氢能资源及制氢技术分析报告Word格式.docx
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从资源上看,截至2016年底,全国累计探明天然气地质储量13.74万亿m3,剩余技术可采储量5.44万亿m3,剩余经济可采储量3.93万亿m3,储采比31.9,发展天然气重整制氢具备基础条件。
三工业副产氢的现状及潜力分析
氯碱厂、焦化厂和钢铁厂的尾气中富含氢,这部分氢气被称为工业副产氢,可通过变压吸附技术制取高纯度氢气进而实现循环利用。
目前,大部分工业副产氢经纯化处理后均能满足各行业的需要。
(一)氯碱工业副产氢
工业上常见的烧碱工艺是电解食盐水,在这个过程中会同时产生氢气。
根据氯碱平衡表,烧碱与氢气的产量配比为40∶1,也就是说,每生产1吨烧碱,副产约270Nm3氢气。
根据我国2006~2016年烧碱产量,下文估算了副产氢的产量,如图3所示。
另据统计,我国氯碱企业的氢气放空率高达30%~60%。
以2016年为例,我国烧碱产量达到3284万吨,副产氢约89亿Nm3,推算全国氢气放空量至少为27亿Nm3。
仅考虑这部分副产氢,理论上就可满足152万辆燃料电池乘用车的使用需求。
(二)焦炉煤气副产氢
焦炉煤气是煤焦化过程中得到的可燃气体,焦炉煤气中氢的含
图3全国烧碱产量及副产氢量估计
量在50%以上,每1吨焦炭可提取约425.6Nm3焦炉气,而变压吸附技术可以从焦炉气中提取高纯度氢气,通常每1m3的焦炉煤气可制取约0.44m3的氢气。
这种制氢路径的成本相对较低,只相当于电解水制氢成本的25%~33%。
根据我国焦炭产量,估算我国副产氢的产量,如图4所示。
以2016年为例,副产氢约为841亿Nm3,合756万吨。
我国是世界第一大焦炭生产国。
分区域来看,华北地区是我国目前最大的焦炭生产区,2016年焦炭产量为16519.7万吨,占同期全国产量的36.78%;
华东地区焦炭产量为9566.8万吨,占总量的21.30%;
西北地区焦炭产量为6906.9万吨,占总量的15.38%
(见图5)。
分省份来看,我国焦炭主产区为山西、河北、山东、陕西、河南、内蒙古、江苏和辽宁等省份,焦炭年产量均在2000万吨以上,副产氢量超过600亿Nm3,合543万吨。
但需要注意的是,焦炉煤气是炼焦过程中的副产物,除含有大
图4我国焦炭产量与对应副产氢量
图5分区域焦炭产量
量氢气、甲烷外,还有苯族化合物、萘、有机硫、无机硫、氮氧化合物、氨、焦油等其他微量组分,这些组分我们通常称为杂质。
以宝钢集团焦炉煤气为例,其主要成分详见表1和表2。
表1焦炉煤气主要体积组成百分比
单位:
%
组成
含量
H2
52.3~55.6
CO2
2
CH4
27.1~30.4
CnHm
2.8
CO
7.5
O2
0.1
N2
4.9
H2O
饱和
表2焦炉煤气中杂质含量平均值(标况)
mg/m3
杂质
含量平均值
H2S
<200
有机硫
焦油
<50
萘
HCN
<150
NH3
<100
(含苯)轻油份
<2000
吸收油雾
<200~300
(三)氢气纯化技术
目前,大部分的工业副产氢和富氢工业尾气经纯化处理后就能满足行业需要。
氢气的纯化方法主要有五种,分别为低温分离法、膜分离法、催化反应法、金属氧化物法和变压吸附法。
变压吸附法是将多种来源含氢气体中的杂质取出,经过提纯,氢纯度可达99.99%以上。
变压吸附法也是目前主要的氢能提纯技术,提纯氢气的纯度高,技术也比较成熟。
PSA适用于多种氢源的净化提纯,既适用于煤制氢、天然气制氢、甲醇制氢、石油裂解制氢等化石燃料制氢的净化提纯,也适用于从合成氨厂的变换气、驰放气、甲醇生产驰放气、石油精炼气、
焦煤炉气、三氯氢硅合成炉气、多晶硅还原尾气和多种富氢混合气
(H2的质量百分比大于25%,压力大于0.6MPa)等工业生产过程含氢排放气中提纯氢。
该工艺的原理为:
多种含氢(H2)混合气体进入变压吸附装置吸附塔后,利用吸附床内吸附剂对混合气体中各组分的吸附能力随压力发生改变而呈现差异,加压时吸附原料气中的杂质,不易吸
附的组分———氢从吸附床出口端作为产品输出,减压时吸附的杂质组分脱附解吸,同时吸附剂获得再生。
一般采用至少四个吸附床循环操作,以实现产品氢连续输出。
该工艺可以实现氢气纯度达到98%~99.999%(V),可以满足氢燃料电池技术的应用。
宝钢已投产的焦炉煤气变压吸附制氢工艺中,产品氢气纯度≥99.999%,能够满足氢燃料电池的使用需求。
在焦炉煤气PSA制氢方面已有很多工业实践。
国内大型PSA制氢以四川天一科技股份有限公司、上海华西化工科技有限公司、四川亚联高科技股份有限公司和四川天采科技有限公司、成都华西化工科技股份有限公司、成都天立化工科技有限公司等企业为主。
随着氢气的应用领域越来越广,PSA制氢装置规模将向小型化和大型化两端突破,每小时产氢1~10m3的微小型装置和每小时产氢超过40万m3的大型装置成为发展趋势。
近几年来,较大型制氢装置主要有河南首创化工有限公司3万Nm3/h焦炉煤气PSA制氢装置、青海盐湖集团7万Nm3/h焦炉煤气PSA制氢装置、黑龙江建龙化工4.6万Nm3/h焦炉煤气PSA制氢装置等,其他已建焦炉煤气PSA制氢装置产氢规模多在3000Nm3/h以下。
(四)副产氢支撑燃料电池汽车发展潜力分析
按照表3中的参数假定目前仅氯碱副产氢就可以支撑152万辆乘用车或4万辆公交车的运行,而氯碱工业和焦炉煤气共计可支撑4952万辆乘用车或114万辆燃料电池公交车的运行。
表3燃料电池乘用车与公交车百公里氢耗与年均行驶里程
车型
百公里氢耗(kg/100km)
年均行驶里程(km)
乘用车
1.05(丰田、本田、现代三款平均)
15000
公交车
11.36
60000
四可再生能源制氢的现状及潜力分析
(一)“弃风”电解水制氢潜力分析
前几年,我国“弃风”现象比较严重。
2014~2016年,部分地区“弃风”现象还呈增加趋势。
2015年,全国累计弃风电量339亿kWh,弃风率15%。
2016
年全年各主要省份弃风量及弃风率如表4所示。
表4我国各主要省份弃风量
kWh,%
省
份
弃风率
弃风量
甘
肃
43
104
新
疆
38
137
省份
吉林
30
29
内蒙古
21
124
黑龙江
19
20
辽宁
13
宁夏
河北
9
22
山西
14
陕西
7
云南
4
6
按照电解水制氢能耗4.8kWh/Nm3计算,我国2016年的弃风资源制氢能力为103.5亿Nm3。
(二)“弃光”电解水制氢潜力分析
2016年,全国太阳能累计装机容量7742万kW,位居全球第一,占国内全部发电装机容量的4.7%。
发电总量前十的省份及发电量如表5所示。
表5全国太阳能发电前十省份及发电量
万kWh
发电量
新疆
934
甘肃
686
青海
682
638
江苏
546
526
山东
455
443
安徽
345
浙江
338
不过,虽然装机量增长迅速,但是“弃光”问题依然存在。
2016年,全国累计弃光电量为74亿kWh,较上年增加了85%。
尤其是西部地区“弃光”现象尤为突出,陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆等西北五省份弃光电量为70.42亿kWh,占全国“弃光”总量的95.2%。
按照2016年全国“弃光”数量计算,通过电解水制氢的潜力为15.4亿Nm3。
(三)“弃水”电解水制氢潜力分析
截至2016年底,我国水电装机容量3.32亿kW,位居世界第一,占国内全部发电装机容量的20.2%。
全国十大水电省份是:
四川7246万kW、云南6096万kW、湖北3663万kW、贵州2089万kW、广西1663万kW、湖南1553万kW、广东1410万kW、福建1304万kW、青海1192万kW、浙江1154万kW。
从地理因素考虑,我国水能资源分布不均,呈现“西部多东部少”的特点。
西南地区的四川、云南作为水能资源大省,2016
年水电发电量占全国总发电量的8.9%,在我国发电领域占据着不容忽视的地位,但与此同时,两省弃水量正持续攀升。
根据国家“十二五”期间公布的统计数据,四川省和云南省弃水量分别达到300亿kWh和410亿kWh。
而据2016年初步统计,两省弃水量之和更是达到了惊人的500亿kWh左右,这一数字相当于整个北京全年用电总量的50%。
西南地区弃水问题在“十三五”期间将愈演愈烈已成为业内人士的普遍共识。
按照2016年四川、云南的弃水量计算,通过电解水制氢的潜力为104亿Nm3,足够支撑595万辆燃料电池乘用车或14万辆燃料电池公交车运行。
(四)“弃核”电解水制氢潜力分析
按发电能力计算,全国核电机组2016年全年可发电2428亿度,但在实际生产中,由于存在各种限制因素,实际仅完成计划电量1829亿度,参与市场交易消纳137亿度,总计损失电量462亿度,弃核率达19%,相当于近7台核电机组全年停运。
与其他发电方式有所不同的是,核电机组需要定期更换燃料以维持设备正常运行,而核燃料中最重要的原材料之一天然铀属于国家战略资源,出现减载和停备等情况可能使核燃料未经充分利用就遭到废弃,这不但浪费了宝贵资源,而且使废料处理的难度和成本增加。
因此,核电消纳也面临很大压力。
按照2016年弃核量计算,通过电解水制氢的潜力为96亿
3
Nm。
(五)生物质制氢潜力分析
我国生物质产量丰富。
据统计,全国每年约有相当于4.6亿吨标准煤供热潜力的农作物秸秆、农产品加工剩余物、林业剩余物、能源作物及生活垃圾与有机废弃物等生物质可作为能源利用。
然而,我国生物质能总体仍处于发展初期,这部分资源未来实现有效利用的空间十分广阔。
(六)电解水制氢技术及产业化情况
电解槽技术主要有碱性水电解槽、质子交换膜电解槽、固体氧化物水电解槽。
电解水制氢是通过输入电能将水分解为氢气和氧气的过程。
电解过程的关键设备之一是电解槽,其组成主要分为三部分,分别是电解池内的电解质、隔膜以及沉浸在电解液中成对的电极。
电解槽的发展过程是电极和隔膜材料的改善,以及电槽结构改进的过程。
在目前的电解水制氢装置中主要采用碱性水电解槽、质子交换膜(PEM)电解槽和固体氧化物(SOE)电解槽,不同电解水技术对比如表6所示。
表6不同电解水技术对比
参数
碱性水电解
PEM电解
SOE电解
设备制氢能力(Nm3/h)
1000
400
实验室阶段
效率(%)
55~65
74~79
85~90
成本(元)
5500~9750
9750~24700
—
寿命(h)
60000~90000
20000~60000
<1000
技术成熟度
成熟
早期市场导入
研发
碱性水电解制氢装置目前已经大批量生产。
目前,我国电解水装置的安装总量在1500~2000套,电解水制氢产量约9亿m3/年,碱性电解水技术占绝对主导地位。
目前,国内碱性电解水设备的单台产能最大可达1000m3/h,电解水设备制造厂家主要有中国船舶重工集团公司第七一八研究所、天津市大陆制氢设备有限公司及苏州竞力制氢设备有限公司等。
在PEM电解水技术方面,国内尚处于实验室研发阶段,国外已进入市场导入阶段。
目前国内PEM电解水设备依靠进口,引进国外先进技术,2016年12月,广东鸿运氢能源科技有限公司与ProtonOnSite在上海签订合同,由Proton为广东佛山和云浮燃料电池公交车提供13套兆瓦级质子交换膜电解槽。
(七)可再生能源制氢支撑燃料电池汽车发展潜力分析
按照我国2016年的弃风量、弃光量、弃水量、弃核量,以电解水制氢能耗4.8kWh/Nm3计算,我国可再生能源制氢潜力达379亿Nm,足以支撑1823万辆乘用车或42万辆公交车运行(见表7)。
表7我国可再生能源制氢支撑燃料电池汽车发展潜力
可再生能源种类
可再生能源量
(亿kWh)
制氢潜力
(亿Nm3)
支撑燃料电池汽车量
弃风
497
103.5
591万辆乘用车或14万辆公交车
弃光
74
15.4
88万辆乘用车或2万辆公交车
弃水
500
595万辆乘用车或14万辆公交车
弃核
462
96
549万辆乘用车或14万辆公交车
合计
1533
379
1823万辆乘用车或42万辆公交车
五小结
通过比较分析不同制氢方式的资源和技术情况,本报告研究发现:
氢气产物纯度较高的焦炉煤气、氯碱工业副产氢的路线,在现阶段已经可以满足下游燃料电池汽车运营的氢气需求;
在未来氢能产业链进一步发展完善的前提下,利用太阳能、风能等可再生能源制氢有望成为终极解决方案。
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