項(xiàng)目的氫氣能力為5.3萬(wàn)立方米/小時(shí)、氨能力為20萬(wàn)噸/年、甲醇能力為40萬(wàn)噸/年，副產(chǎn)氧、氮、氬和硫。該公司表示，新裝置將于2018年9月底開始向中國(guó)石化荊門公司供應(yīng)氫氣。
煤制氫技術(shù)進(jìn)展
煤氣化制氫是工業(yè)大規(guī)模制氫的首選方式之一。雖然傳統(tǒng)煤氣化制氫工藝成熟，但其投資成本大、需用純氧、氣體分離成本高、產(chǎn)氫效率偏低、CO2排放量大。降低煤氣化制氫工藝CO2排放的關(guān)鍵在于提高過(guò)程熱效率、避免復(fù)雜的氣體分離過(guò)程。借助于氧載體的傳遞作用，化學(xué)鏈制氫技術(shù)可實(shí)現(xiàn)氧和熱在燃料反應(yīng)器、蒸汽反應(yīng)器和空氣反應(yīng)器之間的轉(zhuǎn)移，從而使CO2、H2、N2內(nèi)在分離，既直接利用空氣、也能獲得高濃度的CO2和H2。鐵基氧載體是化學(xué)法制氫的理想氧載體之一，然而在燃料反應(yīng)器中，鐵基氧載體與煤的直接反應(yīng)速率很慢且該反應(yīng)器吸熱。如何促進(jìn)氧載體與煤的直接反應(yīng)速率且使燃料反應(yīng)器自熱是該制氫技術(shù)的關(guān)鍵。
在前期研究的基礎(chǔ)上，山西煤炭化學(xué)研究所提出添加堿金屬催化劑來(lái)促進(jìn)Fe2O3與煤的直接反應(yīng)速率。他們通過(guò)添加Al2O3，一方面作為惰性組分防止氧化鐵的燒結(jié)，另一方面與FeO反應(yīng)生成鐵鋁氧載體，釋放反應(yīng)熱為燃料反應(yīng)器提供部分熱量。模擬結(jié)果表明，采用該技術(shù)過(guò)程各反應(yīng)器都能實(shí)現(xiàn)自熱，制氫熱效率可達(dá)75%，生成的鐵鋁氧載體則能被空氣氧化回到初始相態(tài)，實(shí)現(xiàn)氧循環(huán)。
2016年12月25日，西安交通大學(xué)首個(gè)重大科研成果產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目——“煤炭超臨界水氣化制氫發(fā)電多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)”產(chǎn)業(yè)化工作正式啟動(dòng)。西安交大研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)20年攻關(guān)，研發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)，提出了一種煤炭在超臨界水中完全吸熱-還原制氫的新氣化原理。它利用溫度和壓力達(dá)到或高于水的臨界點(diǎn)（374.3℃、22.1MPa）時(shí)水的特殊物理化學(xué)性質(zhì)，將煤中的碳、氫、氧元素氣化轉(zhuǎn)化為氫氣和二氧化碳，同時(shí)熱化學(xué)分解了部分超臨界水制取氫氣，將煤炭化學(xué)能直接高效轉(zhuǎn)化為氫能。氣化過(guò)程中煤所含的氮、硫及金屬元素及各種無(wú)機(jī)礦物質(zhì)及灰分，由于不被氧化，會(huì)在反應(yīng)器內(nèi)隨著氣化而逐步凈化沉積于底部，以灰渣的形式排出反應(yīng)器，從源頭上根除了二氧化硫、氮氧化物等氣體污染物和PM2.5等粉塵顆粒物的生成和排放。與傳統(tǒng)“一把火燒煤”相比，該技術(shù)發(fā)電和制氫的效率顯著提高，大型化后的一次性投資和運(yùn)行成本則顯著降低。氣化產(chǎn)物可發(fā)電、供熱、供蒸汽，還可生產(chǎn)高附加值化工產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了煤炭能源的高效、潔凈、無(wú)污染轉(zhuǎn)化和利用。
西安交通大學(xué)研發(fā)的攻關(guān)研發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)，提出了一種煤炭在超臨界水中完全吸熱一還原制氫的新氣化原理，被稱為“超臨界水蒸煤”，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。該技術(shù)適用于無(wú)煙煤、煙煤、褐煤、蘭炭等不同的煤種，碳轉(zhuǎn)化效率可達(dá)96%～99%。據(jù)測(cè)算，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)大型工業(yè)化后，每標(biāo)準(zhǔn)立方米氫氣成本不到0.58元，比常規(guī)煤氣化制氫低0.05元。
為深化產(chǎn)學(xué)研合作，推動(dòng)學(xué)校科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，中核全聯(lián)投資基金管理(北京)有限公司、香港日富投資有限公司和西安北奇能源科技發(fā)展有限公司共同發(fā)起成立混合所有制的技術(shù)產(chǎn)業(yè)化投資公司——陜西中核交大超潔能源技術(shù)有限公司，推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。西安交大將該技術(shù)成果知識(shí)產(chǎn)權(quán)及相關(guān)技術(shù)作價(jià)1.5億元人民幣轉(zhuǎn)讓給產(chǎn)業(yè)化投資公司。該公司將在初期籌資10億元進(jìn)行技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的工程示范。據(jù)了解，項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化公司三年內(nèi)力爭(zhēng)完成該技術(shù)首個(gè)產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目的建設(shè)和運(yùn)行，加速推動(dòng)該技術(shù)在煤炭高效清潔利用、環(huán)境保護(hù)等方面的推廣應(yīng)用。目前已確定先將50MW發(fā)電及熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、燃煤工業(yè)供熱蒸汽鍋爐替代產(chǎn)品等作為工程示范的切入點(diǎn)。
中國(guó)擬在建十五個(gè)煉化一體化項(xiàng)目，已有11個(gè)采用煤制氫！
隨著成品油質(zhì)量升級(jí)的推進(jìn)，國(guó)內(nèi)新建煉油廠大多選擇了全加氫工藝路線，以滿足輕質(zhì)油收率、產(chǎn)品質(zhì)量、綜合商品率等關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要求，這極大增加氫氣需求和制氫技術(shù)的市場(chǎng)。在高油價(jià)時(shí)期，具備成本優(yōu)勢(shì)的煤/石油焦氣化制氫成為中國(guó)煉廠制氫的發(fā)展趨勢(shì)。隨著原油和天然氣價(jià)格持續(xù)走低，油制氫、天然氣制氫和煤制氫的成本差距在縮小。
研究發(fā)現(xiàn)，煤/石油焦制氫仍然是中國(guó)煉廠制氫的主流工藝路線，已確定采用煤制氫的項(xiàng)目有11個(gè)，確定采用天然氣制氫的只有1個(gè)。
