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如果從世界上第一個合成氨工廠——1913年9月9日投產的德國巴登苯胺純鹼公司合成氨工廠算起,人類大規模用氫已經有107年歷史。在21世紀的今天,氫能利用更是如火如荼,中國也不例外,中國化工產業更不例外。只是,在這新一輪產業結構調整中,我們是只能繼續跟跑,還是能夠領跑呢?跟隨石化產業觀察(微信號:SHCYGC)一起來看看吧。
「氫王」項目被不斷刷新
繼1913年氫氣應用於合成氨生產過程中後,1921年又在煉油-乙烯實現工業化應用,後擴展到煤化工、氯鹼化工、精細化工等諸多領域。在制氫技術方面,目前已形成煤制氫、天然氣制氫、工業尾氣分離提氫、工業尾氣變換制氫、甲醇蒸汽催化裂解制氫、輕烴裂解副產氫、水電解制氫、水催化電解制氫、光解水制氫等十多種工業化技術,還有變壓吸附、變溫吸附、深度冷凍、膜分離等多種純氫工藝。目前,全球每年純氫產量超過8000萬噸,其中,70%來自天然氣制氫,20%來自煤制氫,10%來自工業副產和水電解制氫。
隨著制氫技術的豐富,制氫規模也在不斷創出新高。
1978年,美國UCC公司建成了世界首套500立方米/小時焦爐煤氣制氫裝置,至今全球最大焦爐煤氣制氫裝置規模已突破2萬立方米/小時。天然氣制氫裝置的世界紀錄由沙特拉比煉油公司13400立方米/小時裝置創造並保持。
2020年3月6日,日本福島FH2R項目建成投運了當時世界最大的光伏-電解水制氫裝置——20兆瓦光伏發電-1200立方米/小時電解水制氫裝置,但今年這個「最大」名頭將於年底被中國寧夏寶豐能源股份有限公司2萬標準立方米/小時光伏-電解水制氫一體化項目取代。
2019年7月,中國山東壽光魯清石化有限公司6萬立方米/小時裝置的建成投產,標誌著全球最大甲醇制氫裝置的誕生。
繼2016年9月建成投運了2兆瓦氫燃料電站之後,中國營創三徵(營口)精細化工有限公司正規劃建設全球最大的氯鹼副產氣制氫項目(1.55億立方米/年)。
浙江衛星石化有限公司憑藉其合計90萬噸/年丙烷脫氫裝置副產的3.34億立方米/年氫氣,成為中國最大輕烴裂解制氫企業。
2008年,中國神華集團為其鄂爾多斯百萬噸煤直接液化項目配套的28萬立方米/小時變壓吸附制氫裝置,一度被譽為「世界氫王」,但這個名頭現已經花落中國恆力石化(大連)有限公司,恆力石化為其2000萬噸/年煉油裝置配套的煤制氫裝置規模達50萬立方米/小時。
不僅如此,已投產的浙江石油化工有限公司煉化一體化一期工程以及即將投產的陝煤集團榆林化學有限公司180萬噸/年煤制乙二醇項目分別配套了49萬立方米/小時和48萬立方米/小時制氫裝置,均刷新了「世界氫王」的紀錄。
氫燃料產業最被追捧
在氫能利用方面,目前最被看好的是氫燃料。
試驗表明,燃燒同等重量的煤、汽油和氫氣,氫氣產生的能量最多。而且氫氣燃燒後既不會產生灰渣和廢氣,也不會生成二氧化碳和二氧化硫,僅生成水。作為燃料,煤和石油的儲量是有限的,而氫則可以源源不斷地產生。因此,氫能被視為21世紀最理想的能源。
正是基於上述原因,本世紀以來,不少國家先後推出雄心勃勃的氫燃料電池汽車發展計劃並出臺系列優惠政策。
2015年,美國將氫燃料電池汽車稅收抵免額度提高至8000美元/輛。2017年,給予氫燃料電池汽車4000美元/輛的稅額抵扣。
歐盟在2016年發布了《燃料電池與氫能源實施計劃(2014-2020)》,計劃為燃料電池與氫聯合行動計劃項目投入7億歐元。2019年發布的《歐洲氫能路線圖》預計,到2030年氫能源產業將為歐盟創造1300億歐元市場;到2050年氫能將滿足歐盟最終能源需求的24%並創造8200億歐元市場。
英國早在2011年就計劃實現氫燃料電池汽車本土化生產並自行研發相關技術。並規劃在2030年之前將氫燃料電池汽車保有量提高到160萬輛,在2050年之前氫燃料電池汽車在本國市場佔有率達到30%~50%。
韓國2019年出臺政策給每臺氫燃料電池汽車2750萬韓元的購買補貼,力爭到2030年佔據全球氫能動力汽車和燃料電池市場第一的位置。
不過話說回來,在氫能源利用方面發展最快的還是日本。日本是世界上第一個提出構建氫能社會的國家,也是世界上第一個造出商用氫燃料汽車的國家。2019年4月,日本政府發布《第五次能源基本計劃》,提出要將氫氣的價格降至汽油價格的80%,並且將氫燃料的利用普及到普通百姓生活中。到2019年,日本已經有23萬戶人家安裝了氫燃料電池(PEFC),價格由最初的300萬日元/臺降至95萬日元/臺(折合人民幣6萬元/臺)。日本政府的近期目標是到2030年,讓氫燃料電池走進530萬戶人家,佔全國家庭的20%。據悉,在即將召開的2020年東京奧運會中就將使用氫能熱電聯產系統。它不僅可以為奧運村中的住宅提供電力,發電過程中產生的熱能可用於家用熱水、洗浴、水熱地暖,富餘的電力還能出售給電力公司。
另外,印度、俄羅斯、丹麥、瑞士、紐西蘭、新加坡、沙特等國均在氫能利用方面開始了積極的探索。
中國工信部在2016年發布的《節能與新能源汽車技術路線圖》指出,到2020年實現氫燃料汽車達到5萬輛規模,2030年達到100萬輛。即使在新冠病毒疫情中,今年5月9日財政部還不忘下發《關於徵求(徵求意見稿)意見的函》,要求在北京、山西等8省市推廣氫燃料電池汽車。中信證券股份公司證券研究部的報告顯示,2020年、2025年和2030年,中國氫燃料電池車產量將分別躍過1萬輛、10萬輛和100萬輛大關。
國內化工氫項目漸熱
氫燃料將給化工行業帶來巨大商機,這是業內專家的共同看法。
首先,化工行業擁有得天獨厚的制氫路線。
無論是石油化工、天然氣化工、煤化工,還是生物質化工,其生產過程都伴隨著制氫、分離、純氫、用氫等環節。目前,全球能源化工行業制氫、用氫總量佔全社會總量的90%以上。2018年,我國煉廠制氫規模為350萬噸,現代煤化工制氫規模為700萬噸,傳統煤化工制氫規模為1850萬噸,天然氣化工制氫規模為400萬噸,焦化行業制氫規模為600萬噸,氯鹼行業制氫規模為100萬噸,乙/丙烷脫氫等行業制氫規模為60萬噸。
其次,化工制氫成本最低。
有專家測算,假設天然氣、煤、甲醇價格分別為2.2~3.5元/立方米、400~800元/噸、1800~3400元/噸,則其制氫成本依次為:1.04~1.48元/標準立方米、0.83~1.13元/標準立方米、1.79~2.78元/標準立方米。而焦爐煤氣提氫、氯鹼企業副產氣制氫、合成氨/甲醇廠馳放氣制氫、煉廠副產氣制氫的完全成本不超過0.6元/立方米,乙/丙烷裂解副產氫氣的成本甚至不足0.2元/立方米。即便採用目前效率最高、成本最低的電解水制氫且假設電費為0.5元/千瓦時的情況下,完全成本也高達3元/立方米。
再次,化工副產氫的產量十分驚人。
據了解,100萬噸/年焦化項目可副產氫氣19178立方米/小時,我國焦化行業年副產氫氣325萬噸,可供給2273萬輛氫燃料汽車。100萬噸/年聚氯乙烯項目副產氫氣除40%供下遊使用外,剩餘氫氣12500立方米/小時,全行業年產氫氣25.6萬噸,可供給179萬輛氫燃料汽車。45萬噸/年丙烷脫氫裝置副產氫氣除自用外,剩餘氫氣1.5萬噸/年折合19000立方米/小時,全國丙烷脫氫裝置年產氫氣30.5萬噸,規劃項目年產氫氣11.3萬噸,可供給292萬輛氫燃料汽車。125萬噸/年乙烷裂解制乙烯裝置可副產8萬噸/年氫氣,折合10萬立方米/小時,現有裝置可副產氫氣27.5萬噸/年,規劃裝置可副產氫氣65.9萬噸/年,可供給653萬輛氫燃料汽車。
2019年,我國僅氯鹼、焦化、煉廠、甲醇、合成氨、輕烴綜合利用等石油化工企業放空或火炬燒掉的氫氣就達377.2萬噸。而根據規劃,2030年我國氫燃料電池汽車總用氫量只有101.67萬噸,2050年不過160萬噸。這意味著,若將目前浪費掉的氫氣回收、分離、提純,不僅能滿足未來30年全國氫燃料電池汽車的需求,還能每年為能源化工行業增加淨利潤165億元(按售價1元/立方米,完全成本0.6元/立方米,淨利潤0.4元/立方米計算)。同時,減排二氧化碳8140萬噸,節約標煤3060萬噸(以目前較低成本的煤制氫計算)。
事實上,由於看好氫能廣闊的應用前景,一批化氫結合項目已經開始建設。
2019年4月13日,浙江衛星氫能科技有限公司宣布,其母公司位於浙江嘉興的90萬噸/年丙烷脫氫、連雲港400萬噸/年輕烴綜合利用項目,每年分別可副產氫氣3萬噸和25萬噸。公司將積極參與氫能利用技術開發和加氫站建設,將副產氫打造成新的利潤增長點。
2019年11月6日,中國石油化工集團有限公司與法國液化空氣集團籤署合作備忘錄。根據備忘錄,中石化將成立氫能公司,引入國際領先的氫能企業作為戰略投資者,聯合打造氫能產業鏈和氫能經濟生態圈。
2019年12月25日,山西潞安集團成功舉行萬噸級焦爐煤氣提純制氫示範工程和氫電油氣綜合能源站投運儀式。該能源站具備500公斤級的加氫能力。該公司副總經理馬軍祥透露,目前,潞安集團已經分別與德國Aspens公司合作研發焦爐煤氣金屬膜分離提取超純氫氣技術;與美國AP公司開展加氫站建設和氫氣運輸、儲存合作。到2024年,潞安集團將在山西省建成20座加氫站,2025年完成整個氫產業鏈布局,實現日加氫量10噸、年產值2億元的目標,同時形成1000套氫燃料電池及系統生產線生產能力。
2019年12月31日,山西陽煤化工股份公司發布公告,對旗下河北正元氫能科技有限公司增加17億元資金建設煤炭清潔高效綜合利用項目,使其氫氣供應能力達到每年6.48億立方米,將正元氫能科技公司打造成華北地區最大的氫氣供應商。
2020年1月,山西孝義鵬飛集團與美國GCES公司籤訂戰略協議,將開展焦爐煤氣制氫技術合作、共同開發氫能源項目。
陝煤集團控股子公司——陝西煤業新型能源科技股份有限公司擬聯合相關科研機構,開發電解水高效制氫-儲氫-供氫-氫燃料發電-供暖(熱水)一體化成套技術與設備,其創意與工藝路徑與日本的氫燃料電池相似,以進入百姓家庭為目標。
中國仍沒有核心技術
而據記者了解,雖然國內氫燃料產業發展紅紅火火,但與發達國家的差距還是很大的。
陝西易車汽車銷售服務有限公司董事長周君偉用一組數據闡明了這一差距:
中國最好的膜電極電流密度只有1.8安培/平方釐米,國際先進水平已超過2.5安培/平方釐米;中國催化劑中貴金屬鉑的用量是國際先進水平的3倍;中國氫燃料電池乘用車壽命按行駛裡程計僅15萬千米、商用車約12萬千米,國際先進水平已普遍超過20萬千米;中國儲氫系統普遍只有35兆帕Ⅲ型瓶,國際已普遍使用70兆帕Ⅵ型瓶;國內氫循環系統技術仍是空白,該技術在國際上已很成熟;中國最大氫燃料電池生產線為百臺級半自動生產線,國際先進水平早已是千臺級全自動生產線……
石油和化學工業規劃院高級工程師劉思明更看重技術方面的差距。他表示:
作為燃料電池核心組件之一的質子交換膜,目前被市場認可並大範圍應用主要包括美國杜邦公司的Nafion系列膜,美國3M公司的全氟碳酸膜,日本旭化成株式會社的Alciplex膜,日本東麗集團、日本旭硝子公司的Flemion膜,日本氯工程公司的C系列膜,加拿大Ballard公司的BAM膜,比利時Solvay公司的Aquivion膜。其中,杜邦公司和3M公司的質子交換膜以其高化學穩定性、高機械強度、高溼度環境下的高電導率等優勢佔據市場主導地位。山東東嶽集團雖然掌握了相關生產技術,但其產品尚未大面積推廣使用,以至於國內目前所用的質子交換膜主要依賴進口。「由於核心部件受制於人,導致我國燃料電池汽車性價比不高、競爭力不強。」劉思明說。
一位不願具名的專家指出,
燃料電池系統是氫燃料電池汽車的核心,其成本佔整車成本的50%左右,而燃料電池和輔助子系統佔燃料電池系統總成本的49%。在燃料電池成本構成中,催化劑佔49%、質子交換膜佔11%、膜電極框架墊片佔6%、氣體擴散層佔5%;在輔助子系統成本構成中,空氣壓縮機約佔43%……顯而易見,催化劑和空氣壓縮機是決定氫燃料電池汽車成本的主要影響因素。而催化劑、空氣壓縮機、質子交換膜等核心部件和設備我國基本依靠進口,致使國內氫燃料電池汽車的燃料電池系統成本高達12000元/千瓦,而日本豐田同類汽車燃料電池系統成本僅為1600元/千瓦。
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文章來源:《中國石油和化工產業觀察》雜誌,作者:陳繼軍
圖片來源自網絡
本期編輯:歸歸、小玉
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