2023-12-31
氢气制备方式主要包括化石燃料制氢、工业副产氢和电解水制氢三类。
1.化石燃料制氢
化石燃料制氢是以煤或天然气为原料还原制氢的传统方案,技术成熟、成本最低,但碳排放量高,且化石燃料不可再生,产能扩张空间有限,存量产能将逐步结合CCUS技术,以降低排放。
煤气化制氢和天然气蒸汽重整(SMR)制氢是化石燃料制氢的两种主流方案。
煤气化制氢是煤在气化炉中与水蒸气发生分步反应制备的氢气。其原理为:煤(C)在气化炉中与水蒸气反应生成CO和H2,CO进一步与水反应生成H2和CO2。天然气制氢主要为天然气中的甲烷与水蒸气发生分步反应生成的H2,反应前通常需对天然气进行脱硫处理,防止催化剂中毒。
我国化石燃料制氢以煤制氢为主。一方面,我国的化石能源储量呈现“富煤少气”特点,煤储量更为丰富;另一方面,我国天然气含硫量高,预处理工艺复杂,导致在我国天然气制氢经济性低于煤制氢。
煤制氢路线中,制备环节设备投资增量可能有限。煤制氢的核心设备是煤气化炉,为大型设备,固定成本高,适用于大规模集中化生产。现阶段存量煤气化炉的制氢潜力较充足,在氢能应用的过渡阶段可提供补充氢源,但不排除产生增量设备投资的可能。
提纯、碳捕集环节带来广阔的潜在设备需求。化石燃料制氢需经过提纯工序,方可在燃料电池中使用;制氢反应产生大量二氧化碳,需要结合CCUS(碳捕集、封存和利用)技术,以降低碳排放。提纯和碳捕集环节存在较为广阔的设备投资空间。
化石燃料制氢伴随大量碳排放,需要配合CCUS技术。
CCUS技术中,与化石燃料制氢直接衔接的是尾气碳捕集环节。二氧化碳捕集包括捕获分离、净化和压缩等工艺,本质是一种气体分离过程。其技术路线包括醇胺法、氨法、膜分离法、深冷法等。
目前,醇胺法和氨法是国内外二氧化碳捕集最成熟的技术,我国醇胺化学吸收法技术已达国际水平。化学吸收所需设备主要为吸收塔,捕集和储运环节还需要增压机组、液化设备等装备。
制冷设备、油气设备企业是CCUS相关设备赛道的主要参与者。
2.化工副产氢
化工副产氢是氯碱,轻烃利用等化工工艺获得副产氢的方案,成本较低,但制备规模取决于主产品制备规模,扩张空间有限,可作为补充性氢源。
焦炉煤气、氯碱化工、轻烃利用(丙烷脱氢、乙烷裂解)、合成氨合成甲醇等工业均会产生副产物氢气。
目前,国内工业副产氢部分作为化工原材料或锅炉燃料使用,也存在部分放空,整体使用效率不高。
化石燃料制氢和化工副产氢均需经过提纯工序,产品纯度和特定杂质含符合燃料氢气标准(GBT37244-2018)后方可用于燃料电池。
现阶段氢气提纯主要有变压吸附(PSA)、深冷分离(低温精馏)、膜分离、色谱分离和吸收法等方法。其中,变压吸附法和深冷分离法在工业生产中技术最为成熟。
变压吸附法(PSA)的核心在于专用吸附剂(分子筛)的研发,设备环节吸附塔结构、阀门和控制系统的设计对变压吸附的效果和系统寿命同样具有显著影响。变压吸附技术主流供应商为掌握吸附剂研发技术的化工企业,开发相应的工艺和成套装置,向下游客户提供整体解决方案。
深冷分离法采用大型成套设备,由冷箱、换热器、精馏塔等组成。设备企业掌握深冷工艺及设备制造能力,可提供整体解决方案。
3.电解水制氢
电解水制氢是利用水的电解反应制备氢气的技术,可再生电力制氢称为“绿氢”,是零碳排、可持续的“终极路线”,但目前成本仍是制约其普及的瓶颈因素,其规模化应用需要产业链各环节推动降本。
电解水制氢主要有碱性电解(ALK)、质子交换膜电解(PEM)、固体氧化物电解(SOEC)和阴离子交换膜(AEM)四种方法。
碱性电解(ALK)是在碱性电解质溶液(通常为KOH)中完成的电解过程,OH-离子经隔膜到达阳极,失去电子产生O2,水在阴极得到电子,产生H2和OH-。
质子交换膜电解(PEM)是对纯水进行电解,H2O分子在阳极氧化生成氧气和H+离子,H+(质子)在电场作用下通过质子交换膜迁移至阴极并发生还原反应生成氢气的方法。
固体氧化物电解(SOEC)是在高温状态下将水蒸气电离生成氢离子和氧离子,分别在电极上生成氢气和氧气的过程,其反应温度通常在600℃以上,适用于产生高温、高压蒸汽的光热发电系统。
阴离子交换膜电解(AEM)通常采用纯水或低浓度碱性溶液作为电解质,反应过程为:OH-经交换膜到达阳极生成水和氧气,水分子在阴极生成OH-和氢气。
从电解槽的装机容量来看,碱性电解是目前的主流路线,PEM路线成长迅速。
电解水制氢装置包括主体设备、辅助设备(BOP,BalanceofPlant)及电控设备三部分。
主体设备由电解槽和附属设备一体化框架组成,电解槽为核心设备;辅助设备包括水箱、碱箱、补水泵和气体减压分配框架等;电控设备包括整流柜,配电柜等。
电解槽是电解反应发生的主要场所,由多个电解小室堆叠而成,是一种高度模块化的系统。
碱性电解槽由多个电解小室构成,电极、隔膜和密封垫片是关键材料。碱性电解槽通常呈圆柱形,可采用串联单极性或并联双极性压滤式结构,由螺栓和两块端压板将极板夹在一起,形成多个分隔的小室,每个小室由电极、隔膜、垫片、双极板组成。
电极、隔膜和密封垫片是碱性电解槽的关键材料。电极通常采用镍网或泡沫镍,其性能对电流密度和电解效率有决定性影响,其成本约占系统成本的28%;隔膜用于将两极隔离开,要求保障气密性的同时,降低电阻以减少电能损耗;密封垫片用于解决极片之间的绝缘问题,其绝缘性能对电解效率、安全、系统使用寿命均有影响。
PEM电解系统主要由电解槽和辅助系统(BOP)组成。
电解槽是电解反应制氢的核心装置,辅助系统则用于原材料(水)的处理、系统循环和氢气产物的干燥纯化等,主要包括电源供应系统、氢气干燥纯化系统、去离子水系统和冷却系统等部分。
PEM电解槽采用质子交换膜作为电解质,结构和性能具有一定优势。PEM电解槽同样由多个电解单元堆叠而成,每个单元均由质子交换膜、催化剂、气体扩散层和双极板构成。
PEM电解槽使用质子交换膜作为固体电解质,替代了碱性电解槽使用的隔膜和液态电解质(KOH溶液),内阻更小、内部结构更为紧凑,电解效率大幅提高,规模选择也更为灵活;PEM电解采用纯水而非碱液作为电解原料,产氢纯度较碱性制氢更好。然而,PEM电解在强酸性环境下进行,需使用贵金属催化剂,导致成本较高。