液氢会成为下一代清洁能源吗？

2012年元月一日起，所有非欧盟国家的飞机进入欧盟25国的任何机场，都必须向欧盟缴纳温室气体排放税。10年内，我国的航空公司要为此多支付180多亿。

这是一种歧视性税种，截至六月一日，我国航空公司表示，不会考虑缴纳。排除中国与欧盟的政治因素，反过来理解，这未尝不是人类在为减少温室气体的一种尝试和努力！

人类的飞行所排放的温室气体，占人类所有工业化带来的温室气体的3%，尽管这在整个排放比例中不是很高，但是欧盟和美国在航空业所做的努力，不得不让人承认，他们又走在了前面。

2009年，美国UOP推广一种用亚麻荠油制成的航煤，与石化航油混合的飞行试验，开启了人类利用生物能源在航空业的先河！中国石油今年表示要与UOP合作，用麻疯树油炼制生物航煤。在中国耕地日益减少的今天，人类都面临缺少粮食，哪来的耕地去种植能源作物？所以，这仅仅可以理解成是在中国的一种尝试，万万不可跟风和炒作，不然，不知道我们又有多少企业要交学费，玩玩，千万不要当真！

那么液氢，这种零排放的清洁燃料，可不可以为航空业减排，做出示范呢？我国能不能先行一步呢？

氢气的来源

氢气，水经过电解，就产生氢气和氧气；反之，氢气和空气中的氧气反应，就生成水，放出大量热量，基于这个原理，氢气就可以成为燃料。

我们知道，氢气的液化温度是-253度，在一个标准大气压下，氢气被压缩冷却成液氢；实际工程应用中，大多选用类似LNG工艺，采用多级混合致冷，在1.32M的压力下，氢气的液化临界温度-239.96度，可以被液化成液氢。高于此温度，就不会出现液氢了。

液氢的密度大概在每立方70.8千克，液化一立方液氢，需要标准状态下的氢气783立方左右，一吨液氢可以气化成11111立方氢气。

单位重量的液氢的热值是LNG的2.42倍，汽油2.72倍，因此，液氢作为飞机燃料，将有着航煤无法比拟的优势-起飞重量轻。

氢气的来源可以是以下几种途径：

1.化石燃料气化：

A.甲烷（天然气）蒸汽重整；

B.石脑油重整；

C.煤气化

2.水电解制氢

目前，从化石燃料制氢气，成本要低于水电解制氢。在中国，煤多油少，天然气也比较稀缺，那么从煤制氢气，将是未来的发展方向！

煤制氢气，工艺路线大致如此：

1.煤气化（gasification)，制成合成气（Syngas)，主要成分是一氧化碳和氢气，也叫Hyco（Hydrogen+CO).

2.合成气净化，除去一氧化碳、二氧化碳和硫化氢等杂质气体，可以得到99.99%的纯氢。

3.分离出一样化碳，再和水蒸气反应，得到二氧化碳和氢气，反应式为：

CO+H2O=CO2+H2.

循环净化和分离工艺，可以提高氢气产率，降低单位成本。

煤制氢气再液化成液氢

去年一个偶然的机会，陪中石油昆仑能源（江苏）公司的几位老总，去拜访江苏最大的钢铁企业，了解企业目前的焦炉煤气使用状况，当时考虑将煤气中的氢气、甲烷分离出来，分别液化，并计算了经济效益。事后，写了一份简单的经济分析报告。考虑到这么大量的氢气生产出来，没有去处，储存也不安全。

中石油也没有进一步的意向，此项目暂时搁浅。

去年末今年初，开始研究煤制天然气的技术和市场，重新接触合成气（Syngas），也就是含有氢气、甲烷、一氧化碳和二氧化碳的混合气体。甲烷化就是将混合气体中的一氧化碳、二氧化碳和氢气充分反应，最大限度地提高甲烷的产率，然后再提纯甲烷，作为煤制天然气（SNG）。

了解到氢气的液化工艺后，我开始思考，为什么不能直接利用煤制混合气中的氢气和甲烷，分离后分别液化成LNG和LH2呢？省去甲烷化的工艺和投资，是不是更符合企业利润最大化呢？

这需要进一步比较这两种工艺路线的效益（投资、产品产率、价格、市场等），神华集团2007年建成世界上最大的氢气装置，日产氢气626吨，纯度到99.5%，为建大型液氢装置，提供了样板！

煤气化的成本大概0.422元/立方，每立方合成气（Syngas）中含有35-38%的氢气，经过CO变换反应后，混合气体中，氢气含量高达80%；这样分离出氢气成本在0.7元/立方，按液化天然气行业平均液化成本0.39元/立方比较，液化氢气温度低，按0.5元/立方计算，液氢的成本在1.2元/立方左右，成本还是很有诱惑力的！

降低液氢的生产成本

前面所述，煤制氢气，再液化成液氢将是最经济的工艺路线，含煤气化、CO变换反应、酸性气体脱除、氢气提纯、氢气液化五步工艺流程。

煤气化技术目前为多家跨国公司拥有，中科院大连理化所和山西煤化所也拥有自主知识产权的气化技术。GE、Shell和GSP的专利是目前经验证，技术最可靠，最有发展前景的技术，还有Lurqi、SES等气化技术。

一氧化碳的变换是指煤气借助于催化剂的作用，在一定温度下，与水蒸气反应，一氧化碳生成二氧化碳和氢气的过程。通过变换反应既除去了煤气中的一氧化碳，又得到了氢气。因此，变化工段既是转化工序，又是净化工序。

从煤气化工段的工艺气中发现，除了含有CO，H2和CO2外，还含有大量多余的CO2及少量H2S、COS、SO2等成分，这些碳的氧化物和硫化物必须除去。另外，硫化物通过克劳斯工艺生产硫磺，CO2可以回收送尿素厂合成尿素，提高经济效益变废为宝。

合成气中的酸性气体脱出有以下几种工艺：

1.硫化物脱出：分为干法脱硫和湿法脱硫；

2.二氧化碳脱出：分为物理方法和化学吸收法。物理法可以有两种选择，一是：碳酸丙烯酯溶液，二是：低温甲醇洗。

化学法：分为热碳酸钾法和MDEA法。

如果混合气体中含有少量氧气，必须用催化剂发生化学反应，将之烧掉。

由于液氢是在-240度左右和1.32M的压力下，被压缩致冷生成，其他气体都已经结冰，系统中的水蒸气必须脱出至1PPM以下。

有时，混合气体中还含有少量氮气，在-240度的系统温度下，氮气也会被液化，和结冰，堵塞管道和冷箱，造成系统无法运转，必须除去。

目前生产液氢，带液氮预冷膨胀机液化循环。还有节流循环和液氦循环液化工艺。前者适合大型制液氢，能耗也最低。

科学家正在开发其他冷剂，这将进一步降低液氢的生产成本。

随着技术的不断进步，航天科技中，运用的固体氢做燃料技术，会逐步被移植到航空、车辆和轮船。这一天，随着煤气化制液氢和固态氢技术的进步，会很快到来！（文 | 郑继华）