因地制宜 焦炉煤气制氢！河北省这样做

近日，河北省发展和改革委员会等部门印发《河北省推进氢能产业发展实施意见》提出，以培育壮大氢能产业为目标，要率先将河北打造成为全国氢能产业创新发展高地。河北将主要围绕制氢、储运加、燃料电池、应用示范和产业集聚发展，推动氢能产业高质量发展。

《意见》中明确支持唐山、邯郸等地钢铁、化工等企业重点研发利用工业尾气高效低成本制氢，提高深冷储氢、用氢及纯化技术。支持工业企业开展氢能应用示范，支持河钢集团、峰峰集团、旭阳焦化等工业企业，以“就近制取、就近使用”为原则，加强资源综合利用，加快布局建设工业副产气制氢项目，着力提高工业副产氢提纯技术。同时以职工通勤车、物流车和载重货车为切入点，配套建设制氢工厂和加氢站，大力推进燃料电池重载汽车示范，形成可复制的商业模式推广。

自2015年以来，煤炭、焦化、钢铁等行业逐步回归理性，焦化企业经历了一场落后产能淘汰与产品结构优化的重大变革。随着氢能和燃料电池的发展，开辟了焦炉煤气新的利用方向。

我国是焦炭产量最大的国家，2017年我国焦炭产量 43142.6 万t，其中约三分之一产自钢铁联合企业，全年副产焦炉煤气约1000亿m3。目前部分有效地利用，部分作燃料，还有约 20% 还处于放散状态。炼焦过程中释放的焦炉煤气中富含氢气(氢含量55%左右)，焦炉煤气制氢是目前可实现的大规模低成本高效率获得工业氢气的重要途径。而我国晋、冀、豫几省是资源大省和焦化大省，氢源非常丰富，如何高效、合理地利用是关系环保、资源综合利用和节能减排的重大课题。

1氢燃料电池氢气标准

氢燃料电池电极采用特制多孔性材料制成，它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面，还要对电池的化学反应起催化作用，因此对氢气中的杂气净化提取要求很高，个别杂质组分更苛刻。其中 CO、CO2、CH4等含碳化合物对电池电极造成不可逆的碳蚀等永久性损坏。氢燃料电池的氢气技术指标符合表1。

表1 氢气标准

2焦炉煤气成分

焦炉煤气由于含有多种杂质组分， 如粉尘、焦油、萘、苯、硫化物、氨及 HCN 等杂质组分，在利用或进入变压吸附提纯氢气之前必须除去，以消除对后工序催化剂或吸附剂的影响。焦炉煤气主要成分见表2。

表2  焦炉煤气成分

3主要制氢方式

焦炉煤气常用的提氢的手段有膜分离提氢技术、深冷分离提氢技术与变压吸附（PSA）提氢技术三大类。

01 | 膜分离提氢技术

膜分离技术的原理是膜的选择透过性，即在分子水平上，不同粒径的分子混合物在通过半透膜时，大于膜截留分子量的物质分子无法穿过膜而流回料罐，小于膜截留分子量的物质或分子则通过膜形成透析液。但在工程操作中，由于泵加压后液流截面的不均匀性，一些透过膜速度慢的物质也会少量渗透到膜的富氢侧。膜分离提氢技术产品纯度一般在85%~99% 之间，氢气回收率为65%~80%。

02 | 深冷分离提氢技术

深冷分离技术是利用不同气体冷凝点的不同，从而逐级液化混合气体以达到气体分离效果的工艺技术。在焦炉煤气的深加工中，深冷分离很少单独应用于氢气的分离提纯，多是用于与甲烷气体同时分离提纯的场景，其氢气产品纯度可达85% 以上，回收率可达95% 左右。但由于诸如氮气、甲烷等气体的液化温度均很低，因此在气量大时，深冷分离装置需要提供大量的冷能，以完成目标气体的液化工作，耗能非常高，除此之外由于液化气体温度极低，因此在管道材质及保温材料上的投资也很高。

03 | 变压吸附提氢技术

变压吸附提氢技术是近年来逐步发展起来的一种气体分离工艺技术，利用吸附剂在不同压力下对不同物质的吸附能力的不同而达到气体分离净化目的的技术，以其自动化程度高，能耗低等优点逐步增加自身市场份额，并且在提氢、脱碳等气体分离领域均有着广泛的使用。

变压吸附技术由于能耗低、自动化程度高、产气速度快，对原料气净化程度要求低等优势，在焦化厂中得到了广泛应用，其产品气纯度最高可达99.9%，但回收率在60%~90%。在部分生产线中，为了稳定产品氢纯度，也有在变压吸附工序后串接膜分离工艺的生产线。

此外，甲烷、甲醇转化制氢以及天然气制氢在工业中也已广泛应用，不再一一说明。

4制氢成本分析

有统计数据显示，我国已经是世界第一大制氢国，现有煤气化制氢约1000万吨，天然气制氢300万吨以上，石油制氢300万吨，工业副产氢约800万吨，电解水制氢100万吨。由下表可知，不同的制备方式制氢成本各有不同，详见表3。

表3  常见制备方式及制氢成本分析

由表3可知，从成本看，煤焦化制氢和煤气化制氢同样具备优势。根据煤种不同，规模化煤制氢成本已可控制在0.8元/m3上下，有项目甚至低到0.4-0.5元/m3。相比至少2元/m3的天然气制氢，及成本更高的电解水制氢，前者经济性突出。 

据了解，国家能源集团（原神华集团）已经建成的80台煤气化炉，若用来为燃料电池车辆供应氢气，则每年可生产氢气400万吨，可以为4000万辆车提供动力。石油和化学工业规划院能源化工处副总工程师韩红梅在受访时也曾表示：“一个规模200万吨/年的焦化厂，用5%的外送焦炉气加工成氢能，就可满足100辆出租车、300辆公交大巴、100辆物流车的供应。”

5总结

据预测，到2050年，氢能约占全球能源消耗总量的20%，氢产业链年产值将达2.5万亿美元。巨大的市场潜力和发展前景将吸引更多企业加大对氢能的投入。目前国内氢能的商业化应用才刚刚起步，尚未形成完整的产业链与行业分工，在氢气制取、运输、存储、利用等各个环节都存在市场空间，为焦化企业介入氢燃料产业链提供了良好的发展机会！