浅谈生物质气化制氢工艺技术经济上的可行性

袁峥嵘

（安徽华东化工医药工程有限责任公司 合肥 230031）

1 前言

工业生产所需的氢气一般通过能量转化从水或者烃类化合物中提取。制氢技术可分为传统制氢技术和新型制氢技术。传统制氢技术是以煤炭、石油、天然气等化石能源为原料，经过一系列变化过程生产氢气。以煤制氢技术为例，一般过程是原料煤在特定的气化炉内与加入的气化剂（一般为水蒸气和空气）在一定的温度和压力下发生化学反应，使煤炭中的有机质最大限度的气化，产生氢气与一氧化碳。再经过一氧化碳变换和分离，最后提纯得到一定纯度的氢气产品。煤制氢气过程会排放大量温室气体，消耗大量水资源，由此产生很多生态和环境问题。生物质制氢是指通过一定的技术手段，使生物质里的有机成分经过一系列的化学变化，得到分解转化为富含氢气的混合气体，然后再经过分离提纯工艺，生产纯净的氢气。根据不同的生物质转化方法可以将生物质制氢分为生物质热化学制氢、生物制氢和电解生物质制氢[58]。 生物质热化学制氢是指生物质在一定的热力学条件下发生裂解，转化为富含氢气的可燃性气体，将副产物焦油催化裂解为小分子气体，将 CO 经过一氧化碳变换与水蒸气反应转化为 CO2和 H2。生物质热化学制氢工艺流程简单，但生物质热解过程是一个复杂的热力学转化过程，易受到热解温度、压力、反应时间、催化剂等诸多因素的影响。

生物质气化工艺技术在国内出现已经有二十多年，期间经过3次大的发展机遇，产业化规模逐渐扩大，生产技术也日臻成熟。第一次机遇出现在本世纪年十年的“能源危机”，由于国际原油价格一度接近135美元一桶，使得以石油和天然气主要原料的化工生产成本急剧上升，促进了国内以煤为原料的大型煤气化生产技术急剧发展，也促进了以秸秆为原料的中小型生物质气化技术产业化。第二次机遇出现在本世纪第二个十年后的“环保风暴”，结合城乡人居环境的大规模改造，以发酵为主的生物质能源工艺技术得到了很大的发展。第三次机遇出现在近年来出现的“碳达峰”和“碳中和”，即中国承诺在2030年前，二氧化碳的排放不再增长，为此国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》，中国碳排放权交易市场也在最近启动上线交易，从而为生物质气化工艺技术的发展带来更大的机会。

2 生物质制氢技术分类

众所周知，生物质气化是由一系列复杂的化学反应组成，其中不仅包括生物质碳与合成气的非均相反应，同时又包含有合成气各组分之间的均相反应。按是否使用气化剂分类，生物质的气化可分为无气化剂和使用气化剂两大类，其中无气化剂的气化反应称为热解气化。根据所通入的气化剂的种类，生物质气化可分为空气气化、水蒸气气化、O2气化和复合气化剂等。下面分别予以简单介绍：

（1）热解气化，热解气化是指生物质在绝氧环境下发生气化的过程。在无氧条件下，生物质原料气化为焦炭、可燃性气体、焦油等。根据热解温度的差异，生物质热解气化可分为 500 ～ 700℃ 的低温热解、700 ～1 000 ℃的中温热解以及 1 000 ～ 1 200 ℃ 的高温热解。其中，低温热解的产物主要是焦油，中温热解的主要产物是中值热气，高温热解主要得到的是冶金焦。根据升温速率的不同，生物质热解又可分为升温速率为 1 ℃ /s 的慢速热解、5 ～ 100 ℃ / s 的中速热解、500 ～1 000 ℃ / s 的快速热解以及大于 1 000℃ / s 的闪速热解。干馏气化是热解气化的一种，是指在无氧或者有限有氧的环境下，生物质进行的热解气化的过程。物料进入到气化炉中，首先通过干燥段(150 ℃) ，在干燥段主要进行的是生物质的脱水; 然后通过干馏段( 200～ 650 ℃) ，生物质在干馏段产生烷类气体; 最后经过碳化段( 800 ℃) ，物料在碳化段主要产生的是碳化物。

（2）空气气化，空气气化是指在一定温度下，生物质与空气中的有效成分发生反应，生成混合气体和固体炭的过程。空气气化的优点不仅在于空气资源储量丰富，几乎是取之不尽、用之不竭，而且气化气中还原性气体可以与空气组分中的氧气发生不完全氧化反应，释放出大量的热量，支持气化反应的进行; 空气气化的不足在于空气主要是由 O2( 21%) 和 N2( 79%) 构成，大量 N2进入到气化炉中，稀释可燃气体浓度，降低了气化气的热值，所以通过空气气化产生的可燃气体热值较低，一般用作化工合成气的原料。

（3）水蒸气气化，水蒸气气化是指以高温水蒸气为气化剂，在较高温度下与生物质发生反应，生成混合气和固体炭。与空气气化不同之处在于: 整个水蒸气气化反应需要提供外加热源。生物质水蒸气气化的化学反应主要包括高温水蒸气与碳的反应、高温水蒸气与 CO 的反应等。水蒸气气化主要的可燃气组分包括 H2( 20% ～ 26%) 、CO( 28% ～ 42%) 和甲烷( 20% ～10%) 。由于其中的 H2和烷烃的含量较高，生成气的热值较高，可以达到 11 ～ 19 MJ /m3。气化产物热值较高，既可用于燃料，同时也可用于化工合成气的原料。

（4）O2气化，O2气化是指在较高温度下( 约1 000 ℃ ) ，生物质原料与 O2发生反应，生成混合气体和固体炭的反应。O2气化生成的产物主包括CO、H2和甲烷等，热值达到 12 ～ 15 MJ /m3，属于中等热值气体，既可用于燃料，同时也可用于化工合成气的原料。与空气气化相较而言，同等摩尔比之下，O2气化的反应温度更高，反应速度更快，所需的反应器体积更小，产物的应用范围更广热效率更高。

3 工业化生物制氢投资估算

国家“节能减排”的大产业政策是推动生物质气化技术发展的主要动力，但这一技术是否能适应相关的消费市场，特别是为制氢产业的客户群体所接受是一个非常重要的问题。目前对制氢产业可持续发展的研究主要集中在，使用生命周期的评价方法，分析计算各类制氢技术在能耗、温室气体排放当量特征指标，然后评估比较各类制氢技术的总体特征。但如此一来只片面的从能源与温室气体排放的角度分析，没有从其他环境因素，经济角度分析各制氢技术的可持续性。且这些分析只是了解各制氢技术可持续发展指标，而没有提出具体如何有效的降低或提升这些可持续性发展指标。下面以玉米秸秆为气化原料，设计规模按产氢气量：10000NM3/H的装置为例详细说明生物质气化过程的基本消耗，其中玉米秸秆水分＜20%，热值＞3200KCAL/KG，颗粒度≤3CM。主产品氢气H2的纯度≥99.9%，压力≥1.2MPA，温度大约40℃左右。

（1） 投资估算

序号 主项号 单元名称 设备购置费（万元）合计（万元）总投资 6150.00 3330.00 2400.00 1100.00 14070.59安装工程费（万元）建筑工程费（万元）其他（万元）占总投资比例 43.71 23.67 17.06 7.82 100.00Ⅰ 建设投资 6150.00 3330.00 2400.00 1100.00 12980.00一 固定资产费用 6150.00 3330.00 2400.00 800.00 12680.00（一） 工程费用 6150.00 3330.00 2400.00 11880.00 1 310 煤制氢装置 5300.00 2300.00 1500.00 9100.00 1.1 311 煤储运工段 200.00 100.00 300.00 600.00 1.2 312 造气工段（含气柜） 2000.00 800.00 500.00 3300.00 1.3 313 脱硫工段 600.00 200.00 100.00 900.00 1.4 314 压缩工段 800.00 300.00 300.00 1400.00

1.5 315 变换工段 600.00 400.00 100.00 1100.00 1.6 316 变脱、精脱工段 300.00 150.00 50.00 500.00 1.7 317 PSA提氢工段 800.00 350.00 150.00 1300.00 2 410 公用工程和辅助设施 850.00 1030.00 900.00 2780.00 2.1 411 制氢装置控制室 400.00 150.00 100.00 650.00 2.2 412 制氢装置变电所 350.00 150.00 100.00 600.00 2.3 413 消防、给排水系统 50.00 100.00 150.00 300.00 2.4 414 装置总图运输 0.00 0.00 400.00 400.00 2.5 415 装置供电（外线、照明接地等） 0.00 300.00 50.00 350.00 2.6 416 装置外管 0.00 300.00 100.00 400.00 2.7 417 装置电讯 50.00 30.00 0.00 80.00（二） 固定资产其他费用 800.00 800.00 1 建设单位管理费 50.00 50.00 2 临时设施费 50.00 50.00 3 前期准备费 70.00 70.00 4 可研及各项评价费用 80.00 80.00 5 工程勘察设计6 工程监理费二 无形资产费（一） 专利及专有费费 500.00 500.00 50.00 50.00用 100.00 100.00用 100.00 100.00三 递延资产费用 0.00 0.00四 预备费 200.00 200.00（一） 不可预见费 200.00 200.00Ⅱ 建设期贷款利息 591Ⅲ 铺底流动资金 500

（2） 氢气成本计算

10000Nm3/h生物质气化制氢氢气成本（含税价）：

序号 项目 单位 单价（元） 小时耗量 小时生产成本（元） 备注一投资及产能1建设投资 万元 12980.00 2固定资产费用 万元 12680.00 3氢气产量 t/h 0.90 Nm3/h 10000直接生产成本1.1 生物质（收到基） t 200.00 18.67 3734.00 1.2 动力电 kwh 0.7 5335 3734.5 1.3 蒸汽（0.4MPa） t 160 0.30 48 1.4 蒸汽（2.0MPa） t 170 3.00 510 1.5 新鲜水 t 4 4.5 18 1.6 锅炉水 t 8 0.00 0 1.7 脱盐水 t 6 14.90 89.4 1.80 仪表空气 Nm3 0 1000 0 连续、自产1.90 吹扫空气 Nm3 0 600 0 间断、自产二

1.10 循环冷却水 t 0.2 800 160小计 8293.90三人工及管理2.1 人员工资及福利 人.年 60000 375 按50人计2.2 制造费用 1816.81⑴其中：折旧 988.95 按15年折旧，4%残值计⑵修理费用 452.86 按固定资产3%计⑶其他制造费用 0 2.3 管理费用 375小计 2191.81四小时成本总计 元 10485.71五氢气单位成本 元/Nm3 1.05 小时成本/小时产量

4 结语

综上所述，采用生物质固定床气化，气化剂选用空气-水蒸气，产气量预计为 2m3/kg，重整和变压吸附效率选 70%，则每千克生物质( 干基)产氢气的量的计算结果见表 2。由表 2 得 到 每千 克 生 物 质 最 终 得 到 0. 54Nm3H2，即 0.0482kg，那么当 H2需求量为 500kg /d时，每天需要气化 500 /0.0482 = 10 373 kg 生物质。制氢成本包括: 原料成本、原料成型成本气化成本、净化成本、变换成本及 PSA 成本。生物质气化制氢技术在经济上是可行的，是有市场竞争力的。

我国目前一次能源消费以煤为主，化石能源的大量消费造成严重的环境污染。满足持续快速增长的能源需求和能源的清洁高效利用，对能源科技发展提出重大挑战。目前，生物质资源被认为是代替化石资源的最佳选择。生物质资源包括各种果树枝条、果壳和各种农林加工剩余物（秸秆、稻壳等）等。在我国，由于其资源丰富，品种多样，用途广泛，生物质资源已经得到较为广泛的利用。生物质气化多联产是以稻壳、秸秆、木片、木屑等生物质为原料，以空气（氧气或富氧性气体等）或水蒸气等气体为气化剂，并在高温条件下通过热化学反应将生物质转化成可燃烧气体、液体和固体的过程，经冷凝、分离、回收得到生物质提取液，进一步生产液体肥料等高附加值产品；净化的可燃气可直接发电或替代煤烧锅炉或供居民燃气，也可以在化工深加工邻域继续延伸制取液氨、甲醇、LNG、氢气等化工产品；固体部分冷却回收所得到生物质炭，可作为生产活性炭和炭基有机-无机复混肥等的原料。因此生物质气化多联产技术不仅能够解决农林剩余物资源污染及浪费的问题，还能够产生更为高效的经济效应和环境效益。