氯堿企業副產氫氣綜合應用的新途徑-氫燃料電池發電

史嘉為，徐 真，左 濤

（愛德曼氫能源裝備有限公司，浙江 嘉興 314100）

氫能被國際社會譽為21 世紀最具發展潛力的清潔能源，目前，中國氫能產業仍處于發展初期，為引導氫能產業健康有序發展，2022 年3 月23 日，國家發改委、國家能源局聯合印發《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035 年）》，對中國氫能產業的高質量發展發揮了重要指導作用。一是提出了“氫能是未來國家能源體系的重要組成部分”，明確了氫氣的能源屬性；二是提出了“氫能是用能終端實現綠色低碳轉型的重要載體”，確定了綠色低碳發展路徑；三是明確了“氫能產業是戰略性新興產業和未來產業重點發展方向”，部署了推動氫能產業高質量發展的重要舉措以及產業發展的各階段目標。“十四五”時期，中國將初步建立以工業副產氫和可再生能源制氫就近利用為主的氫能供應體系， 氯堿企業副產氫是工業副產氫重要來源之一。

1 氯堿企業副產氫氣現狀

氯堿工業以工業鹽水為原料， 運用電解的方法來生產燒堿和氯氣等產品，并以此為原材料，進一步生產下游其他化學品。

隨著中國燒堿的下游需求不斷增長以及氯堿工業的快速發展，燒堿產業也隨之不斷增加。 2021 年中國燒堿產量達3 891 萬t，2022 年中國燒堿產量達3 980.5 萬t，同比增長1.4%。 以每生產1 t 燒堿約副產0.025 t 氫氣計算，2022 年中國氯堿企業副產氫總量為99.5 萬t。

2 目前氯堿企業副產氫氣利用情況分析

隨著循環經濟理念的發展， 化工園區實現了協調聯動發展、 上下游產品相互利用、 副產品綜合利用、產品資源循環化、產品物流管道化。 氯堿企業副產氫的利用也呈現多元化、多維度趨勢，主要應用于以下幾個方面。

2.1 作為企業內部配套產品的原材料

氯堿企業副產氫氣豐富， 配套耗氫生產裝置主要優先選擇耗氫量大、 市場容量大、 利潤率高的產品，主要集中在鹽酸、雙氧水及胺類化合物的生產。

鹽酸是化學工業最基礎的三種原料之一， 生產1 t 31%的鹽酸大約消耗氫氣9.8 kg。

苯胺是最重要的胺類物質之一， 主要用于制造染料、藥物和樹脂，還可以用作橡膠硫化促進劑等。利用硝基苯加氫工藝，生產1 t 苯胺大約消耗氫氣122 kg。

雙氧水作用廣泛， 在醫療領域一般是作為消毒液使用，化工生產領域用雙氧水來作為生產原料、氧化劑和漂白劑等， 軍事領域會用高濃度雙氧水作為火箭動力助燃劑。雙氧水既可作為最終產品出售，亦可作中間產品，用于深加工生產其他精細化工產品。蒽醌法制雙氧水主要消耗為氫氣， 生產1 t 100%雙氧水大約消耗氫氣70 kg。

也有部分氯堿廠配套建設三氯氫硅、氟化氫、鈦白和脂肪醇類等產品裝置以利用副產氫氣。

2.2 供應下游企業作為原料

氫氣的用途非常廣泛，在煉油工業中，主要用于加氫脫硫、催化加氫裂解、油品加氫精制等；在化學工業中，有多種化學品生產直接需要原料氫氣；冶金工業中多種有色金屬、 稀有金屬的精煉使用氫作還原劑和保護劑； 氫氣作為還原劑還被用來生產石英玻璃和人造寶石及多晶硅； 食品加工中還可用于食用油加氫飽和等。

因此， 相關企業考慮到氫氣作為原料的運輸成本因素，選擇在氯堿廠區周邊就近建廠，形成上下游產業鏈， 氯堿廠的副產氫氣通過管道輸送直接銷售給下游企業作為原料。

2.3 直接出售給氣體公司

氯堿企業副產氫氣自身消納不完的情況下還會出售給氣體公司，氣體公司經過提純、加壓充裝后給加氫站供氫和通過自有渠道銷售純氫。

2.4 氫氣提純加壓供應加氫站

氫能利用起步較早的企業， 已經投資建設有副產氫提純、加壓、充裝裝置，副產氫氣經過提純后已達到高純氫標準和質子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣標準，通過氫氣壓縮機加壓后充裝，經氫氣管束車運輸至加氫站， 卸氣加壓后通過加氫機給氫能汽車加氫。

2.5 作為燃料使用

氫氣鍋爐是以氯堿企業生產過程中富余的氫氣作為爐體燃料， 遇空氣燃燒后高溫煙氣與純水經過熱交換形成蒸汽，供生產加熱使用。部分有蒸汽需求或者暫時沒有氫氣下游產品和高價值消納方式的氯堿廠建設了氫氣鍋爐裝置，用以消納副產氫氣。

按燃燒熱值計算，3 m3氫氣熱值相當于1 m3天然氣的熱值，氫氣燃燒的附加值較低。

由于氫氣燃燒具有燃燒速度高、燃燒區域集中、火焰短小；預混燃燒火焰傳播速度非常高，低負荷運行時回火問題突出；火焰對爐管的能量輻射率低，導致燃燒器出口處熱量局部聚集，煙氣溫度非常高，造成爐內溫度分布不均，噴嘴損壞等問題，也是企業謹慎考慮裝備氫氣鍋爐的原因之一。

2.6 排空

部分燒堿企業副產氫氣如果沒有更好的利用途徑，就只能將氫氣進行排空處理。早期由于氫氣利用途徑有限，排空量達到30%，隨著氯堿行業對氫氣利用重視程度的提高和氫氣利用量增加， 氯堿行業氫氣排空量近幾年大幅降低， 目前總體比例在3%左右，每年排空量約3 萬t。

3 氫燃料電池技術及應用

氫燃料電池是以氫氣為燃料， 通過電化學反應將燃料中的化學能直接轉變為電能的發電裝置。 其基本原理是電解水的逆反應，而不是采用燃燒（汽、柴油）或儲能（蓄電池）方式，燃料電池只會產生水和熱，具有能量轉換效率高、零排放、無噪聲等優點。

氫燃料電池的主要應用之一是氫燃料電池汽車，2022 年氫燃料電池汽車產銷均突破3 000 輛大關，自2016 年以來，氫燃料電池汽車銷量共計12 300 輛。

氫燃料電池發電系統是通過對氫燃料電池電堆進行高密度整合，同時研發定制集中式空壓設備、空氣集中凈化系統、中央控制系統，并配套潔凈水收集系統、 冷卻熱能綜合管理系統實現氫能電站的模塊化建設。 發電模塊利用氫氣通過質子交換膜燃料電池（PEMFC）與空氣中的氧氣發生電化學反應產生電能（副產熱能和純水），實現發電，再通過逆變升壓電氣控制系統， 根據需要輸出相應電壓等級接入并網點，供企業自用或者上網。

4 氫燃料電池發電在氯堿企業的應用契機

2020 年9 月， 在第七十五屆聯合國大會上，中國提出“3060”行動計劃，即中國力爭于2030 年前實現二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和。

2022 年2 月3 日，國家發改委、國家能源局、工信部、生態環境部四部委聯合發布了《高耗能行業重點領域節能降碳改造升級實施指南 （2022 年版）》，其中， 燒堿行業節能降碳改造升級實施指南中明確提出燒堿行業將加強儲氫燃料電池發電集成裝置研發和應用，探索氯堿—氫能—綠電自用新模式。促進可再生能源與氯堿用能相結合， 推動副產氫氣高值利用技術改造。 在滿足氯堿生產過程中堿、氯、氫平衡的基礎上，采用先進制氫和氫處理技術，優化副產氫氣下游產品類別。

5 氯堿企業副產氫發電商業化應用案例

5.1 國際案例

2007 年，在荷蘭政府研發基金的支持下，荷蘭AkzoNobel 氯堿工廠建成行業內第一臺利用氯堿副產氫的氫燃料電池電站， 功率70 kW， 已成功運行4.5 萬h以上。 采用該技術建造與氯堿配套的氫燃料電站，可以直接利用氯堿副產氫氣，無需提純過程。通過氫燃料電站可回收電解單元總電耗20%的電能和10% 的熱能。 該電站是荷蘭的Nedstack Fuel Cell Technology 和AkzoNobel Industrial Chemicals 共同開發，并由MTSA Technopower 組裝了相關設備。

2011 年，Nedstack 和MTSA 一起建造了1 MW的氫燃料電站，在比利時Solvay 的氯堿工廠利用副產氫氣發電，該技術正式進入推廣應用階段。

5.2 國內案例

2022 年8 月，愛德曼氫能源裝備有限公司（簡稱“愛德曼”）與浙江嘉化集團股份有限公司（簡稱“嘉化股份”） 簽訂了1 MW 的氫能分布式發電合作項目。 同年11 月，愛德曼氫能分布式發電系統布置于嘉興港區嘉化股份園區內，并進入現場調試階段。2023 年初愛德曼氫能分布式發電系統正式經過了連續72 h 不間斷測試，順利通過所有數據的考核驗收標準，多項指標以超預期的數據完成測試，測試過程中安全穩定，無故障運行，完全滿足市場規模化的交付需求。該系統采用了先進的燃料電池技術路線，滿足自動調峰等化工場景真實需求。 每兆瓦分布式發電系統每年可發電約450 萬kW·h，二氧化碳減排近4 000 t，是國內兆瓦級的氫能分布式發電系統商業化應用的里程碑。

6 氫燃料電池發電應用對氯堿企業的意義

6.1 是氯堿企業副產氫長周期、穩定消納的新途徑

氯堿副產氫不論是應用于企業自身生產加氫產品，還是出售給下游企業或者氣體公司等方式，都會受末端市場價格和下游需求放緩影響帶來的波動，從而導致氫氣消納不平衡， 甚至由于儲存問題不得已而進行排空處理。

目前氯堿企業副產氫為加氫站供氫是價值最高的消納方式， 但是隨著非化工區制氫加氫管控的逐步放開和電解水制氫技術的發展， 電解水制氫成本持續下降， 未來選擇制氫加氫一體站的建設方案將會越來越多。 這給氯堿企業副產氫的這一高價值消納途徑帶來挑戰，因為加上運輸成本，氯堿企業的副產氫到站價格將不再占優勢，勢必影響氫氣銷量。

2022 年10 月25 日，廣東省住建廳發布了《廣東省燃料電池汽車加氫站管理暫行辦法》（征求意見稿），允許在非化工園區建設制氫加氫一體站。 國內多個地區也開始探索、 支持非化工園區可再生能源制氫加氫項目的發展。截至目前，已有山東、廣東、吉林3 個省級地區和上海臨港區、唐山、武漢3 個市級地區及大連自貿片區出臺了相應文件， 非化工園區制氫加氫的“枷鎖”正在不斷松開。

氫燃料電池發電能夠實現氯堿副產氫的就地消納， 提純后的氫氣通過管輸至氫燃料電池機組進行發電。而且因其發電效率可調節和分時啟停的特征，可以根據氫氣的產量實時調節和匹配，實現副產氫的長周期、穩定消納，做到副產氫資源的“吃干榨凈”。

6.2 能緩解氯堿企業能耗指標壓力

根據《高耗能行業重點領域能效標桿水平和基準水平（2021 年版）》，離子膜法液堿（≥30%）能效標桿水平為315 kg 標準煤/t， 基準水平為350 kg 標準煤/t；離子膜法液堿（≥45%）能效標桿水平為420 kg 標準煤/t，基準水平為470 kg 標準煤/t；離子膜法固堿（≥98%）能效標桿水平為620 kg 標準煤/t，基準水平為685 kg 標準煤/t。

2022 年2 月發改委公布了《高耗能行業重點領域節能降碳改造升級實施指南》。 該文件一方面指出，截至2020 年底中國燒堿行業能效優于標桿水平的產能約占15%， 能效低于基準水平的產能約占25%；另一方面提出，截至2025 年燒堿行業能效標桿水平以上產能比例達到40%，能效基準水平以下產能基本清零。

以平均每1 t 燒堿副產0.025 t 氫氣， 每公斤氫氣發電19 kW·h，國家發展改革委公布的2021 年全國火電機組平均供電煤耗302.5 t 標準煤/kW·h 為參考數據，不同產能的氯堿副產氫用于發電，為企業節約能耗核算見表1。

6.3 可以降低企業用電成本，降碳減排

氯堿副產氫用于氫燃料電池發電， 不但能為企業消納副產氫， 還能為企業提供低于市電價格的電力，降低企業的用電成本。 從氫價-電價敏感性分析可以看出，當氫氣價格為10 元/kg 時，除了氫氣的收入，所發電的成本為0.73 元/kW·h；當氫氣價格為15 元/kg 時，除了氫氣的收入，所發電的成本為0.99 元/kW·h，遠低于一般地區峰時電價，發電的電價和峰時用電的電價差即為發電所節約的電費。 氫價-電價敏感性分析見圖1。

圖1 氫價-電價敏感性分析

以1 MW 氫燃料電池發電機組為例， 年峰時發電量達到450 萬kW·h，折合二氧化碳減排近4 000 t。若電價差為0.181 4 元/kW·h，則每1 MW 每年能為企業節約電費81.6 萬元。 大工業用電與氫發電價格對比圖見圖2。

圖2 大工業用電與氫發電價格對比圖

6.4 是副產氫資源變現的便捷方式

副產氫作為原料使用， 受產品生產周期和市場情況的影響，變現周期長，而且存在不穩定性。同時，燒堿企業作為高耗電企業， 電費的支出是企業經營的必須成本之一，也占用了一定的現金流。

對于中等規模30 萬t/a 的燒堿企業，年副產氫0.75 萬t， 按平均氫氣價格約15 元/kg， 平均電價0.8元/kW·h 計算，單純對比氫氣發電和排空兩種情景，氫氣發電相當于為企業創造了1.14 億元/a 的現金價值。

6.5 助力氯堿企業布局氫能產業

隨著國家鼓勵推行清潔能源利用， 氯堿企業利用副產氫的氫源優勢， 結合氫燃料電池發電布局氫能產業是風險低、見效快的途徑之一。

近幾年， 中國氯堿企業對氫氣價值轉化關注度不斷提高，并向新興領域進行探索和實踐。氯堿企業開始培育新的利潤增長點， 并嘗試向氫能源領域的發展，圍繞氫能產業鏈布局正逐漸展開。部分氯堿企業已經投入運營加氫站和氫燃料電池發電站， 作為無碳、清潔、高效的能源，副產氫的高效利用是實現碳中和、碳達峰的重要途徑之一。

7 氫燃料電池發電應滿足的要求

化工行業有一個長周期“五字真經”，即安、穩、長、滿、優。同樣，氫燃料電池發電想要在氯堿行業中得到廣泛的應用也需要滿足這“五字真經”的要求。

安：首先要滿足化工區域防爆及間距安全要求；穩：設備需要能夠穩定運行，不能在運行過程中造成電力或者氫氣平衡的不穩定， 進而影響企業生產；長：需要能做到匹配主產品的長周期生產運行；滿：要能實現設備滿負荷運轉；優：具有升級優化能力，不斷提升副產氫利用效率。