天然氣制氫、甲醇制氫與水電解制氫的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比探討

王周

（佛山市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司，廣東佛山 528000）

天然氣制氫、甲醇制氫與水電解制氫的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比探討

王周

（佛山市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司，廣東佛山 528000）

氫氣作為無碳綠色新能源是應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)峻環(huán)境危機(jī)和構(gòu)建清潔低碳能源體系的重要載體。目前天然氣、甲醇、水制氫是最有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)手段，但生物能、太陽能、風(fēng)能等可再生能源制氫是未來的趨勢(shì)。對(duì)天然氣制氫、甲醇制氫及水電解制氫進(jìn)行了對(duì)比探討，分別從技術(shù)特點(diǎn)、制氫純度、場(chǎng)地要求、投資規(guī)模、運(yùn)行費(fèi)用及制氫成本等方面進(jìn)行了分析，認(rèn)為天然氣制氫、甲醇制氫及水電解制氫分別適用于大、中、小規(guī)模，制氫成本依次為低、中、高，且分別受天然氣價(jià)格、甲醇價(jià)格及電價(jià)影響較大。

天然氣制氫 甲醇制氫 水電解制氫 經(jīng)濟(jì)性

0 引言

氫氣作為無碳綠色新能源，具有環(huán)保安全、能量密度大、轉(zhuǎn)化效率高、儲(chǔ)量豐富和適用范圍廣等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)從開發(fā)到利用全過程的零排放、零污染，是應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)峻環(huán)境危機(jī)和構(gòu)建清潔低碳能源體系的重要載體。隨著石油資源的日益枯竭和能源價(jià)格的不斷上漲，尋找不依賴化石燃料、儲(chǔ)量豐富的廉價(jià)可替代能源制氫成為大家共同面臨的難題，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，生物能、太陽能、風(fēng)能等可再生能源制氫在21世紀(jì)將開始逐步具有競(jìng)爭(zhēng)力，但目前從天然氣、甲醇、水等資源中制氫仍然是最有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)手段［1］，煤制氫對(duì)水和大氣污染嚴(yán)重，筆者暫不討論。目前國(guó)內(nèi)制氫原料路線的選擇，主要取決于原料資源的可得性和原料成本的高低，筆者將以華南某區(qū)域的制氫狀況來進(jìn)行分析探討。

1 不同制氫方式的比較

1.1 技術(shù)特點(diǎn)

天然氣制氫工藝復(fù)雜，操作條件嚴(yán)格，設(shè)備設(shè)計(jì)制造要求高，技術(shù)成熟；甲醇制氫工藝流程簡(jiǎn)單，相對(duì)易操作維護(hù)，主體設(shè)備為常見化工設(shè)備，技術(shù)也較為成熟；水電解制氫流程簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，甚至可實(shí)現(xiàn)無人值守全自動(dòng)操作。

1.2 制氫純度

天然氣制氫與甲醇制氫一般純度可達(dá)到99.999%，而水電解制氫純度高時(shí)可達(dá)到99.999 9%。天然氣制氫雜質(zhì)一般含CO2、CO、CH4，甲醇制氫含CO2、CO等，水電解制氫含O2、H2O等［2］。

1.3 場(chǎng)地要求

天然氣制氫需要考慮管道天然氣或槽車CNG的供應(yīng)方便與否，甲醇制氫在原料方面則供應(yīng)充足，運(yùn)輸及儲(chǔ)存都很方便，水電解制氫條件更加寬裕［3］。制氫設(shè)備占地面積從大到小依次為：天然氣制氫、水電解制氫、甲醇制氫。

1.4 投資及規(guī)模

天然氣制氫一次性投資高，一般適合1 000 Nm3/h以上的制氫規(guī)模；甲醇制氫投資較低，適用于2 500 Nm3/h以下的制氫規(guī)模；水電解制氫投資較高，單槽適合300 Nm3/h以下的制氫規(guī)模［4］。

1.5 制氫成本

不同原料制氫的成本決定因素也不同，天然氣及甲醇制氫主要取決于天然氣、甲醇的價(jià)格，水電解制氫則主要取決于電價(jià)的高低。

2 制氫經(jīng)濟(jì)分析

2.1 天然氣制氫

1）設(shè)備投資

按照生產(chǎn)1 Nm3氫氣需要消耗0.6 Nm3天然氣來計(jì)算，天然氣價(jià)格取3.2元/Nm3。其中設(shè)備按10年折舊，土建按20年折舊，按總投資70%貸款，年利率6%，等額本息法10年還貸進(jìn)行估算，設(shè)備年運(yùn)行時(shí)間按照8 000 h來計(jì)算，設(shè)備安裝按照設(shè)備價(jià)格的4%計(jì)算，土建工程及其他按照設(shè)備購(gòu)置及安裝費(fèi)的13%計(jì)算，維修費(fèi)用按照設(shè)備購(gòu)置及安裝費(fèi)的2%來計(jì)算，工作人員按照9人考慮，暫未考慮土地費(fèi)用、氣體增壓運(yùn)輸?shù)荣M(fèi)用，設(shè)備自身運(yùn)行耗電費(fèi)用。

以天然氣裂解制氫（制氫規(guī)模1000 Nm3/h）為例，制氫裝置采用水蒸氣轉(zhuǎn)化法加變壓吸附凈化工藝，如表1所示。

2）成本估算

成本估算如表2所示。

表1 天然氣制氫投資情況表

表2 天然氣制氫的成本情況表

天然氣制氫設(shè)備、安裝、土建及其他總投資1 528萬元，以華南某區(qū)域天然氣氣價(jià)為3.2元/Nm3時(shí)為例，每年天然氣等費(fèi)用為1 536萬元，每年成本合計(jì)1 863萬元，對(duì)應(yīng)氫氣成本2.33元/Nm3。

現(xiàn)分別計(jì)算不同制氫成本情況下，對(duì)應(yīng)的天然氣價(jià)格，如表3所示。

氫氣成本與天然氣的價(jià)格成正比關(guān)系，如果要求氫氣成本低于2元/Nm3，則天然氣價(jià)格要低于2.65元/Nm3。

表3 制氫成本與天然氣價(jià)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系表

2.2 甲醇制氫

1）設(shè)備投資

按照生產(chǎn)1 Nm3氫氣需要消耗0.72 kg甲醇來計(jì)算，甲醇價(jià)格取2 200元/t，工作人員按照9人考慮，其他同上。

以甲醇裂解制氫（制氫規(guī)模1000 Nm3/h）為例，制氫裝置采用甲醇裂解加變壓吸附聯(lián)合工藝，如表4所示。

2）成本估算

成本估算如表5所示。

表4 甲醇制氫投資情況表

表5 甲醇制氫的成本情況表

甲醇制氫設(shè)備、安裝、土建及其他總投資1 058萬元，以華南某區(qū)域甲醇價(jià)格為2 200元/t時(shí)，每年甲醇等費(fèi)用為1 267萬元，每年成本合計(jì)1 531萬元，對(duì)應(yīng)氫氣成本1.91元/Nm3。

現(xiàn)分別計(jì)算不同制氫成本情況下，對(duì)應(yīng)的甲醇價(jià)格，如表6所示。

表6 制氫成本與甲醇價(jià)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系表

氫氣成本與甲醇的價(jià)格成正比關(guān)系，如果要求氫氣成本低于2元/Nm3，則甲醇價(jià)格要低于2 319元/t。

2.3 水電解制氫

1）設(shè)備投資

按照生產(chǎn)1 Nm3氫氣需要消耗5 kW·h電來計(jì)算，用電價(jià)格取0.8元/kW·h，工作人員按照5人考慮，其他同上。

以水電解制氫（制氫規(guī)模1 000 Nm3/h）為例，制氫裝置采用電解槽技術(shù)及三塔流程純化工藝，如表7所示。

2）成本估算

成本估算如表8所示。

表7 水電解制氫投資情況表

表8 水電解制氫的成本情況表

水電解制氫設(shè)備、安裝、土建及其他總投資1 410萬元，以華南某區(qū)域用電價(jià)格為0.8元/Kw·h時(shí)，每年用電等費(fèi)用為3 200萬元，每年成本合計(jì)3 451萬元，對(duì)應(yīng)氫氣成本4.31元/Nm3。

現(xiàn)分別計(jì)算不同制氫成本情況下，對(duì)應(yīng)的用電價(jià)格，如表9所示。氫氣成本與用電價(jià)格成正比關(guān)系，如果要求氫氣成本低于2元/Nm3，則用電價(jià)格要低于0.34元/kW·h。

表9 制氫成本與用電價(jià)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系表

3 結(jié)論

1）華南某區(qū)域天然氣制氫成本為2.33元/Nm3，甲醇制氫成本為1.91元/Nm3，水電解制氫成本為4.31元/Nm3。

2）如果要求氫氣成本低于2元/Nm3，采用天然氣制氫、甲醇制氫及水電解制氫等方式時(shí)需滿足條件如下：天然氣價(jià)格低于2.65元/Nm3，甲醇價(jià)格要于2 319元/t，用電價(jià)格低于0.34元/kW·h。天然氣制氫適合于國(guó)內(nèi)西北地區(qū)天然氣價(jià)格較低的區(qū)域，甲醇價(jià)格大部分區(qū)域都可滿足，水電解則要水利發(fā)電等方式才能達(dá)到較低的電價(jià)要求。

3）天然氣、甲醇等資源有限，而水是自然界廣泛存在的物質(zhì)，用水生產(chǎn)大量氫氣是人類獲取能源理想的方式，但是水電解制氫這一轉(zhuǎn)化過程又需要大量能源，成本太高，應(yīng)優(yōu)先考慮低谷電價(jià)水電解、水利發(fā)電水電解及太陽能發(fā)電水電解等方式。

［1］李慶勛，劉曉彤，劉克峰，等.大規(guī)模工業(yè)制氫工藝技術(shù)及其經(jīng)濟(jì)性比較［J］.天然氣化工，2015，40（1）：78-82.

［2］劉一鳴.工業(yè)制氫方法的比較與選擇［J］.化學(xué)與生物工程，2007，24（3）：72-74.

［3］湯金華.幾種工業(yè)制氫方案的比選［J］.有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2014，35（5）：43-45.

［4］李言浩，馬沛生，郝樹仁.中小規(guī)模的制氫方法［J］.化工進(jìn)展，2001，20（9）：22-25.

（編輯：周娟）

B

2095-1132（2016）06-0047-03

10.3969/j.issn.2095-1132.2016.06.013

修訂回稿日期：2016-10-22

王周（1983-），工程師，負(fù)責(zé)天然氣產(chǎn)業(yè)鏈延伸方面的工作。E-mail：wangzhou@fsgas.com。