关于利用焦炉煤气发展氢能产业的思考

武丽云

（吕梁市工业产业发展中心，山西 吕梁 032300）

引言

我国是全球最大的碳排放国，应对气候变化事关国内国际两个大局，事关发展全局和长远，是推动经济高质量发展和生态文明建设的重要抓手。吕梁是山西重要的焦化产业基地、煤化工产业基地，多年来围绕低碳发展改造提升焦化产业，发展壮大新能源产业，推进产业结构多元化，努力实现绿色、低碳、高质量发展，特别是面对焦化产业“同质化严重、产能过剩”的局面，积极推进供给侧结构性改革，布局高端产能、延伸产业链条，大力发展氢能产业，为传统焦化产业转型升级、高质量发展摸索出一条科学路径。

1 发展氢能产业的意义

氢能是一种清洁、高效、无碳的二次能源，被称为“人类的终极清洁能源”，广泛应用于军事工业和民用工业，如氢气冶炼金属钨、钼等，在电子工业利用氢气来制取半导体材料——高纯硅。利用氢还可以制造成储存能量的电池，实现绿色、环保、无污染供电。氢气也是一种理想的燃料，燃烧产物是水，没有任何废物排放。与传统化工燃料汽油、柴油相比，具有三大优势：一是能量密度高。除核燃料外，氢的燃烧热值居所有化工燃料榜首，燃烧1 kg 氢可放出12 MJ（28.6 Mcal）的热量，约为汽油的3 倍，乙醇的3.9 倍，焦炭的4.5 倍。二是热源转化效率高。氢能可以通过燃料电池直接转变为电，过程中的废热可以进一步利用，其效率可达到80%左右。氢气燃烧不仅热值高，而且火焰传播速度快，点火能量低，所以氢能汽车比汽油汽车总的燃料利用效率可高20%左右。三是氢燃料电池的综合热效率最高且CO2排放量最少。与化石能源的利用相比，氢燃料电池在产生电能的过程中不会产生碳排放，可以实现良性循环。

发展氢能既是我国应对全球气候变化，构建清洁低碳、安全高效现代能源体系的重要组成部分，对我国加快产业结构调整，实现高质量发展具有重要意义。据相关数据显示，2020 年我国氢气产量约3 400 万t，预计到2060 年我国氢气需求量将接近1亿t，大力发展氢能产业势在必行且潜力巨大。自“十五”以来，科技部先后启动了多个氢能领域的重点科技专项和研发项目。早在2016 年，国家发改委、能源局将氢能源、燃料电池系统及核心零部件、氢燃料电池汽车等列入《能源生产和消费革命战略（2016—2030）》，明确予以支持。2019 年，国家层面已经开始规划氢能领域内容。生态环境部、发改委等11 部位联合发布《柴油货车污染治理攻坚战行动计划》，鼓励各地组织开展燃料电池货车示范运营，建设一批加氢示范站。随后，氢能与燃料电池相关政策频频发布，国家级、省级、市级政策出台超过70 项。特别是“推进充电、加氢等设施建设”写入政府工作报告，引导、规范氢能产业不断发展壮大，成效十分明显。但与发达国家相比，我国在技术应用推广、产业体系建设、标准规范制定等方面还存在一定差距，其中，制氢成本居高不下是制约氢能技术和产业发展的重要因素之一，因此，掌握低成本制氢的原料和路径也就掌控了氢能产业竞争的主动权。

2 吕梁发展氢能产业的必要性和可行性

焦炉气中含氢量达55%以上，是业内公认的当前技术条件下最经济的氢气来源。制氢成本仅为0.7元/m3～0.8 元/m3，低于化石燃料制氢成本1.0 元/m3～1.5 元/m3，相当于电解水制氢成本的1/3 左右，具有巨大的市场潜力和竞争优势。

吕梁依托丰富的煤炭资源大力发展焦化产业，生产规模稳步扩大，技术装备水平不断提升，截至目前，总产能已达4 000 多万t，生产运行的3 200 万t焦化产能，年可生产焦炭2 500 万t，每吨焦炭可产生焦炉煤气约350 m3～450 m3，焦炉煤气每年产量约100 亿m3，按焦炉煤气含氢量55%计算，每年可产生氢气约55 亿m3。焦炉煤气除用于化工产品深加工外，利用焦炉气发展氢能经济，也是吕梁经济转型发展、高质量发展的一个重要方向。主要基于三个方面的考量。

1）发展氢能是产业政策倒逼的必然结果。煤焦化是吕梁市的传统产业，目前面临着品种单调、产能过剩、效益低下、市场竞争力弱、产业链延伸难等问题，与氢能产业的耦合是未来发展的路径之一。

2）发展氢能是实现“2030 年碳达峰，2060 年碳中和”目标必然要求。氢能的转化率高、无污染零排放，可降低对化石燃料的依赖，实现能源清洁替代，同时解决“三废”排放过度、环境污染严重、碳排放量居高不下等环境难题，是“碳达峰 碳中和”目标的重要替代能源。

3）发展氢能产业是吕梁工业经济转型发展、高质量发展的必然选择。发展氢能经济，可以将传统产业与储氢材料、氢燃料电池、电解制氢、新能源汽车、分布式能源等产业有机地结合起来，形成新的产业链条，成为支持吕梁工业经济发展的新动能、新引擎。

3 氢能产业发展路径

当前，氢能的制备方法，按照制取方法分，制氢工艺主要包括电解法、裂解法、蒸汽转化法和工业副产提纯法；按氢气来源分，主要有：煤制氢（煤气化制氢）、化工附产物制氢（丙烷脱氢和乙烷裂解副产制氢）、天然气制氢（甲烷水蒸气重整）、焦炉煤气制氢以及电解水制氢等。我国“富煤、少气、缺油”的资源条件，决定了我国能源结构长期以来以煤为主，煤制氢成本和资源优势较为明显，中短期煤制氢占据主导地位，但从长远来看，随着制氢用煤成本和碳成本逐步提升，煤制氢竞争力将逐渐下降。我国工业体系齐全，工业副产资源丰富，充分利用工业副产制氢能够变废为宝，实现资源综合利用，因此，工业副产制氢是氢能制备的有益补充。在工业副产制氢方法中，焦炉煤气氢气含量高，具有较低的制氢成本，市场竞争力强，未来发展前景广阔。吕梁依托现有焦化产业富裕的焦炉煤气生产氢气，一方面可以为下游产业链的延伸提供原料，另一方面，顺应氢能产业的发展趋势，提前抢占氢能源市场，为工业转型升级开辟一条新路径。

在氢气利用方面，基于氢气特殊的物理和化学特性，结合吕梁工业实际，可以发展氢治金，利用氢气作为还原剂进行钢铁冶炼，有效减少碳排放。但从产业链条延伸，产业配套和整体发展方向的把握来看，发展氢能经济，利用氢气制备燃料电池也是一个不错的选择。根据焦炉气成份及下游产品对气体成份的要求，确定以下工艺生产路线。

3.1 氢气制备

焦炉煤气—气柜—焦炉气初级压缩—TSA（变温吸附）净化煤气（脱焦油、萘、苯等）—焦炉气增压—精脱硫（总S 0.1 PPM）纯氧催化转化—MDEA（N-甲基二乙醇胺）脱碳（二氧化碳精脱硫前）—分子筛脱碳、脱水、脱汞—CO 深冷分离—PSA（变压吸附法）提氢—产品氢气。通过优化布局、集聚产业，为氢能产业发展创造条件。

3.2 氢燃料电池

氢燃料电池属于质子交换膜燃料电池的一种，是一种直接将燃料氢气的化学能转为电能的发电装置。其结构主要由阴极、阳极、电解质与外部电路组成。发电的基本原理是电解水的逆反应。工作时，燃料（氢气）在阳级催化剂的作用下，离化成氢离子（H+）并释放出电子（e-）,电子经过电流收集板收集，由外电路流向阴极（对外电路作功）；氧化剂（氧气或空气）在阴极催化剂作用下被还原并与H+、外电路电子e-结合生成水。

电化学反应如式（1）～式（3）所示。

可以看出，在氢燃料电池工作过程中，若氢气和氧气不断地从阳极与阴极输入，电池中的电化学反应就会不停地进行下去，电子就会连续不断地从阳极输出并经外部电路形成通路电流，从而产业连续不断的电能并为用电装备提供动力。将多个单位氢燃料电池以串联方式层叠组合即构成氢燃料电池电堆。氢燃料电池严格地说是一种发电装置，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。其优势主要有以下几点：

1）能量转换效率高，绿色无污染。氢燃料电池由于完全不进行燃料的燃烧过程，而是通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能，因此它的能量转化效率可高达80%左右，约是内燃机的两倍。燃料电池只会产生水、热与电能，对环境无污染。

2）无振动、噪音低、使用寿命长。根据氢燃料电池的工作原理可知，只要燃料和催化剂从外部不断地输入，氢燃料电池即可不断地发出电能，其使用寿命远远高于普通原电池和充电电池。因为发电时没有往复和回转运动的机械结构，所以燃料电池运行时震动非常小，噪声大约只有55 dB，相当于人们正常交流的水平。由于在整个工作过程中没有噪声与机械振动，减少了机械器件的相互摩擦，在一定程度上延长了使用寿命。

3）当氢燃料电池用于新能源汽车时，所需氢气充气速度快，时间远远短于纯电动汽车的蓄电池充电时间。

4 思考和结论

在焦炉煤气制氢，发展氢能产业发展方面，山西已有成功案例。山西美锦能源股份有限公司围绕氢能产业发展实施“一点（整车制造）、一线（燃料电池上下游产业链）、一网（加氢站网络）”的发展战略，全面布局制氢、加氢、膜电极、燃料电池电堆及系统、整车制造等各环节，形成“研发-生产制造-商业化应用”的生态闭环。膜电极（MEA）、催化剂涂层质子膜（CCM）、柔性石墨双极板及氢燃料电池电堆等全部具有自主知识产权。公司建成7.65 m 顶装焦炉，年产385 万t 焦炭，利用焦炉煤气年产30 万t 乙二醇，15 万t LNG，2 万t 工业高纯氢，可供应55 座1 000 kg级加氢站，5 600 台公交、8 000 台物流或2 200 台重卡使用，目前已投入100 台重卡进行园区短倒货运，并与吕梁国家能源集团开展大规模可再生能源制绿氢，在兴县、石楼布局煤制氢、天然气制氢等项目。吕梁孝义鹏飞集团旗下山西郑旺氢能源科技有限公司，鹏湾氢港一期2 万t/a 焦炉煤气制氢项目已建成投运。吕梁要紧紧抓住机遇，做好规划布局、制定政策措施，扶持、引导氢能产业持续快速发展。

1）优化氢能项目布局，形成规模发展优势。推进氢能产业向产业基础较好的平川地区和煤源优势明显的离柳矿区布局，发展区域氢能产业。

2）推动信息技术应用，提升装备智能化水平。推进云计算、大数据、物联网等新一代信息技术在氢能项目中的应用，推动企业实现基础上云、管理上云、业务上云。通过移动化改造、互联化升级、智能化提升等信息技术的集成改造，优化工艺流程，降低生产成本，提高运行效率，提高企业信息化管理水平和能力。

3）推广车辆应用示范，丰富氢能应用场景。因地制宜开展氢能应用示范，在具有产业基础和推广积极性高的区域，重点打造氢燃料车辆推广应用试点示范区，形成可复制、可推广的经验，在工业区、物流园区中积极推广氢燃料电池物流车、环卫车、通勤车等。

4）争取国家政策支持，加快氢能产业发展。中央将推进燃料电池汽车示范，重点对入选国家燃料电池汽车示范区域的地区进行支持。财政部、工业和信息化部、科技部、国家发展改革委、国家能源局等五部委联合发布《关于启动燃料电池汽车示范应用工作的通知》，明确在北上广三个城市群开展燃料电池汽车示范应用。建议吕梁市积极申报国家燃料电池汽车示范区域，争取国家全方位、综合性政策支持。