氯碱企业副产氢气用于氢燃料电池现状及前景分析

李 宁，赵国良，王志元，商付滨，曹长青

（滨化集团股份有限公司，山东滨州256600）

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4 259 万t，总产量3 420 万t，其中，氯碱企业每副产0.025 t 氢气，大约需要生产1 t 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少于25 万t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[1]。

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]。

（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 种制氢手段中成本最高的。造成这种高成本的原因主要是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产成品中的硫含量非常高，产生的二氧化碳数量也十分巨大，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）氯碱制氢[3]

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，当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；第三步是释放出电子，并通过负载输送至阴极。这种电池的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3 000 亿元， 加氢站的总量会达到100 个。而这3 项数字在2030 年左右分别会达到保有量二百万辆，总产值一万亿元，加氢站1 000 个。从调研机构的这项数据可以看出，这种新兴技术产品已经获得了社会的认可。

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。但在未来，这些问题会随着技术的革新、国家的扶植、产业链的建立等措施一一解决，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将更为光明。

4 结语

氯碱制氢对于氢燃料电池的广泛应用有着重要的意义。但目前来看，制氢工艺还或多或少的存在成本高、环保差、经济效益低的弊端。因此针对副产氢气，应加大氢气的特性研究力度和下游产品开发深度，发挥副产氢气的资源利用价值，给企业带来新的利润增长点及长远发展动能，创造其应有的显著的经济效益和社会效益。