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氯碱企业副产氢气用于氢燃料电池现状及前景分析
来源:山西省煤化工发展促进中心
时间:2019/9/17

氯碱企业副产氢气用于氢燃料电池现状及前景分析

进入新世纪,国内化工技术水平发展迅速,社会各界对能源的环保程度尤为重视。在这样的背景下,氢能源成为了全球能源发展与节能减排的最终目标。氢能源具有五大特点:一是应用广泛;二是能量转化效率极高;三是蕴含大密度能量;四是节能环保;五是全球储量丰富。氢能源是近年来全球大力推行的一种新型清洁能源,在能源应用领域中,更是受到社会各界的青睐。在应用方面,当前以氢燃料技术为基础的氢燃料电池逐渐得到了国人的关注,尤其在新能源汽车的应用领域中,有着广阔的发展空间。在未来,氢能源基础设施逐渐完善后氢能源产品的应用范围空间会更大,普及度会更高,这也就对国内氯碱企业的发展速度与技术水平提出了更高的要求。通过调研来看,当前国内绝大多数氯碱企业只是单纯进行主产品的生产经营,对生产过程中产生的氢气利用率极低。除了用于盐酸合成、生产部分化工产品及作为燃料外,有很大一部分直接排放,造成资源极大的浪费,无法发挥氢气巨大的经济效益。

     1氯碱企业副产氢气利用现状

     氯碱生产是对饱和氯化钠溶液运用电解的方法来制取氢气、氯气与烧碱,并以此为生产原材料来进一步加工下游其他化学品。

     目前,氯碱行业虽然制氢的企业不在少数,技术 也逐渐成熟。但从调研数据显示来看,国内氯碱企业的副产品空放率还居高不下,制氢工作还得不到生产企业的重视。2018年全国烧碱总产能4 259t,总产量3 420t,其中,氯碱企业每副产0025 t氢气,大约需要生产lt烧碱来获得。如果氢气的空放率按30%来计算,2018年全年国内氯碱企业有不于25t的氢气被浪费。而以每辆氢燃料电池车单日消耗5 kg氢气的用量来看,被浪费掉的氢气足够7万辆氢能源汽车行驶2年。

当前有效利用氢气实现应用的途径有以下几个方面:一是通过氢能源的氢燃料电池技术来设立氢能发电厂;二是直接当做燃料来使用产生蒸汽;三是通过回收利用储藏为高纯压缩氢气进行销售四是用于有机物与化工产品精细化工合成产业:五是用于石油加工行业中的石油加氢裂化环节;六是当做原料来生产合成氨。在这几种应用途径里,石油加工行业与制氨行业的需求量是最大的,但受投资大、效益低、下游产品少、无法形成有效产业链条等原因的影响,始终未能获得相关企业的认可。从这种局面来看,全力发展氢能源电池技术,开拓氢电池汽车市场,是当前开发利用氢气的有效途径与方向。   

2、氢燃料电池的氢气来源

氢燃料电池的氢气来源氢气可以通过许多能源中来制备获取。当前的技术手段也十分成熟。从目前来看。制备来源依照环保要求与成本因素分析分为以下5种。

1化工原料制氢

  在化工原料制氢中,最常见的是利用甲醇.其主要有3种方式:甲醇部分氧化、蒸汽甲醇重整和甲醇裂解。甲醇裂解的方式受其原料充足与使用范围宽泛的优势。具有一定竞争力。甲醇裂解的制氢方式与石油、天然气、水煤制氢等手段比较,其能源消耗更低,资本投入更少。而和水电解法制氢的方式对比,其制氢的单耗成本更低。但在成本方面与氯碱制氢的方式相比,高出约50

   (2 ) 石油资源制氢  

  石油资源制氢的途径中,主要分为天然气与煤2种技术方法。煤制氢技术最主要的弊端就是碳排放量巨大,污染严重。天然气制氢有4种方式,分别为绝热式裂解催化、自发热重整、部分氢化与水蒸气重整。从成本上来说,天然气的裂解制备技术方式的单位成本可以有效控制在9~17元/kg,和其他制备手段相比具有很大的优势。但这种技术手段的实施需要单独设立生产线,单独配备人员,这就直接导致了制氢项目的前期资金投入十分巨大,严重影响生产企业的经济效益,最终导致这种模式无法有效落地实施。  

3水电解法制氢  

水电解法制氢技术手段具有碳排放量低、污染小、能量转化率高的优势。尤其是在能量转化率方面,其借助自然资资源,例如风力、潮汐能、水利设施等,转化率可以突破70%,制氢效率极高。但这种制氢方式的单耗成本为27-40元/kg是这5制氢手段中成本最高的。造成这种高成本的原因主要受技术水平与电力的制约。在未来,随着发电技术不断成熟,技术不断革新,水电解法这种模式解决成本的困扰,会成为主要的制氢技术手段。

    (4)水煤气法制氢

    该方法在这5种制氢模式中适用的范围最大;单耗成本也是最低,但水煤气法制氢最大问题在于成品中的硫含量非常高。产生的二氧化碳数量十分巨大,给全球环保带来严重的负面影响;另一方面,这种含硫较高的氢气无法应用于氢燃料电池,会直接导致电池中的催化剂产生中毒反应。加入对水煤气法制出的氢气进行脱硫处理.那又会使成本上升很大一截。同时技术要求也会更加严格复杂。因此,这种方法可以有效制氢,但在节能环保的思想下,无法进一步实现应用。

  5)绿碱制氢

     这种方法最大的优势在于节能环保,并且产出的氢气纯度高。从单耗成本上来看,这种工艺的制氢成本适中,但由于所产氢气是副产品,综合前期投入和综合效益来看,成本具有一定优势。而最重要的是,这种工艺与氢燃料电池的匹配度很高,可以有效实现应用。 通过对以上5种制氢工艺的分析可以看出目前制氢手段较为成熟,制氢技术种类多样化,氢气的供应量也可以满足需求。但目前所缺少的是成本低、污染小的制氢办法,从现在几种方式来看,氯碱制氢的工艺最为可行,其兼具了环保、成本、纯度、 产量等多方面的要求,是氢能源电池技术继续规模化发展的主要原料。  

    3国内加氢站与氢燃料电池现状及未来前景

    氢燃料电池是一种利用电解水的逆反应原理,将化学能转化为电能的设备,原理过程具体分为3步:第一步是将氢供给到阳极,氧供给给阴极;第二步是电解质与扩散的氢产生反应;第三步释放出电子,并通过负载输送至阴极。这种电池充放电循环十分环保,废弃物是纯水,不附带任何有毒物质。此类电池具有转化率高、噪声低、零污染的特点,发电效率超过80%。  

    这种新型电池最重要的应用为氢能源汽车。经过有效数据调研与相关机构的预测,到二十一世纪二十年代,国内的氢能源汽车保有量将突破一万辆,总产值会接近3000亿元,加氢站的总量会达到100个。而这三个数字在2030年左右分别会达到保有量200万辆,总产值一万亿元,加氢站1000个。

另一方面,当前氢能源电池的发展也面临着几大难题:第一是氢气产品的售价过高;第二是氢能源汽车的制造成本很高,消费者很难购买;第三是加氢站配套设施数量严重不足。但是在未来,这些问题会随着技术的革新、国家的扶持、产业链的建立的措施一一解决,尤其是各类自然资源电力设施的不断普及,氢能源电池的未来前景更加光明。


 

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