李世刚:石化行业副产氢气的高价值利用

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一次能源有煤炭、石油、天然气。而在获取同样能源情况下,产生碳排的顺序是:煤炭>石油>天然气。二次能源由一次能源经过加工或转换得到的其他种类和形式的能源,如何产生最少的碳排获得所需要能源将是我们实现双减的最佳途径。

联合国气候变化峰会,我国承诺2020年完成单位GDP碳排比2005年下降40~45%(已于2017年完成),非化石能源占比提到15%(已于2019年完成)。2030年相比2005年下降60~65%,非化石能源占比提到20%国际承诺。通过节能的方式进行能源转型,充分合理利用氢能将是实现碳减排、碳中和最有效途径。

氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)明确定位氢能是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体,但是我们在合理利用氢能、实现“双碳”目标方面需要注意以下几个原则。

 

氢气的制取和利用需要综合规划因地制宜

 

氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)中提到,优先综合利用工业副产氢,适合风光水电应用可再生能源电解水制氢。而不是只要制取氢气,无论什么方式都是最好的减少减排,需要整体考虑,从整个制取、储运、使用环节来考虑能量利用效率、使用成本等问题。

石化副产氢产氢量全球第一,氢源丰富基础好,更容易获取氢气,在炼化石化副产氢、氯碱副产氢、焦化副产氢、乙烷裂解副产氢、丙烷脱氢副产氢、煤化工副产氢、其他工业炉副产氢等行业集聚地区,优先利用工业副产氢,鼓励就近消纳,降低工业副产氢供给成本。

电解水制氢过于火热,不是所有地方都适合。在风电、光电充裕,而需要氢气地方,比如采用厂布局光电,而附近有炼油厂需要氢气,这样的结合是比较好的。在电量不富裕的地区,或者已经大城市附近已经是上网的电,这样情况用电解水制氢,会减少利用效率,例如碱性电解槽制氢常规下1立方H2要用5度电,这样就减少了约80%效率。

石化副产氢要分阶段发展,石化副产氢核心定位是副产,不可本末倒置,发展要结合地域资源禀赋,多种氢源齐头并进。

电解水制氢不是不可行,有风电光电资源地区电解水制氢结合可行。如果在工业园区附近,本身电就不够用,却要用一部分电去做电解水,不符合能量利用原则。属于能量浪费。

在特定场合可再生能源制氢只适合推进固体氧化物电解池制氢、光解水制氢、海水制氢、核能高温制氢。

 

符合能量利用原则

 

在大多数场合、东部各大城市,使用的电都是电网供电,工业园区使用的电也是电网供电。而在东部城市以及大多数城市附近都有工业园区,有各种形式的工业副产氢气。所以电网供电、副产氢气大多数情况下城市周边共存。而用电、用热、氢气也是城市发展的需求。这种情况下设计氢能布局、氢能利用需要综合考虑。如图所示,蓝色线是一般利用途径,红色线是不利的利用方式,绿色线有利的利用方式。副产氢气提纯成本1-2元/kg。远远小于电解水制氢50kwh/kg的H2。所以有氢气的地方尽量不要用来发电或者供热(因为副产氢气发电或者供热这时候氢气价值很低)。可以使用电网的电来补充电或者供热。用电网的电置换工业副产氢气,而不是用电直接电解水制氢。所以“以电换氢”比“电解制氢”更符合能量利用原则。

 

节能、少利用化石能源是最好的CO2减排方式

 

在双碳目标下,我们很多为了减排而减排,把产生的CO2在捕集回来,电解变成CO利用,或者加氢变成甲烷等研究方向很多。这时候其实CO2仅仅提供一个碳源,合成为其他产品所需要的能量来源于电能或者氢能。化工过程的每个过程都是熵增的过程,如果为了减排。首先要分析之前产生CO2的原因,是为了热源产生的CO2还是作为还原物质产生的CO2。可以把电解CO2的电直接用来供热,或者以氢固碳的氢用来还原。直接从源头减少化石原料的摄入,比产生CO2后在捕集回来效率高很多。所以在工艺设计方面要综合考量。千万不要纯属为了减排指标的不惜成本捕集CO2做化工产品。

我国产氢量全球第一,氢源丰富基础好,根据行业推算在2030年燃料氢需求量为500-800万吨,2040年燃料氢需求量为2000-3000万吨从图中可以看出焦化厂和绿碱厂大多数是排放燃烧或用热燃烧。如果按副产氢来置换,我国可以置换出4000万吨,仅仅焦炉尾气每年可以置换1500万吨出来。但是现在的工业副产氢都为了排放达标,多用于燃烧供热或发电,没有更高效的利用。

2022年8月17日 10:31
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