焦爐煤氣制氫工藝及生命周期評價

蘇越

摘 要：近年來，全國的機動車保有量持續增加。然而，機動車數量的不斷增加也帶來了嚴重的資源與環境問題。氫能作為一種清潔的能源，對于減少溫室氣體排放和改善大氣質量具有重要的意義。在鋼鐵的生產流程當中，存在著諸如焦爐煤氣這樣的富氫氣體被作為燃料使用，是獲取氫氣的很好原料。本文采用了生命周期評價（LCA）方法對焦爐煤氣制氫過程、氫氣運輸過程及終端消費過程的成本和碳足跡進行了定量化的評估。本文首先考察了焦爐煤氣制氫的工藝流程，由于焦爐煤氣中氫氣含量較高，通過變壓吸附（PSA）分離就可獲取高純度的氫氣。然后，本文劃定了生命周期評價的系統邊界，包含了焦爐煤氣的變壓吸附分離純化、氫氣的后處理、氫氣的運輸以及氫氣進入加注站等過程，并作出了一些必要的基本假設。接下來，本文對于焦爐煤氣制氫生命周期的每個環節進行了定量化的清單分析，將計算結果進行匯總后得出，若采用氣氫拖車的運輸方式，焦爐煤氣制氫的成本約為16.63元/kg氫氣，碳足跡為25.31kg/kg氫氣；而采用液氫拖車的運輸方式，焦爐煤氣制氫的成本約為23.10元/kg氫氣，碳足跡為24.33kg/kg氫氣。最后，本文對計算得到的結果進行了一定的分析，提出了一些降低焦爐煤氣制氫成本的具體建議。

關鍵詞：焦爐煤氣制氫；生命周期評價；經濟性；碳足跡

中圖分類號：TQ116.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）21-0135-02

“十二五”以來，隨著中國經濟的快速增長，也導致了全國機動車的數量持續增加。然而，機動車數量的不斷增加也帶來了嚴重的資源與環境問題，例如，隨著汽車銷量的增加，汽油的消耗量也在不斷增加，進一步加劇我國的能源壓力；另外，汽車尾氣中的有害氣體對于霧霾的形成有著顯著的作用。氫能作為一種清潔的能源，對于減少溫室氣體排放和改善大氣質量具有重要的意義。

1 氫氣的基本性質和用途

氫氣是目前最清潔的能源，它能和氧氣反應產生無污染的水。在以煤炭為主的化石能源結構中，氫氣將是替代化石能源極具潛力的綠色載體。

從物理性質來看，氫氣具有低密度，無色，無味等性質。常溫下化學性質穩定，但可與較多物質在點燃或加熱情況下反應。從用途上來看，氫氣被廣泛的應用于合成氨工業。在石油工業上，各類加氫化過程，如：裂化，脫硫等需要消耗大量氫氣，同時氫氣還可以用來合成其他物質。氫氣和氯氣反應生成氯化氫并用來生產化工原料鹽酸。甲烷的合成是氫氣和一氧化氮的合成氣在加壓催化的條件下生成的。氫氣還可以通過放熱反應參與到金屬切割中。

2 焦爐煤氣制氫的工藝流程

焦爐煤氣中氫氣含量占比較大，現有的焦爐煤氣制氫都通過變壓吸附分離來提高氫氣純度。但是焦爐煤氣中仍存在一些雜質，這些雜質必須在進入PAS前脫除。同時，由于焦爐煤氣壓力只有5kPa，為滿足PSA以及后續需要，需要將焦爐煤氣壓力分段壓縮提升。其工藝流程為首先將焦爐煤氣加壓處理，經過預處理除去雜質，得到較高壓力的凈化氣，然后進一步加壓，進行變壓吸附分離操作，即可得到高壓的純化氫氣。

3 焦爐煤氣制氫的生命周期評價

3.1 系統邊界

本文所考察的系統邊界如圖1所示。包含了焦爐煤氣的變壓吸附分離純化、氫氣的后處理、氫氣的運輸以及氫氣進入加注站等過程。對于運輸過程而言，運輸車輛及其所需柴油的生產過程的成本和碳足跡將不予以考慮。對于運輸方式而言，本文分別考慮氣氫拖車和液氫拖車兩種運輸方式，不考慮管道運輸的方式，因為管道運輸的投資成本較高，且只能實現點對點的運輸。但是，對于液氫拖車運輸的方式，需要考慮液氫儲罐的成本。本文以下的所有計算均按照生產能力為60000m3H2/h進行計算。

3.2 固定資產投資的成本清單分析

已知基于2010年的價格標準，生產能力37500m3/h的焦爐煤氣制氫裝置需要1.2億元的初始投資，建設工期10個月，固定資產投資價格指數1.1。則可以估算出所需的一次性1.75億元，建設工期約為14月。

3.3 生產原料的清單分析

由于焦爐煤氣在鋼鐵企業主要被用作燃料使用，因此這里考慮的原料成本實際上是將焦爐煤氣用于制氫后鋼鐵企業需要的替代天然氣燃料的經濟成本和環境成本。已知天然氣的熱值為38500kJ/m3，取天然氣價格為3.65元/m3。則可以計算得出原料的成本為1.33元/kgH2，碳足跡為11.36kg/kgH2。

3.4 焦爐煤氣制氫過程的清單分析

由于PSA制備純化氫氣是一個物理過程，因此該過程主要的成本在于電能的消耗帶來的經濟與環境成本。已知中國的電能的碳足跡為0.8kg/kWh，電價取0.8元/kWh，根據文獻數據則可以計算得出，焦爐煤氣制氫過程的成本為0.23元/kgH2，碳足跡為0.23kg/kgH2。

3.5 氫氣后處理過程的清單分析

出于運輸的需求，經過焦爐煤氣制氫生產工藝流程之后得到的氫氣，需要進一步進行壓縮。根據文獻數據計算可知，不論是采用氣氫拖車運輸方式還是液氫拖車運輸方式，該過程的經濟成本均為12.00元/kgH2，碳足跡為0.23kg/kgH2。

3.6 氫氣運輸過程的清單分析

關于氫氣的運輸過程的經濟成本的核算較為復雜。本文直接采用產業研究報告中的數據，即基于200km的運輸半徑進行計算，當采用氣氫拖車進行運輸時，運輸階段的成本為2.02元/kgH2，而當采用液氫拖車進行運輸時，運輸階段的成本為8.57元/kgH2。

關于氫氣運輸過程中的碳足跡，主要是運氫車輛的柴油燃燒所導致。從文獻中了解到1kg柴油燃燒排放3.1863kgCO2，運輸車輛每百噸公里油耗為6.3L。經過計算可以得出，當采用氣氫拖車進行運輸時，運輸階段的碳足跡為1.00kg/kgH2；而當采用液氫拖車進行運輸時，運輸階段的成本為0.10kg/kgH2。

3.7 氫氣進入加注站過程的清單分析

氫氣從運輸車輛進入加注站過程當中主要的成本在于壓縮機的電能消耗。根據文獻數據可以計算得出，當采用氣氫拖車運輸方式時，氫氣從運輸車輛進入加注站的經濟成本為0.72元/kgH2，碳足跡為0.72kg/kgH2；而當采用液氫拖車運輸方式時，氫氣從運輸車輛進入加注站的經濟成本為0.64元/kgH2，碳足跡為0.64kg/kgH2。

3.8 總結與討論

通過對以上的計算結果進行匯總，可以得到焦爐煤氣制氫的基于全生命周期評價的經濟成本和碳足跡，如表1和表2所示。分析表中數據，不難得到如下結論：

（1）從不同的環節的角度來看，焦爐煤氣制氫的經濟成本和環境成本最高的環節在于對已經得到分離純化的氫氣進行后續壓縮和液化處理用于運輸的環節，占到整個制氫成本的一半左右。因此，要想提高焦爐煤氣制氫的經濟性，減少其環境成本，需要重點關注壓縮液化氫氣的環節，提高壓縮機等設備的效率，降低該過程的電能消耗。此外，從碳足跡的角度來看，由于焦爐煤氣被天然氣替代用作燃料帶來的碳足跡也相當可觀，占整個生命周期的碳足跡的一半左右。因此，對于鋼鐵行業而言，提高燃料的利用效率，對于降低焦爐煤氣制氫的環境成本具有重要意義。

（2）從運輸方式的角度來看，液氫拖車的經濟成本要比氣氫拖車高出約50%，而液氫拖車方式的碳足跡與氣氫拖車的方式相比并沒有太大的優勢。造成這一現象的原因主要在于液氫拖車的儲罐的制造成本仍然較高。因此，目前來看，采用氣氫拖車運輸不僅在成本上具有較大的優勢，而且其帶來的環境影響也比較有限。

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