氯碱企业副产氢气综合应用的新途径-氢燃料电池发电

史嘉为，徐 真，左 涛

（爱德曼氢能源装备有限公司，浙江 嘉兴 314100）

氢能被国际社会誉为21 世纪最具发展潜力的清洁能源，目前，中国氢能产业仍处于发展初期，为引导氢能产业健康有序发展，2022 年3 月23 日，国家发改委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021-2035 年）》，对中国氢能产业的高质量发展发挥了重要指导作用。一是提出了“氢能是未来国家能源体系的重要组成部分”，明确了氢气的能源属性；二是提出了“氢能是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体”，确定了绿色低碳发展路径；三是明确了“氢能产业是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向”，部署了推动氢能产业高质量发展的重要举措以及产业发展的各阶段目标。“十四五”时期，中国将初步建立以工业副产氢和可再生能源制氢就近利用为主的氢能供应体系， 氯碱企业副产氢是工业副产氢重要来源之一。

1 氯碱企业副产氢气现状

氯碱工业以工业盐水为原料， 运用电解的方法来生产烧碱和氯气等产品，并以此为原材料，进一步生产下游其他化学品。

随着中国烧碱的下游需求不断增长以及氯碱工业的快速发展，烧碱产业也随之不断增加。 2021 年中国烧碱产量达3 891 万t，2022 年中国烧碱产量达3 980.5 万t，同比增长1.4%。 以每生产1 t 烧碱约副产0.025 t 氢气计算，2022 年中国氯碱企业副产氢总量为99.5 万t。

2 目前氯碱企业副产氢气利用情况分析

随着循环经济理念的发展， 化工园区实现了协调联动发展、 上下游产品相互利用、 副产品综合利用、产品资源循环化、产品物流管道化。 氯碱企业副产氢的利用也呈现多元化、多维度趋势，主要应用于以下几个方面。

2.1 作为企业内部配套产品的原材料

氯碱企业副产氢气丰富， 配套耗氢生产装置主要优先选择耗氢量大、 市场容量大、 利润率高的产品，主要集中在盐酸、双氧水及胺类化合物的生产。

盐酸是化学工业最基础的三种原料之一， 生产1 t 31%的盐酸大约消耗氢气9.8 kg。

苯胺是最重要的胺类物质之一， 主要用于制造染料、药物和树脂，还可以用作橡胶硫化促进剂等。利用硝基苯加氢工艺，生产1 t 苯胺大约消耗氢气122 kg。

双氧水作用广泛， 在医疗领域一般是作为消毒液使用，化工生产领域用双氧水来作为生产原料、氧化剂和漂白剂等， 军事领域会用高浓度双氧水作为火箭动力助燃剂。双氧水既可作为最终产品出售，亦可作中间产品，用于深加工生产其他精细化工产品。蒽醌法制双氧水主要消耗为氢气， 生产1 t 100%双氧水大约消耗氢气70 kg。

也有部分氯碱厂配套建设三氯氢硅、氟化氢、钛白和脂肪醇类等产品装置以利用副产氢气。

2.2 供应下游企业作为原料

氢气的用途非常广泛，在炼油工业中，主要用于加氢脱硫、催化加氢裂解、油品加氢精制等；在化学工业中，有多种化学品生产直接需要原料氢气；冶金工业中多种有色金属、 稀有金属的精炼使用氢作还原剂和保护剂； 氢气作为还原剂还被用来生产石英玻璃和人造宝石及多晶硅； 食品加工中还可用于食用油加氢饱和等。

因此， 相关企业考虑到氢气作为原料的运输成本因素，选择在氯碱厂区周边就近建厂，形成上下游产业链， 氯碱厂的副产氢气通过管道输送直接销售给下游企业作为原料。

2.3 直接出售给气体公司

氯碱企业副产氢气自身消纳不完的情况下还会出售给气体公司，气体公司经过提纯、加压充装后给加氢站供氢和通过自有渠道销售纯氢。

2.4 氢气提纯加压供应加氢站

氢能利用起步较早的企业， 已经投资建设有副产氢提纯、加压、充装装置，副产氢气经过提纯后已达到高纯氢标准和质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气标准，通过氢气压缩机加压后充装，经氢气管束车运输至加氢站， 卸气加压后通过加氢机给氢能汽车加氢。

2.5 作为燃料使用

氢气锅炉是以氯碱企业生产过程中富余的氢气作为炉体燃料， 遇空气燃烧后高温烟气与纯水经过热交换形成蒸汽，供生产加热使用。部分有蒸汽需求或者暂时没有氢气下游产品和高价值消纳方式的氯碱厂建设了氢气锅炉装置，用以消纳副产氢气。

按燃烧热值计算，3 m3氢气热值相当于1 m3天然气的热值，氢气燃烧的附加值较低。

由于氢气燃烧具有燃烧速度高、燃烧区域集中、火焰短小；预混燃烧火焰传播速度非常高，低负荷运行时回火问题突出；火焰对炉管的能量辐射率低，导致燃烧器出口处热量局部聚集，烟气温度非常高，造成炉内温度分布不均，喷嘴损坏等问题，也是企业谨慎考虑装备氢气锅炉的原因之一。

2.6 排空

部分烧碱企业副产氢气如果没有更好的利用途径，就只能将氢气进行排空处理。早期由于氢气利用途径有限，排空量达到30%，随着氯碱行业对氢气利用重视程度的提高和氢气利用量增加， 氯碱行业氢气排空量近几年大幅降低， 目前总体比例在3%左右，每年排空量约3 万t。

3 氢燃料电池技术及应用

氢燃料电池是以氢气为燃料， 通过电化学反应将燃料中的化学能直接转变为电能的发电装置。 其基本原理是电解水的逆反应，而不是采用燃烧（汽、柴油）或储能（蓄电池）方式，燃料电池只会产生水和热，具有能量转换效率高、零排放、无噪声等优点。

氢燃料电池的主要应用之一是氢燃料电池汽车，2022 年氢燃料电池汽车产销均突破3 000 辆大关，自2016 年以来，氢燃料电池汽车销量共计12 300 辆。

氢燃料电池发电系统是通过对氢燃料电池电堆进行高密度整合，同时研发定制集中式空压设备、空气集中净化系统、中央控制系统，并配套洁净水收集系统、 冷却热能综合管理系统实现氢能电站的模块化建设。 发电模块利用氢气通过质子交换膜燃料电池（PEMFC）与空气中的氧气发生电化学反应产生电能（副产热能和纯水），实现发电，再通过逆变升压电气控制系统， 根据需要输出相应电压等级接入并网点，供企业自用或者上网。

4 氢燃料电池发电在氯碱企业的应用契机

2020 年9 月， 在第七十五届联合国大会上，中国提出“3060”行动计划，即中国力争于2030 年前实现二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。

2022 年2 月3 日，国家发改委、国家能源局、工信部、生态环境部四部委联合发布了《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南 （2022 年版）》，其中， 烧碱行业节能降碳改造升级实施指南中明确提出烧碱行业将加强储氢燃料电池发电集成装置研发和应用，探索氯碱—氢能—绿电自用新模式。促进可再生能源与氯碱用能相结合， 推动副产氢气高值利用技术改造。 在满足氯碱生产过程中碱、氯、氢平衡的基础上，采用先进制氢和氢处理技术，优化副产氢气下游产品类别。

5 氯碱企业副产氢发电商业化应用案例

5.1 国际案例

2007 年，在荷兰政府研发基金的支持下，荷兰AkzoNobel 氯碱工厂建成行业内第一台利用氯碱副产氢的氢燃料电池电站， 功率70 kW， 已成功运行4.5 万h以上。 采用该技术建造与氯碱配套的氢燃料电站，可以直接利用氯碱副产氢气，无需提纯过程。通过氢燃料电站可回收电解单元总电耗20%的电能和10% 的热能。 该电站是荷兰的Nedstack Fuel Cell Technology 和AkzoNobel Industrial Chemicals 共同开发，并由MTSA Technopower 组装了相关设备。

2011 年，Nedstack 和MTSA 一起建造了1 MW的氢燃料电站，在比利时Solvay 的氯碱工厂利用副产氢气发电，该技术正式进入推广应用阶段。

5.2 国内案例

2022 年8 月，爱德曼氢能源装备有限公司（简称“爱德曼”）与浙江嘉化集团股份有限公司（简称“嘉化股份”） 签订了1 MW 的氢能分布式发电合作项目。 同年11 月，爱德曼氢能分布式发电系统布置于嘉兴港区嘉化股份园区内，并进入现场调试阶段。2023 年初爱德曼氢能分布式发电系统正式经过了连续72 h 不间断测试，顺利通过所有数据的考核验收标准，多项指标以超预期的数据完成测试，测试过程中安全稳定，无故障运行，完全满足市场规模化的交付需求。该系统采用了先进的燃料电池技术路线，满足自动调峰等化工场景真实需求。 每兆瓦分布式发电系统每年可发电约450 万kW·h，二氧化碳减排近4 000 t，是国内兆瓦级的氢能分布式发电系统商业化应用的里程碑。

6 氢燃料电池发电应用对氯碱企业的意义

6.1 是氯碱企业副产氢长周期、稳定消纳的新途径

氯碱副产氢不论是应用于企业自身生产加氢产品，还是出售给下游企业或者气体公司等方式，都会受末端市场价格和下游需求放缓影响带来的波动，从而导致氢气消纳不平衡， 甚至由于储存问题不得已而进行排空处理。

目前氯碱企业副产氢为加氢站供氢是价值最高的消纳方式， 但是随着非化工区制氢加氢管控的逐步放开和电解水制氢技术的发展， 电解水制氢成本持续下降， 未来选择制氢加氢一体站的建设方案将会越来越多。 这给氯碱企业副产氢的这一高价值消纳途径带来挑战，因为加上运输成本，氯碱企业的副产氢到站价格将不再占优势，势必影响氢气销量。

2022 年10 月25 日，广东省住建厅发布了《广东省燃料电池汽车加氢站管理暂行办法》（征求意见稿），允许在非化工园区建设制氢加氢一体站。 国内多个地区也开始探索、 支持非化工园区可再生能源制氢加氢项目的发展。截至目前，已有山东、广东、吉林3 个省级地区和上海临港区、唐山、武汉3 个市级地区及大连自贸片区出台了相应文件， 非化工园区制氢加氢的“枷锁”正在不断松开。

氢燃料电池发电能够实现氯碱副产氢的就地消纳， 提纯后的氢气通过管输至氢燃料电池机组进行发电。而且因其发电效率可调节和分时启停的特征，可以根据氢气的产量实时调节和匹配，实现副产氢的长周期、稳定消纳，做到副产氢资源的“吃干榨净”。

6.2 能缓解氯碱企业能耗指标压力

根据《高耗能行业重点领域能效标杆水平和基准水平（2021 年版）》，离子膜法液碱（≥30%）能效标杆水平为315 kg 标准煤/t， 基准水平为350 kg 标准煤/t；离子膜法液碱（≥45%）能效标杆水平为420 kg 标准煤/t，基准水平为470 kg 标准煤/t；离子膜法固碱（≥98%）能效标杆水平为620 kg 标准煤/t，基准水平为685 kg 标准煤/t。

2022 年2 月发改委公布了《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南》。 该文件一方面指出，截至2020 年底中国烧碱行业能效优于标杆水平的产能约占15%， 能效低于基准水平的产能约占25%；另一方面提出，截至2025 年烧碱行业能效标杆水平以上产能比例达到40%，能效基准水平以下产能基本清零。

以平均每1 t 烧碱副产0.025 t 氢气， 每公斤氢气发电19 kW·h，国家发展改革委公布的2021 年全国火电机组平均供电煤耗302.5 t 标准煤/kW·h 为参考数据，不同产能的氯碱副产氢用于发电，为企业节约能耗核算见表1。

6.3 可以降低企业用电成本，降碳减排

氯碱副产氢用于氢燃料电池发电， 不但能为企业消纳副产氢， 还能为企业提供低于市电价格的电力，降低企业的用电成本。 从氢价-电价敏感性分析可以看出，当氢气价格为10 元/kg 时，除了氢气的收入，所发电的成本为0.73 元/kW·h；当氢气价格为15 元/kg 时，除了氢气的收入，所发电的成本为0.99 元/kW·h，远低于一般地区峰时电价，发电的电价和峰时用电的电价差即为发电所节约的电费。 氢价-电价敏感性分析见图1。

图1 氢价-电价敏感性分析

以1 MW 氢燃料电池发电机组为例， 年峰时发电量达到450 万kW·h，折合二氧化碳减排近4 000 t。若电价差为0.181 4 元/kW·h，则每1 MW 每年能为企业节约电费81.6 万元。 大工业用电与氢发电价格对比图见图2。

图2 大工业用电与氢发电价格对比图

6.4 是副产氢资源变现的便捷方式

副产氢作为原料使用， 受产品生产周期和市场情况的影响，变现周期长，而且存在不稳定性。同时，烧碱企业作为高耗电企业， 电费的支出是企业经营的必须成本之一，也占用了一定的现金流。

对于中等规模30 万t/a 的烧碱企业，年副产氢0.75 万t， 按平均氢气价格约15 元/kg， 平均电价0.8元/kW·h 计算，单纯对比氢气发电和排空两种情景，氢气发电相当于为企业创造了1.14 亿元/a 的现金价值。

6.5 助力氯碱企业布局氢能产业

随着国家鼓励推行清洁能源利用， 氯碱企业利用副产氢的氢源优势， 结合氢燃料电池发电布局氢能产业是风险低、见效快的途径之一。

近几年， 中国氯碱企业对氢气价值转化关注度不断提高，并向新兴领域进行探索和实践。氯碱企业开始培育新的利润增长点， 并尝试向氢能源领域的发展，围绕氢能产业链布局正逐渐展开。部分氯碱企业已经投入运营加氢站和氢燃料电池发电站， 作为无碳、清洁、高效的能源，副产氢的高效利用是实现碳中和、碳达峰的重要途径之一。

7 氢燃料电池发电应满足的要求

化工行业有一个长周期“五字真经”，即安、稳、长、满、优。同样，氢燃料电池发电想要在氯碱行业中得到广泛的应用也需要满足这“五字真经”的要求。

安：首先要满足化工区域防爆及间距安全要求；稳：设备需要能够稳定运行，不能在运行过程中造成电力或者氢气平衡的不稳定， 进而影响企业生产；长：需要能做到匹配主产品的长周期生产运行；满：要能实现设备满负荷运转；优：具有升级优化能力，不断提升副产氢利用效率。