李龍輝，李 娟，劉 濤，姜楠楠，張 辰

（山東濱華氫能源有限公司，山東 濱州 256600）

氫能是一種來(lái)源廣泛、清潔無(wú)碳、靈活高效、應(yīng)用場(chǎng)景豐富的二次能源，在國(guó)家提出“3060”雙碳目標(biāo)后，氫能成為能源技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向，也是能源綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要載體。

1 “碳達(dá)峰、碳中和”背景

中國(guó)2030 年碳排放的峰值約140 億t，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005 年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費(fèi)的比重將達(dá)到25%。非化石能源部分則以光伏、風(fēng)能、化學(xué)能等能源方式進(jìn)行填補(bǔ)。2021 年以來(lái)，中國(guó)關(guān)于支持風(fēng)電、光電、氫能源等的發(fā)展政策密集出臺(tái)，光伏和風(fēng)電的裝機(jī)規(guī)模急速擴(kuò)大，但當(dāng)前電力面臨供需實(shí)時(shí)平衡以及難以大規(guī)模儲(chǔ)存的問(wèn)題，大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電并網(wǎng)加劇了電力系統(tǒng)供需兩側(cè)的雙重波動(dòng)性與不確定性，隨著未來(lái)可再生能源發(fā)電占比的進(jìn)一步提升，如何將可再生能源產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定可儲(chǔ)存的形式成為首要問(wèn)題。氫能是兼具清潔與高效儲(chǔ)能載體的雙重角色，通過(guò)將風(fēng)能、光伏等能源轉(zhuǎn)化為氫能，氫能更低的儲(chǔ)能成本、與儲(chǔ)電互補(bǔ)、靈活的制儲(chǔ)運(yùn)方式等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)可再生能源大規(guī)模跨地域、跨季節(jié)周期儲(chǔ)存、運(yùn)輸，成為當(dāng)前領(lǐng)域的最佳整體解決方案。

《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035 年）》于2022 年3 月23 日正式發(fā)布，對(duì)中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展發(fā)揮重要指導(dǎo)作用。

2 氯堿副產(chǎn)氫現(xiàn)狀分析

氯堿行業(yè)通過(guò)電解飽和食鹽水，制取氫氧化鈉和氯氣、氫氣，產(chǎn)生的氫氣一部分作為原料參與化工生產(chǎn)，一部分作為燃料直接燃燒，一部分被直接放空，這些氫氣的利用兼具經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，副產(chǎn)氫氣，純度在99%以上，基本不含有使氫燃料電池中毒的硫、碳、氨等雜質(zhì)。

2020 年國(guó)內(nèi)氯堿行業(yè)副產(chǎn)氫氣91 萬(wàn)t，副產(chǎn)氫氣自身率達(dá)到83%，外售量占14%。全國(guó)氯堿生產(chǎn)企業(yè)通過(guò)凈化工藝生產(chǎn)燃料電池氫的企業(yè)有20 余家，產(chǎn)能達(dá)到41 000 t/a。

中國(guó)氯堿工業(yè)應(yīng)用電解飽和食鹽水制燒堿，反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣豐富，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年放空的氯堿副產(chǎn)氫約占3%，造成了資源浪費(fèi)。氯堿副產(chǎn)氫經(jīng)過(guò)PSA 或TSA 技術(shù)凈化回收，技術(shù)成熟，且成本低、品質(zhì)好、綠色環(huán)保，凈化后氫氣滿(mǎn)足氫燃料電池汽車(chē)用氫氣標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)可以用于儲(chǔ)能、電力等領(lǐng)域，替代石油、天然氣，是減碳降稅、推動(dòng)雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的有效途徑。氫能是解決移動(dòng)交通脫碳的非常好的途徑，因此，氫能在交通方面發(fā)展相對(duì)較快，是氫能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的先導(dǎo)領(lǐng)域。2020 年11 月，國(guó)務(wù)院發(fā)布《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035 年）》，強(qiáng)調(diào)推進(jìn)氫燃料供給體系建設(shè)，因地制宜開(kāi)展工業(yè)副產(chǎn)氫及可再生能源制氫技術(shù)應(yīng)用，推進(jìn)加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，攻克氫能儲(chǔ)運(yùn)、加氫站、車(chē)載儲(chǔ)氫等氫燃料電池汽車(chē)應(yīng)用支撐技術(shù)。2021 年8 月，國(guó)家五部委（財(cái)政部、工業(yè)和信息化部、科技部、國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局）聯(lián)合批準(zhǔn)北京、上海、廣東首批氫燃料電池汽車(chē)示范城市群，4 年期間，五部委按照城市目標(biāo)任務(wù)完成情況，通過(guò)“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”的方式給予獎(jiǎng)勵(lì)，推動(dòng)氫能在交通方面的規(guī)?；瘧?yīng)用，有利于氫能產(chǎn)業(yè)鏈的不斷延伸。

當(dāng)前可再生能源制氫還未規(guī)模化發(fā)展，在氫能源發(fā)展初期，氯堿副產(chǎn)氫對(duì)于快速培育氫能終端市場(chǎng)，加速形成制、儲(chǔ)、運(yùn)、加、用的氫能生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈有基礎(chǔ)保障作用，是進(jìn)入綠氫時(shí)代前的理想氫氣資源。

3 氯堿副產(chǎn)氫用途分析

當(dāng)前社會(huì)主要利用化石能源作為原料制備氫，氫作為化工、冶金等生產(chǎn)過(guò)程物料加以利用[1]。隨著大氣環(huán)境以及能源結(jié)構(gòu)的變化，氫氣作為能源受到更多研究和應(yīng)用。

3.1 氫燃料電池汽車(chē)用氫氣

氫燃料電池是一種化學(xué)電池，利用H2和O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成H2O 時(shí)釋出的能量，將其變換為電能。也可以說(shuō)，氫燃料電池是一種利用水的電解反應(yīng)的逆反應(yīng)的 “發(fā)電機(jī)”。工作時(shí)向負(fù)極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（空氣，起作用的成分為氧氣）。氫在負(fù)極分解成正離子H+和電子e-，氫離子進(jìn)入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負(fù)載就接在外部電路中。在正極上，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達(dá)正極上的電子形成水。即水的電解反應(yīng)的逆過(guò)程[2]。

目前，燃料電池汽車(chē)用燃料氫氣現(xiàn)行國(guó)標(biāo)為GB/T37244—2018，國(guó)標(biāo)中要求了13 項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)。電解飽和食鹽水得到的氯堿副產(chǎn)氫氣純度達(dá)到99.5%，雜質(zhì)元素非常少。是比較優(yōu)質(zhì)的原料氫氣，通過(guò)凈化，達(dá)到燃料電池汽車(chē)用燃料氫氣標(biāo)準(zhǔn)是比較容易實(shí)現(xiàn)的。

在將氯堿副產(chǎn)氫氣提純?yōu)槿剂想姵貧錃獾墓に嚰凹夹g(shù)方面，濱化集團(tuán)股份有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)濱化集團(tuán)）有較為成熟的應(yīng)用。起初，氯堿副產(chǎn)氫氣主要用作固堿熔鹽爐燃料，少量放空；后續(xù)根據(jù)公司新能源領(lǐng)域的規(guī)劃，增加了氫氣凈化充裝裝置，將副產(chǎn)氫氣提純后進(jìn)行銷(xiāo)售，主要工藝流程為：來(lái)自公司氯堿裝置的副產(chǎn)氫氣，經(jīng)活塞式壓縮機(jī)一段加壓后，通過(guò)脫氯、脫氧、等壓變溫吸附（TSA）、等溫變壓吸附（PSA）進(jìn)行提純，除去水、氮、硫、氨、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等雜質(zhì)，通過(guò)隔膜壓縮機(jī)二段壓縮充入管束式集裝箱（長(zhǎng)管車(chē)）內(nèi)外售。

濱化集團(tuán)通過(guò)深挖技術(shù)、開(kāi)拓市場(chǎng)，對(duì)氫氣凈化充裝裝置進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)，拓寬銷(xiāo)路，至2022 年上半年，已形成了9 000 m3/h 產(chǎn)能的生產(chǎn)裝置向客戶(hù)提供氫氣，產(chǎn)品氫氣純度可以達(dá)到99.999%，同時(shí)符合《GB/T37244—2018 質(zhì)子交換膜燃料電池汽車(chē)用燃料氫氣》 燃料氫、《GBT3634.2-2011 氫氣第2 部分:純氫、高純氫和超純氫》中高純氫的標(biāo)準(zhǔn)。燃料電池用氫氣合格標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 燃料電池用氫氣合格標(biāo)準(zhǔn)

在裝置生產(chǎn)中，制約安全穩(wěn)定生產(chǎn)的是設(shè)備問(wèn)題和氫氣泄漏問(wèn)題。其中隔膜式氫氣壓縮機(jī)因工作原理為工作油通過(guò)膜片推動(dòng)氫氣壓縮，確保工作油和介質(zhì)隔絕從而保證產(chǎn)品氫氣純度不受污染，膜片作為關(guān)鍵部件，對(duì)材質(zhì)、加工精度、工況、介質(zhì)潔凈程度要求較高，易發(fā)生故障，需半年左右檢查更換。雖然活塞式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造工藝成熟、故障率低，但由于PTFE 無(wú)油潤(rùn)滑填料不能耐受較高壓力，高壓活塞壓縮機(jī)必須使用潤(rùn)滑油對(duì)填料進(jìn)行潤(rùn)滑導(dǎo)致氫氣含油，對(duì)燃料電池的損害較大；雖然有部分裝置采取機(jī)后增加精密油過(guò)濾器的方式對(duì)氫氣進(jìn)行進(jìn)一步提純除油，但仍存在一定風(fēng)險(xiǎn)，不推薦充裝燃料氫使用，建議仍然選用隔膜壓縮機(jī)、潔凈可靠。另外氫氣凈化充裝裝置中法蘭連接、卡套連接、螺紋連接等密封點(diǎn)較多，氫氣最高壓縮至20 MPa，高壓氫氣介質(zhì)易泄漏，為保證生產(chǎn)安全，必須加強(qiáng)對(duì)隔膜壓縮機(jī)的各連接點(diǎn)、高壓充裝管線(xiàn)、裝車(chē)軟管的日常檢查維護(hù)，定期進(jìn)行試漏消缺。

等壓變溫吸附（TSA）、等溫變壓吸附（PSA）氫氣凈化提純工藝在濱化集團(tuán)均成功應(yīng)用，具備不同的優(yōu)缺點(diǎn)，后續(xù)行業(yè)內(nèi)可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景選擇。其中等壓變溫吸附（TSA）收率接近100%，但僅做除水之用，需搭配額外凈化提純手段除去雜質(zhì)；等溫變壓吸附（PSA）可除去水、氮等多種雜質(zhì)，產(chǎn)品氫氣純度可達(dá)99.999%以上，但因解吸氣的存在收率較低，需對(duì)進(jìn)一步提高PSA 收率、解吸氣回用等課題進(jìn)行深入研究。

目前，燃料氫的運(yùn)輸方式主要是長(zhǎng)管車(chē)運(yùn)輸，一般充裝壓力在20 MPa，成本按照25 元/kg 計(jì)算，一車(chē)燃料氫售價(jià)在10 500 元（燃料氫氣售價(jià)35 元/kg，一車(chē)氫氣裝300 kg），毛利潤(rùn)為3 000 元/車(chē)，氫氣運(yùn)費(fèi)為8.5 元/km（往返運(yùn)費(fèi)），運(yùn)輸距離超過(guò)175 km時(shí)，氫氣銷(xiāo)售沒(méi)有利潤(rùn)。與氫氣來(lái)源、價(jià)格、運(yùn)輸距離、車(chē)輛價(jià)格與技術(shù)發(fā)展等因素有關(guān)，這些因素限制了氫燃料電池汽車(chē)的規(guī)?；l(fā)展，需要依靠政府推動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)氫能交通的快速發(fā)展。2021 年8 月，國(guó)家五部委批準(zhǔn)了全國(guó)第一批燃料電池汽車(chē)示范城市群，采用“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”的方式鼓勵(lì)氫能交通應(yīng)用發(fā)展，4 年示范期間要求示范城市群完成：車(chē)用氫能終端售價(jià)不超過(guò)35 元/kg，符合技術(shù)指標(biāo)的車(chē)輛推廣規(guī)模超過(guò)1 000 輛，建設(shè)并投入運(yùn)營(yíng)的加氫站超過(guò)15座的目標(biāo)。當(dāng)前氫燃料汽車(chē)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，氫燃料電池汽車(chē)數(shù)量快速增長(zhǎng)，同時(shí)，各省市在不斷布局加氫站，推動(dòng)氫能交通發(fā)展。

加氫站建設(shè)情況見(jiàn)圖1 和圖2。

圖1 截止2021年6月中國(guó)加氫站建設(shè)情況

圖2 截止2021年6月9省市加氫站建設(shè)情況

3.2 氯堿副產(chǎn)氫在摻氫天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用

氯堿副產(chǎn)氫可以與天然氣摻雜形成摻氫天然氣，摻氫天然氣最初作為內(nèi)燃機(jī)的低碳燃料被研究[3]，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家提出利用現(xiàn)有天然氣管道運(yùn)輸摻氫天然氣。摻氫天然氣燃料，降低燃燒的碳排放；同時(shí)避免了重新鋪設(shè)氫氣管道建設(shè)的高額成本。摻氫天然氣通過(guò)現(xiàn)有天然氣網(wǎng)絡(luò)覆蓋終端用戶(hù)，這種低碳燃料應(yīng)用場(chǎng)景豐富，潛在市場(chǎng)巨大。摻氫天然氣可直接為家庭提供燃?xì)?，可以通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)實(shí)現(xiàn)家庭供電供熱、供天然氣車(chē)輛使用，另外，將摻氫天然氣的氫氣分離出來(lái)，可以為加氫站供氫，也可以直接給分布式燃料電池發(fā)電設(shè)施供電。這種低成本且高效的氫氣運(yùn)輸方式，為氫氣的應(yīng)用場(chǎng)景打通了路徑，有望成為氫能應(yīng)用的關(guān)鍵引擎。摻氫天然氣相關(guān)技術(shù)路線(xiàn)圖見(jiàn)圖3。

圖3 摻氫天然氣相關(guān)技術(shù)路線(xiàn)圖

3.3 氯堿副產(chǎn)氫在氫能冶金領(lǐng)域的應(yīng)用

氯堿副產(chǎn)氫在氫能冶金領(lǐng)域也有非常好的應(yīng)用潛力。鋼鐵行業(yè)是能源密集型流程工業(yè)，是溫室氣體排放大戶(hù)。氫冶金的基本反應(yīng)中氫氣充當(dāng)了還原劑且產(chǎn)物是水，二氧化碳的排放量為零。氫氣在冶金中的應(yīng)用是鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)脫碳的非常好的方式，目前受制于氫氣的大規(guī)模制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)葪l件的限制，暫時(shí)無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)以氫代煤的方式實(shí)現(xiàn)氫冶金[4]。2020 年河鋼引進(jìn)意大利特諾恩公司公司的Energiron-ZR 零重整技術(shù)。建設(shè)全球首例120 萬(wàn)t/a規(guī)模的氫冶金示范工程，探索一條世界鋼鐵工業(yè)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的最佳途徑，從改變能源結(jié)構(gòu)入手，徹底解決鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)境污染和碳排放問(wèn)題，引領(lǐng)出鋼鐵冶金工藝變革，當(dāng)前光伏和風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)規(guī)模明顯降低了成本，為風(fēng)光電制氫提供了保障，綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)已初見(jiàn)端倪。

3.4 探索可再生能源一氯堿一氫能一綠電自用新模式

科技部、國(guó)家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部印發(fā)《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實(shí)施方案（2022-2030年）》到2025 年實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)行業(yè)和領(lǐng)域低碳關(guān)鍵核心技術(shù)的重大突破，支撐單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）二氧化碳排放比2020 年下降18%，單位GDP 能源消耗比2020 年下降13.5%；到2030 年，進(jìn)一步研究突破一批碳中和前沿的顛覆性技術(shù)，形成一批具有顯著影響力的低碳技術(shù)解決方案和綜合示范工程，建立更加完善的綠色低碳科技創(chuàng)新體系，有力支撐單位GDP 二氧化碳排放比2005 年下降65%以上，單位GDP 能源消耗持續(xù)大幅下降。燒堿行業(yè)作為國(guó)家重點(diǎn)用能行業(yè)，能耗主要為電力消耗。行業(yè)存在裝備水平和原料電耗相似但用能存在較大差異、余熱利用不足等問(wèn)題，節(jié)能降碳改造升級(jí)潛力較大。結(jié)合當(dāng)前國(guó)家能源局推廣的源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化項(xiàng)目、光儲(chǔ)項(xiàng)目，引導(dǎo)可再生能源和高耗能行業(yè)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高耗能企業(yè)盡早實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

在“雙碳目標(biāo)”和能源革命戰(zhàn)略背景下，氫能是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的優(yōu)質(zhì)能源載體，氯堿副產(chǎn)氫憑借其分布廣泛、容易獲得、價(jià)格低、質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)成為綠氫規(guī)?；l(fā)展前培育氫能終端應(yīng)用的重要手段。目前，氫能的發(fā)展還處于起步階段，加氫站布局建設(shè)、燃料電池汽車(chē)研發(fā)制造、多元化應(yīng)用場(chǎng)景打造、相關(guān)政策法規(guī)和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等方面都需要不斷完善。既需要政府做好頂層設(shè)計(jì)與規(guī)劃，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向；也需要企業(yè)和社會(huì)加強(qiáng)研發(fā)、增加技術(shù)儲(chǔ)備，完善產(chǎn)業(yè)鏈條。