李毅中：科學(xué)把握、合理選擇制氫工藝路徑
來源：中國工業(yè)報(bào) 2019-09-30
李毅中 工業(yè)和信息化部原部長、中國工業(yè)經(jīng)濟(jì)聯(lián)合會會長
氫能產(chǎn)業(yè)鏈中，制備—儲運(yùn)—加注—應(yīng)用四個環(huán)節(jié)，后三個環(huán)節(jié)科技攻關(guān)都取得了進(jìn)展，工藝和設(shè)備日漸自主可控，燃料電池已產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，但對氫源從哪里來也應(yīng)該深入研究。我想談?wù)勅绾我原h(huán)保、經(jīng)濟(jì)、安全、高效的方式實(shí)現(xiàn)氫能的供給，與大家做個交流，不當(dāng)之處請批評指正。
一、當(dāng)今獲得氫源的幾種途徑
自然界并沒有礦藏氫氣，氫氣是二次能源，需要人工制備。制氫是個老話題，也是新話題。說其 “老”，因?yàn)橐延袕幕茉粗茪渖a(chǎn)水煤氣、合成氨、尿素、甲醇等化工產(chǎn)品成熟的氫碳平衡的工藝技術(shù)；說其“新”，因?yàn)闅浣?jīng)燃料電池轉(zhuǎn)化為電，開辟了新用途，產(chǎn)生了新需求，也伴生了新問題。因此需要認(rèn)真研究，科學(xué)把握。
一般地說，制備氫氣有幾種途徑：
第一，化石能源制氫。煤、天然氣、石油 （包括輕烴、石腦油、重油）制氫一般不是以氫氣為最終產(chǎn)品，而是進(jìn)一步生產(chǎn)化工產(chǎn)品或用以深度加工提高質(zhì)量和收率。煤炭中含氫很少，煤種不同只有2%~5%，主要是用生產(chǎn)水煤氣的方式產(chǎn)氫，同時伴生大量CO和二氧化碳，進(jìn)一步合成將碳固定在目的產(chǎn)品中，避免或減少了二氧化碳的大量排放。天然氣和石油組分中含氫較高，約在15%以上，以甲烷為例，與水反應(yīng)生成氫氣和二氧化碳，氫氣收率較高，同樣進(jìn)一步合成為相關(guān)石化產(chǎn)品。由化石能源制氫，如果將氫作為目的產(chǎn)品，不可逾越的問題是二氧化碳的出路。生產(chǎn)1kg氫伴生的二氧化碳重量，煤制氫約為11，天然氣制氫約為5.5，輕油制氫約7。作為溫室氣體的二氧化碳絕不允許大量排放，氣候變暖是對人類的威脅，少量排放也將會征收高額碳稅。所謂二氧化碳的捕集、利用和封存技術(shù)（CCUS或CCS）尚在試驗(yàn)并未產(chǎn)業(yè)化，亟待科技攻關(guān)。因此可以說，在當(dāng)下的技術(shù)條件下，雖然化石能源制氫技術(shù)成熟，但此路徑并不可取，不宜新建。至于用甲醇裂解制氫同樣伴生約7倍的二氧化碳，同樣不能大量排放，況且甲醇就是由煤制得的。
近日 “世界能源理事會”把這種伴有大量二氧化碳排放的氫稱為 “灰氫”，把二氧化碳通過CCS或CCUS避免排放的氫稱為“藍(lán)氫”。顯然 “灰氫”不可取，灰變藍(lán)才可以用。
第二，工業(yè)副產(chǎn)氫氣的回收提純利用。煉油尾氣、乙烯尾氣、氯矸尾氣中含有不同比例的氫氣。氫氣是石油化工寶貴的資源，通過加氫處理、加氫裂化等工藝過程可提高產(chǎn)品質(zhì)量和收率。現(xiàn)在大體做到了能收盡收，能用盡用。即使有少量未能回收也混入燃?xì)庾鳛槿剂稀氖突の矚庵谢厥盏臍錃馐紫仁菨M足自用，是否能有較多余量外供，需研究協(xié)調(diào)平衡。
至于焦?fàn)t氣，即煤在隔絕空氣加熱干餾生成主產(chǎn)品焦炭，副產(chǎn)焦?fàn)t氣和煤焦油等。焦?fàn)t氣中含氫約50%~60%(V)，其余是甲烷等，折算其中氫的重量收率不到2%。焦?fàn)t氣是合適的化工原料，也可作為燃料氣利用。無論從安全、環(huán)保還是資源節(jié)約，都不可能大量放空，甲烷也是 “厲害”的溫室氣體從焦?fàn)t氣和其他工業(yè)含氫尾氣中要通過脫硫、CO變換、甲烷化、變壓吸附（PSA）等處理提純到99.99%的氫純度并除去CO、硫化物、鹵化物等有害雜質(zhì)，氫氣外供是可行的。就煤焦化而言，其主產(chǎn)品焦炭主要用于煉鐵，一噸鐵約需0.4噸焦炭，如果把焦?fàn)t氣作為主要目的產(chǎn)品而擴(kuò)大煉焦能力會造成焦炭的嚴(yán)重過剩，就本末倒置了，何況煉焦本身是高耗能、高污染，更要防止產(chǎn)能過剩。
第三，電解水制氫。是潔凈的制氫技術(shù)。其中用可再生能源電解水制得的氫被“世界能源理事會”稱為“綠氫”，是未來制氫的發(fā)展方向。需要研究的一是要用非化石能源產(chǎn)生的清潔電源，如果用火電就沒有意義了，這就要建立清潔電源的專用分布式電網(wǎng)。二是耗電過高要大力降低耗電，提高制氫能效。三是利用棄水、棄風(fēng)、棄光 “三棄”電量是可能的，數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過努力，2018年我國 “棄水、棄風(fēng)、棄光”率分別是5.8%、7%和3.1%，國際先進(jìn)水平是3%，仍有一定潛力。減少 “三棄”可以攤薄總發(fā)電成本，如電力企業(yè)可以優(yōu)惠價供電解水用電就更好了。如今在張家口、內(nèi)蒙古、新疆等地風(fēng)電資源豐富的地方做試點(diǎn)，如氫能就近使用，避免長途運(yùn)輸就更合理了。
綜上所述，希望業(yè)界在致力燃料電池攻關(guān)的同時，也要關(guān)注氫氣的來源，尋求環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、可靠的氫氣制備路徑。至于其他方式制氫如核能制氫、太陽能制氫、生物制氫等尚在研發(fā)之中，期望能加快攻關(guān)。氫氣的制備要與儲存、運(yùn)輸、加注、應(yīng)用協(xié)調(diào)發(fā)展，落實(shí)氫源才能使整個產(chǎn)業(yè)鏈成為有源之水、有本之木。
二、制氫路徑的選擇要把握環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、能效性
制氫路徑在工藝技術(shù)成熟可靠的基礎(chǔ)上要科學(xué)把握其特殊要求。至于環(huán)保先決前已簡述，制氫過程不能發(fā)生溫室氣體二氧化碳的大量排放，顯然這是首要的、必需的。“灰氫”不可取，“藍(lán)氫”可以用，“廢氫”可回收，“綠氫”是方向。對制氫的經(jīng)濟(jì)評價、安全評估、能效評定也應(yīng)高度關(guān)注。
經(jīng)濟(jì)性評價包括購車、能耗、維修養(yǎng)護(hù)等多方面。僅從制氫評價，對已有各種制氫工藝技術(shù)的成本有不同的版本和數(shù)據(jù)，出入較大，總的看是偏小了。大體上每kg氫氣生產(chǎn)成本在合理的原材料價格和電價的前提下，煤制氫10元，天然氣、石腦油、重油、甲醇制氫約17元，工業(yè)副產(chǎn)氫回收提純21元，電解水制氫30元。在此成本價的基礎(chǔ)上一是應(yīng)計(jì)算氫氣的完全生產(chǎn)成本，應(yīng)包括折舊、稅金、人工以及各項(xiàng)費(fèi)用和制氫廠的合理利潤，形成氫氣的出廠價。二是計(jì)算氫氣的儲存、運(yùn)輸和加注的成本、費(fèi)稅、利潤，形成燃料電池車用氫的零售價。用這個完整的市場價與汽油的市場零售價、與商用電價加充電站費(fèi)用相比才公平合理，并可據(jù)此提出相應(yīng)的政策支持要求。隨著制氫工藝設(shè)備的改進(jìn)完善，氫氣會有較大的降價空間，以顯示其有競爭力的經(jīng)濟(jì)性。使用小型電解水制氫與加注合一裝備，可以降低儲運(yùn)加注費(fèi)用。
用氫的安全保障不能不是社會關(guān)注的熱點(diǎn)之一。采用安全可靠的技術(shù)和裝備可以提供制氫、儲運(yùn)、加注和用氫的全產(chǎn)業(yè)鏈安全保障，這一點(diǎn)不容置疑。但這并不意味著可以改變氫的自然屬性。氫氣無色無嗅、重度低、熱值高、易揮發(fā)，其爆炸極限很寬，為4%~75.6%(V)，易燃易爆，屬危險(xiǎn)品。正如汽油在汽車中使用是安全的，但汽油終究還是易燃易爆的危險(xiǎn)品。我國大慶煉油廠加氫裂化車間1967年9月9日、撫順石油三廠加氫車間1975年7月24日均因氫氣泄漏發(fā)生過特別重大和重大爆炸人身事故；2015年10月18日某大學(xué)化學(xué)系一實(shí)驗(yàn)室發(fā)生氫氣爆炸人身事故。近日報(bào)道挪威的一家加氫站爆炸。至于氫氣球玩具發(fā)生爆燃燒傷事故，更有不少報(bào)道。我這樣講并不是聳人聽聞或杞人憂天，而是歷史的教訓(xùn)值得記取。在氫氣全產(chǎn)業(yè)鏈中，都要把安全放在首位。
至于用氫的能效，需要研究的問題，一是要考慮制氫效率，即所產(chǎn)氫氣的單位熱值/制氫過程中的單位能耗，現(xiàn)在只有60%。二是氫氣用在乘用車上，每百公里耗1kg，電解水制1kg氫耗電約56KWh，而電動乘用車百公里耗電15~20KWh。期望燃料電池乘用車的性能進(jìn)一步提升，使百公里耗氫有較大下降，同時大力減少電解水耗電以顯示其較好的能效性。
積極發(fā)展節(jié)能與新能源汽車是必然趨勢。我國自2012年確定新能源汽車包括純電動車、插電式混合動力汽車及燃料電池汽車。如今電動車產(chǎn)量、保有量都占全球的一半，電池、電機(jī)、電控都接近或達(dá)到國際水平，充電樁建設(shè)也相應(yīng)加快，已由培育期進(jìn)入成長期。但仍需加大投入、加快技術(shù)創(chuàng)新，堅(jiān)持不懈努力，推進(jìn)燃油車的替代。燃料電池車的研發(fā)研制也取得了進(jìn)展，具有功率大、續(xù)航長、加注快、低溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，適宜用于客車、貨車等商用車，有特定的應(yīng)用場景更顯其優(yōu)勢，可以成為新能源汽車大家族中的重要成員，有良好的發(fā)展前景，相應(yīng)要更長時間。因此需全盤考慮、縝密規(guī)劃、攻堅(jiān)克難、有序發(fā)展。（作者：李毅中）
