鄭結(jié)斌
(中國氯堿工業(yè)協(xié)會(huì))
氫是宇宙中最豐富的元素之一,主要以水、碳?xì)浠衔锖透黝愑袡C(jī)化合物等化合態(tài)的形式存在。氫能來源廣泛、清潔無碳,應(yīng)用場景豐富,是推動(dòng)傳統(tǒng)化石能源清潔高效利用和支撐可再生能源大規(guī)模發(fā)展的理想互聯(lián)媒介。
氯堿行業(yè)聯(lián)產(chǎn)氫是工業(yè)副產(chǎn)氫來源之一,氯堿企業(yè)應(yīng)抓住機(jī)遇,推進(jìn)氫氣在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用。將氯堿行業(yè)副產(chǎn)氫氣融入國家氫能發(fā)展大戰(zhàn)略之中,不斷提高行業(yè)氫氣的利用率和附加值,發(fā)揮副產(chǎn)氫氣的重要作用。
2020年9月22日,習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上發(fā)表重要講話,表示中國“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值,努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。中央“十四五”規(guī)劃建議在2035年目標(biāo)中也提出“廣泛形成綠色生產(chǎn)生活方式,碳排放達(dá)峰后穩(wěn)中有降”。2021年,中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議上,總書記明確提出“要把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局”,“拿出抓鐵有痕的勁頭”如期實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),彰顯中國堅(jiān)持綠色低碳發(fā)展的戰(zhàn)略定力和決心。
大力發(fā)展清潔能源是碳中和的主要路徑之一。清潔氫能已成為全球所有碳中和路線的關(guān)鍵支柱之一。在加速能源行業(yè)轉(zhuǎn)型的背景下,氫能憑借來源豐富、燃燒干凈、低碳零污染、熱值高、用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)受到國內(nèi)外的高度重視,中國也積極引導(dǎo),支持氫能行業(yè)的發(fā)展。
表1 中國氫能相關(guān)主要政策
氫能具有眾多優(yōu)點(diǎn),目前備受全球矚目,而且被稱為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉矗陙碓谑澜绶秶鷥?nèi)發(fā)展勢(shì)頭良好。
中國在“雙碳”目標(biāo)下,經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和能源轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行,其中氫能發(fā)展成為熱點(diǎn),備受各級(jí)政府、相關(guān)企業(yè)的關(guān)注。
國家發(fā)展改革委、國家能源局2022年聯(lián)合發(fā)布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》,對(duì)中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行頂層設(shè)計(jì),并對(duì)中國氫能產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展具有重要指導(dǎo)性意義。
國家重視氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展,同時(shí)將氫能作為中國布局未來能源產(chǎn)業(yè)的重要方向之一,因此也極大推動(dòng)了地方政府的積極性,地方政府高度重視當(dāng)?shù)貧淠墚a(chǎn)業(yè)發(fā)展,陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)政策,并制定實(shí)施方案。大部分省份和地方城市都出臺(tái)氫能相關(guān)的發(fā)展規(guī)劃、指導(dǎo)意見和實(shí)施方案。北京、上海、廣東、河南和河北燃料電池汽車示范城市群相繼獲批,全國形成“3+2”燃料電池汽車示范格局。
在地方政府積極推動(dòng)下,中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展已經(jīng)初步形成長三角、珠三角、京津冀、成渝和中部地區(qū)為代表的五大發(fā)展區(qū)域,為氫能產(chǎn)業(yè)投資、技術(shù)提升、產(chǎn)品示范推廣、基礎(chǔ)設(shè)施配套建設(shè)等帶來重大機(jī)遇。
中國氫氣產(chǎn)量已成為世界第一,但主要用于工業(yè)原料而非能源。除了在傳統(tǒng)化工、鋼鐵等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用外,已經(jīng)開始在能源、交通、建筑等其他領(lǐng)域穩(wěn)步推進(jìn),并且不斷進(jìn)行擴(kuò)大應(yīng)用試點(diǎn)。從2018年開始,中國氫氣年產(chǎn)量就已經(jīng)超過2 000萬t,2021年超過3 300萬t,同比增長32%,成為名副其實(shí)的全球產(chǎn)氫大國。2016-2021年中國氫氣產(chǎn)量見圖1。
圖1 2016-2021年中國氫氣產(chǎn)量圖
根據(jù)《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書2020》和中國氫能聯(lián)盟數(shù)據(jù),2030年中國氫氣年需求量將從3 342萬t增加至3 715萬t,2060年則增加至1.3億t左右,在終端能源消費(fèi)中占比達(dá)到約20%。在實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)的過程中,氫氣需求量也將逐步提高。2020年-2060年中國氫能需求量見圖2。
圖2 2020-2060年中國氫能需求量圖
氫能產(chǎn)業(yè)鏈長、產(chǎn)值大,上游為制氫環(huán)節(jié),中游為氫氣的儲(chǔ)運(yùn),下游為氫能的應(yīng)用領(lǐng)域。
根據(jù)中國氫能聯(lián)盟的預(yù)計(jì),2020年至2025年,中國氫能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達(dá)1萬億元,2026年至2035年產(chǎn)值達(dá)5萬億元。氫能源的有效利用既可以減少碳排放,又可以降低對(duì)化石能源的依賴,應(yīng)用場景豐富,包括交通、電力和建筑等四大領(lǐng)域。預(yù)計(jì)2050年交通領(lǐng)域氫氣需求將接近4 000萬t,工業(yè)領(lǐng)域氫能需求將超過3 500萬t,建筑領(lǐng)域氫氣需求將接近2 000萬t。
氫的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)可分為物理儲(chǔ)運(yùn)氫和化學(xué)儲(chǔ)運(yùn)氫兩大類別。前者包括高壓氣態(tài)、低溫液化、管道、物理吸附等。后者包括無機(jī)儲(chǔ)氫材料和有機(jī)儲(chǔ)氫材料,無機(jī)儲(chǔ)氫材料包括金屬氫化物、絡(luò)合氫化物、復(fù)合氫化物和化學(xué)氫化物;有機(jī)儲(chǔ)氫材料包括環(huán)烷烴、氮雜環(huán)、液氨、甲酸和甲醇等[1]。
物理運(yùn)輸氣態(tài)氫是簡單的氫儲(chǔ)運(yùn)形式,將氫氣混入現(xiàn)有的天然氣管道中,或使用專用的氫氣管道,或利用加壓容器運(yùn)輸氫氣是當(dāng)前最為現(xiàn)實(shí)的氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)路線。不過,由于氣態(tài)氫的體積能量密度低,加上運(yùn)輸距離有限,其他形式的氫運(yùn)輸需求不可避免地會(huì)相應(yīng)增加。像所有其他氣體一樣,氫氣也可以低溫液化后,以冷液形式進(jìn)行運(yùn)輸。此外,化學(xué)存儲(chǔ)形式,例如轉(zhuǎn)化為氨或使用液態(tài)有機(jī)氫載體(LOHC),也構(gòu)成了其他具有高發(fā)展?jié)摿Φ臍浯鎯?chǔ)和氫物流技術(shù)。
目前制約氫能儲(chǔ)運(yùn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素之一就是氫氣的儲(chǔ)運(yùn)成本,并且隨著運(yùn)輸距離的增加,成本也必然隨之增加。高壓氣態(tài)運(yùn)輸氫氣是成本較高的運(yùn)輸方式,而管道長距離大輸量運(yùn)輸氫氣則是成本較低的運(yùn)輸方式。當(dāng)下中國氫能產(chǎn)業(yè)仍處初期發(fā)展階段,對(duì)于大規(guī)模、長距離運(yùn)氫的需求不大,普遍采用的是氣態(tài)高壓儲(chǔ)氫與集束管車運(yùn)輸?shù)姆绞健?/p>
2022年中國氯堿行業(yè)氫氣產(chǎn)能116萬t/a,單個(gè)企業(yè)氫氣平均產(chǎn)能0.7萬t/a,副產(chǎn)氫氣99萬t。氯堿行業(yè)副產(chǎn)氫雖然在氫氣來源總量中占比較小,但為工業(yè)副產(chǎn)中一個(gè)穩(wěn)定的來源。中國氫氣產(chǎn)量、增長率走勢(shì)圖見圖3。
圖3 中國氫氣產(chǎn)量、增長率走勢(shì)圖
2022年,中國燒堿總產(chǎn)能4 658萬t/a,跟燒堿產(chǎn)能分布相同,氫氣產(chǎn)能116 t/a,分布于除北京市、海南省、貴州省和西藏自治區(qū)外的省、自治區(qū)和直轄市。2022年中國各省份氫氣產(chǎn)能及企業(yè)數(shù)量統(tǒng)計(jì)見表2。
表2 2022年中國各省份氫氣產(chǎn)能及企業(yè)數(shù)量統(tǒng)計(jì)
中國華東、華北等東部地區(qū)燒堿行業(yè)發(fā)展歷史悠久,也是下游消費(fèi)的主要市場。并且當(dāng)?shù)芈葔A企業(yè)配套耗氯產(chǎn)品品種較多,有一定的消耗氯氣能力,以解決堿氯平衡問題,此外地理位置的條件使得出口外銷方面有一定的優(yōu)勢(shì),當(dāng)?shù)貧滟Y源較為豐富。西北地區(qū)主要依托資源優(yōu)勢(shì),配套PVC產(chǎn)品發(fā)展,燒堿生產(chǎn)成本優(yōu)勢(shì)較為突出,其氫氣成本相對(duì)較低。從各省產(chǎn)能分布來看,山東地區(qū)燒堿行業(yè)氫氣產(chǎn)能依舊保持首位,占比超過四分之一。
目前,燃料電池汽車用燃料氫氣現(xiàn)行國標(biāo)為GB/T37244-2018,國標(biāo)中要求13項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)。燃料電池用氫合格標(biāo)準(zhǔn)見表3。電解飽和食鹽水得到的氯堿副產(chǎn)氫氣純度達(dá)到99.5%以上,雜質(zhì)元素非常少,是比較優(yōu)質(zhì)的原料氫氣,通過凈化,達(dá)到燃料電池汽車用燃料氫氣標(biāo)準(zhǔn)是比較容易實(shí)現(xiàn)。氯堿行業(yè)已有企業(yè)具有將氯堿副產(chǎn)氫氣提純?yōu)槿剂想姵貧錃獾墓に嚰凹夹g(shù)。
表3 燃料電池用氫合格標(biāo)準(zhǔn)
同時(shí),氯堿行業(yè)仍有一定量的氫氣排空,排空氫氣的利用成本基本為零。綜合考慮設(shè)備和后續(xù)精制純化成本,氯堿副產(chǎn)氫是氫燃料電池汽車?yán)硐氲臍錃鈦碓粗弧?/p>
目前,燃料氫的運(yùn)輸方式主要是長管車運(yùn)輸,一般充裝壓力在20 MPa。按照目前售價(jià)測(cè)算,運(yùn)輸距離超過175 km時(shí),氫氣銷售基本沒有利潤。這與氫氣來源、價(jià)格、運(yùn)輸距離、車輛價(jià)格、技術(shù)發(fā)展等因素都有關(guān),這些因素限制了燃料電池汽車的規(guī)?;l(fā)展,需要依靠政府積極推動(dòng),才能實(shí)現(xiàn)氫能交通的快速發(fā)展,實(shí)現(xiàn)破局。2022年,國家五部委批準(zhǔn)全國第一批“3+2”燃料電池汽車示范城市群,采用“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”的方式鼓勵(lì)氫能交通應(yīng)用發(fā)展,四年示范期間要求示范城市群完成:車用氫能終端售價(jià)不超過35元/kg,符合技術(shù)指標(biāo)的車輛推廣規(guī)模超過1 000輛,建設(shè)并投入運(yùn)營加氫站超過15座的目標(biāo)。當(dāng)前氫燃料汽車已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,氫燃料電池汽車數(shù)量實(shí)現(xiàn)快速增長,同時(shí),各省市在不斷布局加氫站,推動(dòng)氫能交通發(fā)展[2]。
氯堿行業(yè)基礎(chǔ)的氫氣利用是合成氯化氫用于生產(chǎn)聚氯乙烯樹脂及合成鹽酸、雙氧水等耗氫產(chǎn)品。
燃?xì)溴仩t是以氯堿企業(yè)生產(chǎn)過程中富余氫氣作為爐體燃料,遇空氣燃燒后高溫?zé)煔馀c純水經(jīng)過熱交換形成蒸汽,供生產(chǎn)加熱使用。如何安全使用純度99%氫氣作為鍋爐的燃料是重點(diǎn)和難點(diǎn)。
建設(shè)氫氣充裝站是來自燒堿裝置氫氣干燥處理體積分?jǐn)?shù)為99.8%的氫氣送至氫氣充裝站緩沖罐,經(jīng)PSA變壓吸附提純系統(tǒng)將氫氣提純至體積分?jǐn)?shù)達(dá)到99.999%,低純度氫氣直接高空排放,高純氫氣經(jīng)過無油增壓氫氣壓縮機(jī)壓縮至20 MPa,壓縮后的氫氣通過氫氣充裝臺(tái)充裝至長管槽車(魚雷車)或氫氣瓶外運(yùn)銷售。
利用氫燃料電池技術(shù)建氫能電站是將氫氣轉(zhuǎn)化為電能。不僅生產(chǎn)過程無污染、無噪聲,而且轉(zhuǎn)換效率高,循環(huán)不產(chǎn)生有害物質(zhì),副產(chǎn)物是純凈水,發(fā)電效率更高達(dá)80%以上,可直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能,不需要經(jīng)過熱能和機(jī)械能的中間變換。
中國氯堿行業(yè)的氫氣資源使用方式具體分為企業(yè)自用、氫氣外銷和氫氣排空。
(1)企業(yè)自用
目前約一半左右的燒堿企業(yè)氫氣全部自用,氯堿行業(yè)氫氣總的自用比例在85%,主要分布在西部和中部地區(qū)。國內(nèi)氯堿企業(yè)幾乎全部配套合成鹽酸裝置,企業(yè)通過裝置生產(chǎn)情況和鹽酸市場情況調(diào)整產(chǎn)量。西北地區(qū)大多氯企業(yè)通過合成氯化氫進(jìn)行聚氯乙烯生產(chǎn),其他耗氫產(chǎn)品主要以雙氧水、鹽酸等為主。另外氯堿企業(yè)配套燃?xì)溴仩t提供蒸汽也較為普遍。
(2)氫氣外銷
氯堿企業(yè)氫氣外銷也是一種主要的氫氣利用方式,總體比例在12%。部分氯堿企業(yè)直接通過管道輸送至園區(qū)內(nèi)下游企業(yè),用于煉油生產(chǎn)、有色金屬生產(chǎn)、氣體提純等,相對(duì)較遠(yuǎn)距離的銷售則通過管束車或氫氣魚雷車運(yùn)輸。如果氯堿企業(yè)直接進(jìn)行純氫或高純氫的銷售,則需要配套建設(shè)氫氣充裝站。
(3)氫氣排空
隨著氯堿行業(yè)對(duì)氫能的重視程度提高和氫氣利用量增加,氯堿行業(yè)氫氣排空量近幾年大幅降低,目前總體比例在3%。部分燒堿企業(yè)富裕氫氣如果沒有更好的利用途徑將氫氣進(jìn)行無效排空處理。
近幾年,隨著國家鼓勵(lì)推行清潔能源利用,部分氯堿企業(yè)投入運(yùn)營加氫站和氫燃料電池,開始嘗試氫能向新能源領(lǐng)域的發(fā)展。中國氯堿企業(yè)對(duì)氫氣價(jià)值轉(zhuǎn)化關(guān)注度不斷提高,并向新興領(lǐng)域進(jìn)行探索實(shí)踐。氯堿行業(yè)開始培育新的利潤增長點(diǎn),圍繞氫能產(chǎn)業(yè)鏈布局逐漸展開。作為無碳、清潔、高效的能源,氫能高效利用是實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰的重要途徑之一。
中國西北地區(qū)燒堿和聚氯乙烯產(chǎn)品的配套程度較高,氫氣作為合成氯化氫的主要原料大部分用于聚氯乙烯的生產(chǎn),富裕氫氣量十分有限[3]。
東部地區(qū)雖然燒堿和聚氯乙烯的配套程度較低,但是國內(nèi)燒堿的主產(chǎn)區(qū),化工園區(qū)的規(guī)劃較為完善,氫氣園區(qū)就地轉(zhuǎn)化率較高,目前對(duì)氫氣的利用也較為充分。但由于燒堿企業(yè)產(chǎn)能較大,且相對(duì)集中,富裕氫氣的企業(yè)也多集中在此地區(qū)。
南部地區(qū)燒堿企業(yè)氫氣利用相對(duì)不足,大多企業(yè)無主要耗氫產(chǎn)品。當(dāng)?shù)責(zé)龎A企業(yè)數(shù)量較少,且產(chǎn)能相對(duì)較低,外銷氫氣量和排空相對(duì)不多,但個(gè)別企業(yè)氫氣自用量相對(duì)較低。
中國氯堿行業(yè)部分企業(yè)走在氫能發(fā)展前列,氫能利用各具特色。在氫能利用上,業(yè)內(nèi)相關(guān)企業(yè)的作法值得借鑒。部分氯堿企業(yè)氫能利用情況見表4。
表4 部分氯堿企業(yè)氫能利用情況
石化行業(yè)氫氣生產(chǎn)利用仍將持續(xù)穩(wěn)步增長。工業(yè)副產(chǎn)氫也是目前氫氣供應(yīng)的一個(gè)主要來源。氯堿行業(yè)副產(chǎn)氫氣是氫能氫氣來源之一,總體供應(yīng)量仍有限。在國家“雙碳”目標(biāo)下,提高全行業(yè)對(duì)氫能認(rèn)識(shí)和重視程度,統(tǒng)籌協(xié)調(diào)氫氣來源,合理利用調(diào)配有限的氫氣資源。
將氯堿行業(yè)副產(chǎn)氫氣融入國家氫能發(fā)展大戰(zhàn)略,提高氫氣附加值,氯堿企業(yè)將氫能開發(fā)作為企業(yè)的發(fā)展目標(biāo)和重點(diǎn)方向,實(shí)現(xiàn)跨入新能源領(lǐng)域,開辟新的增長點(diǎn)。
在布局供氫體系的過程中,氯堿企業(yè)應(yīng)抓住機(jī)遇,加大氫氣在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用。完善氯堿行業(yè)副產(chǎn)氫氣利用體系,不斷提高行業(yè)氫氣的利用率和附加值。同時(shí)由于氯堿企業(yè)分布的區(qū)域性強(qiáng),區(qū)域特點(diǎn)也非常明顯,制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、加氫是一套新的系統(tǒng)配套工程,企業(yè)根據(jù)行業(yè)區(qū)域性和企業(yè)所處地區(qū)特點(diǎn),以不同方式積極參與到當(dāng)?shù)氐臍淠墚a(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的各環(huán)節(jié)之中。根據(jù)不同地區(qū)氫能的發(fā)展模式和特點(diǎn),氯堿企業(yè)找到適合自身和行業(yè)的氫能發(fā)展方式和方向,深度參與氫能發(fā)展。
從氯堿行業(yè)氫能利用現(xiàn)狀以及氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)來看,氯堿企業(yè)如何開發(fā)利用好氫能,還需要做很多工作。氯堿行業(yè)的氫氣既有基礎(chǔ)的利用途徑,又存在未來向新能源方面開發(fā)的空間。在氯堿的生產(chǎn)中,多種技術(shù)或多產(chǎn)品開發(fā)氫能將長期共存,各具特點(diǎn)。在不同時(shí)期的水電等原料價(jià)格、不同地域條件下,氫氣開發(fā)利用所體現(xiàn)的價(jià)值會(huì)有所不同,其競爭力水平也會(huì)有所差異。氯堿企業(yè)發(fā)揮在原有產(chǎn)業(yè)中的優(yōu)勢(shì)和競爭力,實(shí)現(xiàn)副產(chǎn)氫氣的高附加值利用。
氫能行業(yè)是一個(gè)新興發(fā)展的新能源行業(yè),是跨出氯堿行業(yè)的下游應(yīng)用領(lǐng)域。氯堿企業(yè)如何加強(qiáng)合作,發(fā)現(xiàn)和利用氫能產(chǎn)業(yè)鏈上相關(guān)有競爭力的企業(yè)和技術(shù),在氫能產(chǎn)業(yè)鏈各節(jié)點(diǎn)上與之開展積極合作,加速適合氯堿企業(yè)的氫能項(xiàng)目落地。
氯堿行業(yè)副產(chǎn)氫氣是氫燃料電池等氫能發(fā)展的理想氫源之一,氯堿行業(yè)發(fā)展氫能或氫能合作有較大優(yōu)勢(shì)。在國家提出“雙碳”目標(biāo)后,從行業(yè)層面和區(qū)域?qū)用嫣岣邔?duì)氫能認(rèn)識(shí)和重視程度以及提升氫氣供應(yīng)量,統(tǒng)籌協(xié)調(diào)氫氣來源,合理利用調(diào)配有限的氫氣資源,發(fā)現(xiàn)和發(fā)展一些新的、有價(jià)值的利用方向,抓住氫能發(fā)展機(jī)遇。
目前氯堿行業(yè)氫能發(fā)展還處于初步階段,氯堿企業(yè)有布局加氫站、氫氣發(fā)電和氫燃料電池汽車供氫等,但多元化應(yīng)用場景仍未打開,需要協(xié)會(huì)、企業(yè)和社會(huì)其他氫能相關(guān)企業(yè)共同努力,產(chǎn)業(yè)鏈上下游緊密合作,合理利用氫資源。
加速氯堿行業(yè)氫能發(fā)展,探索出氯堿行業(yè)氫能理想發(fā)展模式,以氫能開發(fā)和利用為載體,助力氯堿行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳和綠色低碳發(fā)展。