碳中和背景下工业副产氢气能源化利用前景浅析

氢

能是世界新能源和可再生能源领域中正在积极开发的一种二次能源。氢气在燃烧过程中不会产生二氧化碳、二氧化硫和烟尘等大气污染物，同时与太阳能和风能相比，氢能又具有相对较强的可储存性，因此氢能被看作是未来最理想的清洁能源之一。从实现我国碳中和战略目标来看，在降低高碳能源使用的前提下，在终端应用方面氢能源将发挥着重要的作用。随着氢能制备、储运和燃料电池等技术的日渐成熟，氢能战略将成为未来全球能源战略的重要组成部分。

国家能源规划顶层设计出炉

助力氢能赛道能源转型

“双碳”政策方针的指导下，我国能源生产和利用方式发生重大变革，已进入新的发展阶段，绿色、低碳成为经济发展的主旋律，政府工作 告强调要推动能源革命，确保能源供应，立足资源禀赋，坚持先立后破、通盘谋划，推进能源低碳转型。

为加快构建现代能源体系，保障国家能源安全，加速国内能源消费转型和供应体系建设，优化国内能源结构，国家发改委、国家能源局近期先后出台了《“十四五”现代能源体系规划》《“十四五”新型储能发展实施方案》《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》等一系列政策来推动我国能源产业高质量发展，我国推动构建“清洁低碳安全高效”现代能源体系的顶层设计逐渐成形。

《“十四五”新型储能发展实施方案》中明确提出，到 2025 年，新型储能由商业化初期步入规模化发展阶段，新型储能技术创新能力显著提高，氢储能、热（冷）储能等长时间尺度储能技术取得突破。

《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》亦明确指出氢能源是未来国家能源体系中新兴产业重点发展方向，将是推动我国绿色能源低碳转型与实现“双碳”目标的重要载体，是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。《规划》提出，到2030年，形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系，产业布局合理有序，可再生能源制氢广泛应用，有力支撑碳达峰目标实现。到2035年，形成氢能产业体系，构建涵盖交通、储能、工业等领域的多元氢能应用生态。

工业副产氢将在氢能源产业导入期发挥重要的作用

需要明确三个关键

当前我国氢气生产主要在石化、化工、焦化行业，作为中间原料生产多种化工产品，少量作为工业燃料使用。在氢能产业发展初期，依托现有氢气产能提供便捷廉价的氢源，支持氢能中下游产业发展、降低氢能产业起步难度具有积极意义。工业副产氢气是指现有工业在生产目标产品的过程中生成的氢气，目前主要形式有烧碱(氢氧化钠)行业副产氢气、钢铁高炉煤气可分离回收副产氢气、焦炭生产过程中的焦炉煤气可分离回收氢气、石化工业中的乙烯和丙烯生产装置可回收氢气。

氢能的终端使用价格由氢气制备、提纯、储存、运输、加注和终端应用等环节构成，其中 如何获得价格低廉的氢气、 以经济安全的方式储运、 终端使用规模化以及低成本制造，是决定氢能源产业应用规模提升的关键。

#01

焦化副产氢

焦炉气是混合物，随着炼焦配比和工艺操作条件的不同，其组成也会有所变化，焦炉气的主要成分为H2(55%～67%)和CH4(19%～27%)，其余为少量的CO(5%～8%)、CO2(1.5%～3%)、C2以上不饱和烃、氧气、氮气，以及微量苯、焦油、萘、H2S和有机硫等杂质。通常情况下，焦炉气中的H2含量在55%以上，可以直接净化、分离、提纯得到氢气，也可以将焦炉气中的CH4进行转化、变换再进行提氢，可以最大量地获得氢气产品。按照焦化生产技术水平，扣除燃料自用后，每吨焦炭可用于制氢的焦炉煤气量约为200 m3，焦炉煤气中的氢气含量约为56%～59%。

以焦炉气为原料制取氢气的过程中广泛采用变压吸附技术(PSA)。小规模的焦炉气制氢一般采用PSA技术，只能提取焦炉气中的H2，解吸气返回回收后做燃料再利用；大规模的焦炉气制氢通常将深冷分离法和PSA法结合使用，先用深冷法分离出LNG，再经过变压吸附提取H2。通过PSA装置回收的氢含有微量的O2，经过脱氧、脱水处理后可得到99.999%的高纯H2。

我国作为焦化产业大国，焦炉气是重要的能源和化工原料，充分挖掘焦炉气产能，实现利用方式清洁化、产品高附加值化，是该行业重点关注的方向之一。我国每年可供综合利用的焦炉气量约为900亿Nm3，由于近年来环保要求趋严，目前大部分焦炭装置副产的焦炉气下游都配套了综合利用装置，将焦炉气深加工制成天然气、合成氨、氢气以及联产甲醇合成氨等。但由于氢气储运困难，其下游市场局限性较大，目前焦炉气制氢在其下游应用中所占比例较小。

目前，焦炉气直接提氢项目投资较低，比直接使用天然气和煤炭制氢等方式在成本上更具优势，是大规模、高效、低成本生产廉价氢气的有效途径，在我国具备良好的发展条件。同时，焦化产能分布广泛，在山西、河北、内蒙、陕西等省份可以实现近距离点对点氢气供应。

采用焦炉气转化制氢的方式虽然增加了焦炉气净化过程，增加了能耗、碳排放和成本，但氢产量大幅提升，且焦炉气成本远低于天然气价格，相较于天然气制氢仍具有成本优势。未来随着氢能产业迅速发展，氢气储存和运输环节成本下降，焦炉气制氢将具有更好的发展前景。以200万t大型焦化厂为例，可综合利用焦炉气规模为4.6亿Nm3/a。

#02

氯碱副产氢

氯碱厂以食盐水为原料，采用离子膜或石棉隔膜电解槽生产烧碱和氯气，同时可以得到副产品氢气。电解直接产生的H2纯度约为98.5%，含有部分氯气、氧气、氯化氢、氮气以及水蒸气等杂质，把这些杂质去掉即可制得纯氢。我国氯碱厂大多采用PSA技术提氢，获得高纯度氢气后用于生产下游产品。在氯碱工业生产中，每生产1 t烧碱可副产氢气280 m3。

我国氯碱副产氢气大多进行了综合利用，主要利用的方式是生产化学品，如氯乙烯、双氧水、盐酸等，部分企业还配套了苯胺。另外，氯碱副产氢气不仅可以作为本企业的锅炉燃料，还可以销售给周边人造刚玉企业采用焰熔法生产人造蓝、红宝石，或者少量充装就近外售，还有部分氯碱副产氢气会直接排空。据统计，我国氯碱副产氢气的放空约为20亿m3/a，放空率约为20%，造成了氢气资源浪费。以50万t/a的烧碱装置为例，其副产氢气规模约为1.39亿Nm3/a，净化后的氢气产品量约为1.25亿Nm3/a(收率按90%计算)。

氯碱工业副产氢净化回收成本低、环保性能较好、生产的氢气纯度高，经PSA等工艺净化回收后，适用于汽车用燃料电池所需的氢气原料。我国氯碱企业在解决好碱氯平衡的前提下，可进一步开拓氢气的高附加值路径。

在目前的化工副产制氢路线中，氯碱产能的覆盖面较广，其中山东、江苏、浙江、河南、河北以及新疆、内蒙古等省份是主要生产地，此外，在山西、陕西、四川、湖北、安徽、天津等地也有分布。氯碱产业主要生产地与氢能潜在负荷中心重叠度较好，是未来低成本氢源的良好选择，尤其是在氢能产业发展导入期，可优先考虑利用周边氯碱企业副产氢气，降低原料成本和运输成本，提高项目竞争力。氯碱副产制氢成本较低，大型先进氯碱装置的产氢成本可以控制在1.3～1.5元/Nm3区间。

#03

丙烷脱氢副产氢

目前我国共建有13个丙烷脱氢项目，并有多个PDH项目正处于前期工作。“十四五”期间，我国丙烷脱氢项目的丙烯总产能将突破1 000万t/a，副产氢气超过40万t/a。

在已经投产的丙烷脱氢企业中，除了宁波海越新材料有限公司没有配套下游产能，其余企业均有下游配套，多数配套PP(聚丙烯生产)装置，部分配套丙烯酸、丁辛醇、环氧丙烷等化工类下游产品，其中丁辛醇、环氧丙烷和PP等装置都需要消耗一部分氢气。已投产的丙烷脱氢装置开工率按90%计算，扣除企业自用的氢气部分，剩余可销售的氢气产品有十几万吨。以60万t/a的丙烷脱氢制丙烯装置为例，其副产粗氢气规模约为3.33亿Nm3/a。当丙烷脱氢装置富氢尾气价格在0.6～1.0元/Nm3的范围内波动时，相应净化后的氢气产品(纯度≥99.999%)单位完全成本为0.89～1.43元/Nm3，即经PSA分离提纯后精制氢气成本增加0.3～0.4元/Nm3。按1元/Nm3的价格计算，则60万t/a的丙烷脱氢制丙烯装置每年可增加收入约3.33亿元，同时下游市场可获得价格为1.43元/Nm3的低成本氢气。

预计到2030年前，我国工业副产氢将成为在完成绿氢替代前培育氢能终端市场的重要过渡手段，并通过引入CCUS等技术，使工业副产氢成为真正的“蓝氢”。通过提升工业副产氢在能源领域的应用比例，将显著提升工业副产氢气的经济价值。同时，通过氢能源对化工、钢铁等行业的改造，助力传统行业转型升级，实现一定规模的节能降碳效果。

DT新材料将在 宁波举办 《2022气体分离产业大会》。会议将邀请国内CCUS碳捕集示范项目专家、膜分离技术、气体吸附材料和新型气体吸收技术领域的相关学者和企事业单位代表莅临宁波，分享气体吸附分离技术和产业相关科技成果，会议特设 “氢气分离”主题会场， 助力工业副产氢气分离发展及产业化！ 日程嘉宾已定，就等您来！

01

大会背景

气体分离是能源及化工系统中不可或缺的核心技术，是进一步提高转化效率、降低污染物排放的关键所在。“十三五”以来，气体分离行业保持了较快发展速度和较高景气度，产品产量、利润总额等整体呈快速上升趋势， 气体分离市场前景广阔。

与此同时， 双碳政策、氢能源、化工分离提纯、工业尾气治理也驱动气体分离要求快速增长。随着技术的发展和学科之间的不断交叉，以及更多的产品正在实现从研发到实际应用的转变，对产品的质量和要求也在不断地提高。分离技术也在不断地向低能耗、高效率、低成本、少污染发展。相关企业、科研机构正在积极探索相关技术和产品，助力发展二氧化碳捕集、氢能源及VOCs治理，提升生态环境整体质量，降本增效。

为针对性的提高能化企业在工业尾气相关领域的解决能力，分享先进的回收技术、气体净化分离技术、尾气治理技术等新工艺与新设备，促进行业低碳绿色发展， DT新材料将在 宁波举办 《2022气体分离产业大会》。会议将邀请国内CCUS碳捕集示范项目专家、膜分离技术、气体吸附材料和新型气体吸收技术领域的相关学者和企事业单位代表莅临宁波，分享气体吸附分离技术和产业相关科技成果，加强产学研和上下游合作与交流，推动气体吸附分离领域创新发展。

02

大会组织

主办单位

DT新材料

承办单位

宁波德泰中研信息科技有限公司

支持单位

中国科学院山西煤炭化学研究所

天津大学

中能建数字科技集团

中国矿业大学

天津工业大学

战略合作伙伴

环境人、空分之家、离子液体

03

大会概况

日程规划：（暂定）

04

告嘉宾（排名不分先后）

05

联系方式

参会联系：

张丹

联系我们，获取会议最新资讯

侯张霞

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徐蕾

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申请 告及其他事宜联系：

李怀宇

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刘思明，石乐.碳中和背景下工业副产氢气能源化利用前景浅析[J].中国煤炭，2021，47(6)：53-56.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.06.008

中国氢能产业顶层规划落地，未来或成万亿蓝海市场

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