工业副产氢的提纯难点分析-北极星氢能网

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随着经济、社会的不断发展，对能源清洁性、高效性的要求愈发突出，人类对地球环境的透支不可持续，提示调整能源结构已刻不容缓。氢气以其来源广、热值高、零污染等特点，长期以来一直被认为是最具发展潜力的清洁能源之一，氢能也成为调整能源结构的重要途径，其中，氢燃料电池车是目前氢能的重要应用领域。

（来源：微信公众号“佳安氢源”ID：jaranh2）

工业行业中氢气的来源岁月漫长

将工业副产氢气作为燃料电池的氢源，有利于解决燃料氢气的成本和大规模储运问题。

我国已经连续多年成为全球氢气产量最大的国家，目前国内主要氢气来源是煤制氢、天然气和甲醇重整制氢、工业副产氢和电解水制氢，其中，电解水制氢的氢气品质最好，但成本也是最高的。

其中，工业副产氢是产品生产过程的副产物，因副产氢纯度较低、成分复杂，目前通常只有燃烧等低效利用途径，甚至直接送到火炬排空。这类氢气广泛存在于焦化、氯碱、丙烷脱氢（PDH）和轻烃裂解等行业，成本低廉、不会产生额外碳排放且在全国各地均有分布，将这一类氢气作为燃料电池的氢源，有利于解决燃料氢气的成本和大规模储运问题，真正做到变废为宝。

以焦炉炼焦行业为例，2019年全国焦炭产量为4.71亿吨，副产氢气可达到980万吨，而百万辆燃料电池汽车耗氢量不过60万吨/年，潜力巨大。

获取燃料氢气的技术难点

99.999%的工业高纯氢都很难达到燃料氢气对于微量杂质的要求。

在燃料电池用氢气的应用上，与普通工业行业的氢气标准GB∕T 3634.2-2011有很大不同。如下图（图1-1）中GB/T 37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》，在氢气纯度上，99.99%的高纯氢气可满足燃料氢气99.97%的要求，但难点在于氢气中的微量杂质，尤其是CO≦0.2ppm是99.99%的工业纯氢甚至99.999%的工业高纯氢都难以达到的。工业氢气关注氢气纯度，而燃料氢气关注特定杂质含量。

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图1-1 GB/T 37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》

对于燃料氢气，CO是氢气所含杂质中处理难度最大的。以目前工业氢气提纯上普遍采用的变压吸附提氢（PSA）吸附剂5A分子筛为例，通过以下等温吸附线（图1-2）可以看出，对CO和N2的吸附量不管是在高分压下还是在燃料氢气除杂所关注的低分压下，两者的分离比约2.5，差别不大，可以理解为吸附剂对两者的脱除能力相近，但是微量CO会导致燃料电池催化剂Pt的中毒失活，而如N2和Ar等惰性气体则不会对燃料电池造成损坏，在燃料氢气的标准中也可以看出，对两者的含量限定相差了500倍。

图1-2 5A分子筛在25℃下吸附等温线

很明显，在燃料氢气的应用上，微量CO分离是传统变压吸附提氢的“短板”，要想达到CO≦0.2ppm的要求，就需要同时将燃料氢气中含量要求不高的N2和Ar等杂质一并脱除至很低的水平，结果就是损失了收率导致燃料氢气成本升高，同时还难以解决原料气组分波动和吸附剂长期运行性能下降所导致的燃料氢气品质不稳定的潜在风险。

对此，最有效的方法就是跳出传统变压吸附提氢的工艺限制，采用专有的方法来解决燃料氢气中CO除杂的难题，这也正是衣宝廉院士在2019全球燃料电池汽车产业论坛上指出的观点，燃料氢气中的CO问题，需要专门的装置来做专门的处理。

为此，佳安氢源自主研发了采用“模块化定向除杂（MDP）”技术的MDP燃料氢气除杂装置，包含净化、脱硫、脱氧、变压提氢、变温除杂等模块，根据原料气中杂质组分和含量不同以及产品气的要求不同，选取不同的模块，针对性的实现经济可靠的氢气提取，其中的变温除杂模块，完全不同于传统的变压提氢工艺和吸附剂，采用我公司特有的JA-01型吸附剂，结合变温除杂工艺，专门针对燃料氢气中CO除杂的难题，可经济的将氢气中的CO脱除至0.1ppm以下，稳定、可靠的保证了燃料氢气的品质。

在下文中将对比直接采用传统变压吸附提氢技术方案，和采用MDP燃料氢气除杂装置变压提氢模块和变温除杂模块组合方案的经济性。

制取燃料氢气的经济性分析

原料气的组分如图1-3，压力为2.2MPa，温度25℃，是目前化工行业中常见的原料气条件，价格约0.9元/Nm3，年满负荷运行时间8400小时，产品气要求满足GB/T 37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》，产品气量为1000Nm3/h（约2143kg/天）。

图1-3 原料气组分情况

以下两种方案的对比，体现了模块化除杂技术的优越性。

方案1：仅采用传统PSA工艺，为稳定满足产品氢气中CO<0.2ppm的要求，产品氢气的纯度需达到99.999%-99.9999%，总体收率约81%，需要原料气量为1501Nm3/h，对应原料气成本1134.61万元，计入年设备折旧、运维和公用工程消耗后，每公斤燃料氢气成本15.34元。

方案2：采用“模块化定向除杂（MDP）”技术的MDP燃料氢气除杂装置的变压提氢模块和变温除杂模块组合，产品气满足GB/T 37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》要求，收率提高到85%，需要原料气量为1430Nm3/h，对应的原料气成本为1081.22万元，计入年设备折旧、运维和公用工程消耗后，每公斤燃料氢气成本仅14.90元。

对比可知，采用了“模块化定向除杂（MDP）”技术的MDP燃料氢气除杂装置的变压提氢模块和变温除杂模块组合的方案二，不但为用户降低了生产成本，从而降低了产品燃料氢气的成本，还通过专有技术，解决了由于原料气组分波动和吸附剂长期运行性能下降所导致的燃料氢气品质不稳定的潜在问题，可为燃料电池汽车的商业化运行提供经济、稳定、可靠的燃料氢气。

原标题：工业副产氢的提纯难点分析

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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