蘇越

摘 要：近年來(lái)，全國(guó)的機(jī)動(dòng)車保有量持續(xù)增加。然而，機(jī)動(dòng)車數(shù)量的不斷增加也帶來(lái)了嚴(yán)重的資源與環(huán)境問(wèn)題。氫能作為一種清潔的能源，對(duì)于減少溫室氣體排放和改善大氣質(zhì)量具有重要的意義。在鋼鐵的生產(chǎn)流程當(dāng)中，存在著諸如焦?fàn)t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(píng)價(jià)（LCA）方法對(duì)焦?fàn)t煤氣制氫過(guò)程、氫氣運(yùn)輸過(guò)程及終端消費(fèi)過(guò)程的成本和碳足跡進(jìn)行了定量化的評(píng)估。本文首先考察了焦?fàn)t煤氣制氫的工藝流程，由于焦?fàn)t煤氣中氫氣含量較高，通過(guò)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(píng)價(jià)的系統(tǒng)邊界，包含了焦?fàn)t煤氣的變壓吸附分離純化、氫氣的后處理、氫氣的運(yùn)輸以及氫氣進(jìn)入加注站等過(guò)程，并作出了一些必要的基本假設(shè)。接下來(lái)，本文對(duì)于焦?fàn)t煤氣制氫生命周期的每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了定量化的清單分析，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總后得出，若采用氣氫拖車的運(yùn)輸方式，焦?fàn)t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(yùn)輸方式，焦?fàn)t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(duì)計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行了一定的分析，提出了一些降低焦?fàn)t煤氣制氫成本的具體建議。

關(guān)鍵詞：焦?fàn)t煤氣制氫；生命周期評(píng)價(jià)；經(jīng)濟(jì)性；碳足跡

中圖分類號(hào)：TQ116.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）21-0135-02

“十二五”以來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，也導(dǎo)致了全國(guó)機(jī)動(dòng)車的數(shù)量持續(xù)增加。然而，機(jī)動(dòng)車數(shù)量的不斷增加也帶來(lái)了嚴(yán)重的資源與環(huán)境問(wèn)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(jìn)一步加劇我國(guó)的能源壓力；另外，汽車尾氣中的有害氣體對(duì)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(duì)于減少溫室氣體排放和改善大氣質(zhì)量具有重要的意義。

1 氫氣的基本性質(zhì)和用途

氫氣是目前最清潔的能源，它能和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生無(wú)污染的水。在以煤炭為主的化石能源結(jié)構(gòu)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(zhì)來(lái)看，氫氣具有低密度，無(wú)色，無(wú)味等性質(zhì)。常溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但可與較多物質(zhì)在點(diǎn)燃或加熱情況下反應(yīng)。從用途上來(lái)看，氫氣被廣泛的應(yīng)用于合成氨工業(yè)。在石油工業(yè)上，各類加氫化過(guò)程，如：裂化，脫硫等需要消耗大量氫氣，同時(shí)氫氣還可以用來(lái)合成其他物質(zhì)。氫氣和氯氣反應(yīng)生成氯化氫并用來(lái)生產(chǎn)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(guò)放熱反應(yīng)參與到金屬切割中。

2 焦?fàn)t煤氣制氫的工藝流程

焦?fàn)t煤氣中氫氣含量占比較大，現(xiàn)有的焦?fàn)t煤氣制氫都通過(guò)變壓吸附分離來(lái)提高氫氣純度。但是焦?fàn)t煤氣中仍存在一些雜質(zhì)，這些雜質(zhì)必須在進(jìn)入PAS前脫除。同時(shí)，由于焦?fàn)t煤氣壓力只有5kPa，為滿足PSA以及后續(xù)需要，需要將焦?fàn)t煤氣壓力分段壓縮提升。其工藝流程為首先將焦?fàn)t煤氣加壓處理，經(jīng)過(guò)預(yù)處理除去雜質(zhì)，得到較高壓力的凈化氣，然后進(jìn)一步加壓，進(jìn)行變壓吸附分離操作，即可得到高壓的純化氫氣。

3 焦?fàn)t煤氣制氫的生命周期評(píng)價(jià)

3.1 系統(tǒng)邊界

本文所考察的系統(tǒng)邊界如圖1所示。包含了焦?fàn)t煤氣的變壓吸附分離純化、氫氣的后處理、氫氣的運(yùn)輸以及氫氣進(jìn)入加注站等過(guò)程。對(duì)于運(yùn)輸過(guò)程而言，運(yùn)輸車輛及其所需柴油的生產(chǎn)過(guò)程的成本和碳足跡將不予以考慮。對(duì)于運(yùn)輸方式而言，本文分別考慮氣氫拖車和液氫拖車兩種運(yùn)輸方式，不考慮管道運(yùn)輸?shù)姆绞?，因?yàn)楣艿肋\(yùn)輸?shù)耐顿Y成本較高，且只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的運(yùn)輸。但是，對(duì)于液氫拖車運(yùn)輸?shù)姆绞?，需要考慮液氫儲(chǔ)罐的成本。本文以下的所有計(jì)算均按照生產(chǎn)能力為60000m3H2/h進(jìn)行計(jì)算。

3.2 固定資產(chǎn)投資的成本清單分析

已知基于2010年的價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)能力37500m3/h的焦?fàn)t煤氣制氫裝置需要1.2億元的初始投資，建設(shè)工期10個(gè)月，固定資產(chǎn)投資價(jià)格指數(shù)1.1。則可以估算出所需的一次性1.75億元，建設(shè)工期約為14月。

3.3 生產(chǎn)原料的清單分析

由于焦?fàn)t煤氣在鋼鐵企業(yè)主要被用作燃料使用，因此這里考慮的原料成本實(shí)際上是將焦?fàn)t煤氣用于制氫后鋼鐵企業(yè)需要的替代天然氣燃料的經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境成本。已知天然氣的熱值為38500kJ/m3，取天然氣價(jià)格為3.65元/m3。則可以計(jì)算得出原料的成本為1.33元/kgH2，碳足跡為11.36kg/kgH2。

3.4 焦?fàn)t煤氣制氫過(guò)程的清單分析

由于PSA制備純化氫氣是一個(gè)物理過(guò)程，因此該過(guò)程主要的成本在于電能的消耗帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境成本。已知中國(guó)的電能的碳足跡為0.8kg/kWh，電價(jià)取0.8元/kWh，根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)則可以計(jì)算得出，焦?fàn)t煤氣制氫過(guò)程的成本為0.23元/kgH2，碳足跡為0.23kg/kgH2。

3.5 氫氣后處理過(guò)程的清單分析

出于運(yùn)輸?shù)男枨螅?jīng)過(guò)焦?fàn)t煤氣制氫生產(chǎn)工藝流程之后得到的氫氣，需要進(jìn)一步進(jìn)行壓縮。根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算可知，不論是采用氣氫拖車運(yùn)輸方式還是液氫拖車運(yùn)輸方式，該過(guò)程的經(jīng)濟(jì)成本均為12.00元/kgH2，碳足跡為0.23kg/kgH2。

3.6 氫氣運(yùn)輸過(guò)程的清單分析

關(guān)于氫氣的運(yùn)輸過(guò)程的經(jīng)濟(jì)成本的核算較為復(fù)雜。本文直接采用產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告中的數(shù)據(jù)，即基于200km的運(yùn)輸半徑進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)采用氣氫拖車進(jìn)行運(yùn)輸時(shí)，運(yùn)輸階段的成本為2.02元/kgH2，而當(dāng)采用液氫拖車進(jìn)行運(yùn)輸時(shí)，運(yùn)輸階段的成本為8.57元/kgH2。

關(guān)于氫氣運(yùn)輸過(guò)程中的碳足跡，主要是運(yùn)氫車輛的柴油燃燒所導(dǎo)致。從文獻(xiàn)中了解到1kg柴油燃燒排放3.1863kgCO2，運(yùn)輸車輛每百噸公里油耗為6.3L。經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得出，當(dāng)采用氣氫拖車進(jìn)行運(yùn)輸時(shí)，運(yùn)輸階段的碳足跡為1.00kg/kgH2；而當(dāng)采用液氫拖車進(jìn)行運(yùn)輸時(shí)，運(yùn)輸階段的成本為0.10kg/kgH2。

3.7 氫氣進(jìn)入加注站過(guò)程的清單分析

氫氣從運(yùn)輸車輛進(jìn)入加注站過(guò)程當(dāng)中主要的成本在于壓縮機(jī)的電能消耗。根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)可以計(jì)算得出，當(dāng)采用氣氫拖車運(yùn)輸方式時(shí)，氫氣從運(yùn)輸車輛進(jìn)入加注站的經(jīng)濟(jì)成本為0.72元/kgH2，碳足跡為0.72kg/kgH2；而當(dāng)采用液氫拖車運(yùn)輸方式時(shí)，氫氣從運(yùn)輸車輛進(jìn)入加注站的經(jīng)濟(jì)成本為0.64元/kgH2，碳足跡為0.64kg/kgH2。

3.8 總結(jié)與討論

通過(guò)對(duì)以上的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總，可以得到焦?fàn)t煤氣制氫的基于全生命周期評(píng)價(jià)的經(jīng)濟(jì)成本和碳足跡，如表1和表2所示。分析表中數(shù)據(jù)，不難得到如下結(jié)論：

（1）從不同的環(huán)節(jié)的角度來(lái)看，焦?fàn)t煤氣制氫的經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境成本最高的環(huán)節(jié)在于對(duì)已經(jīng)得到分離純化的氫氣進(jìn)行后續(xù)壓縮和液化處理用于運(yùn)輸?shù)沫h(huán)節(jié)，占到整個(gè)制氫成本的一半左右。因此，要想提高焦?fàn)t煤氣制氫的經(jīng)濟(jì)性，減少其環(huán)境成本，需要重點(diǎn)關(guān)注壓縮液化氫氣的環(huán)節(jié)，提高壓縮機(jī)等設(shè)備的效率，降低該過(guò)程的電能消耗。此外，從碳足跡的角度來(lái)看，由于焦?fàn)t煤氣被天然氣替代用作燃料帶來(lái)的碳足跡也相當(dāng)可觀，占整個(gè)生命周期的碳足跡的一半左右。因此，對(duì)于鋼鐵行業(yè)而言，提高燃料的利用效率，對(duì)于降低焦?fàn)t煤氣制氫的環(huán)境成本具有重要意義。

（2）從運(yùn)輸方式的角度來(lái)看，液氫拖車的經(jīng)濟(jì)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(méi)有太大的優(yōu)勢(shì)。造成這一現(xiàn)象的原因主要在于液氫拖車的儲(chǔ)罐的制造成本仍然較高。因此，目前來(lái)看，采用氣氫拖車運(yùn)輸不僅在成本上具有較大的優(yōu)勢(shì)，而且其帶來(lái)的環(huán)境影響也比較有限。

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