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助力綠色冬奧 工業(yè)廢氣“吸”進(jìn)來,清潔能源“呼”出去

科技日報發(fā)布時間:2021-12-14 09:11:26  作者:陳 科

  2022年北京冬奧會,將有2000輛氫燃料電池車服務(wù)賽事。你可能想不到,這些車行駛所需要的高純度氫氣,竟來自石化企業(yè)的工業(yè)廢氣。而實現(xiàn)在廢氣中“掘金”的,是擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的變壓吸附氣體分離技術(shù)。

  在即將召開的2022年北京冬奧會上,將有2000輛氫燃料電池車服務(wù)賽事。讓人想不到的是,這批清潔、低碳的新能源汽車行駛所需要的高純度氫氣,竟來自石化企業(yè)的工業(yè)廢氣。而實現(xiàn)在廢氣中“掘金”的,是擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的變壓吸附(PSA)氣體分離技術(shù)。

  12月8日,據(jù)西南化工研究設(shè)計院有限公司(以下簡稱西南化工)透露,西南化工與中國石油天然氣股份有限公司華北石化分公司簽訂的2000立方米/小時氫氣提純裝置項目,預(yù)計將于2022年1月投產(chǎn),該裝置使用PSA技術(shù)所產(chǎn)的氫氣,將為2022年北京冬奧會提供清潔能源。

  今年3月,同樣采用PSA技術(shù)新建的燕山石化2000立方米/小時氫氣提純裝置已開車成功,所生產(chǎn)的氫氣純度達(dá)99.976%,也將用于冬奧會氫燃料電池車。

  將工業(yè)副產(chǎn)氣轉(zhuǎn)化為氫能

  氫氣是重要的煉化、煤化工、精細(xì)化工原料和清潔能源,我國工業(yè)副產(chǎn)氣量大面廣,可為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供穩(wěn)定、低成本的氫源。數(shù)據(jù)顯示,2020年全國焦炭產(chǎn)量為4.71億噸,副產(chǎn)氫氣可達(dá)800萬噸。另外,丙烷脫氫、煉油和氯堿行業(yè)副產(chǎn)氫氣也是巨大的氫氣來源。

  “要有純化技術(shù)才能使這些氫氣成為氫能。PSA就是利用混合氣體中不同氣體組分在吸附劑中吸附特性的差異,通過壓力變化使混合氣中的不同組分實現(xiàn)分離和凈化,是氣體分離領(lǐng)域最重要的共性技術(shù)之一。”西南化工黨委書記、總經(jīng)理陳健說。

  “將工業(yè)副產(chǎn)氫轉(zhuǎn)化為燃料電池用氫,定向除雜是一個必須突破的技術(shù)難題。”西南化工技術(shù)負(fù)責(zé)人說,由于不同用途氫氣的質(zhì)量指標(biāo)差別大,即使是高純氫,其中雜質(zhì)的含量也可能遠(yuǎn)高出氫燃料電池標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值,從而造成燃料電池催化劑中毒,導(dǎo)致氫燃料電池輸出性能下降甚至損壞報廢。

  為此,西南化工的科研團(tuán)隊針對工業(yè)副產(chǎn)氣制備燃料電池車用氫氣,先后突破大規(guī)模、高壓力、多雜質(zhì)氣源的氫氣吸附分離提純技術(shù)難題,設(shè)計出世界最大規(guī)模的PSA提純氫氣裝置,并形成了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)副產(chǎn)氫凈化與提純成套技術(shù),使我國PSA提純氫氣裝備技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

  “煤化工企業(yè)、氯堿企業(yè)、鋼鐵冶煉企業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣、蘭炭尾氣、氯堿尾氣、多晶硅尾氣等,都可以成為氫能的‘原料’。采用PSA技術(shù)回收這些廢氣中的氫氣,可大幅提高廢氣綜合利用水平。”陳健說。

  目前,以PSA技術(shù)為核心的工業(yè)副產(chǎn)氣模塊化凈化提純技術(shù),已應(yīng)用于60余套工業(yè)裝置,為氫能產(chǎn)業(yè)提供了一條低成本的制氫路徑。

  為世界能源產(chǎn)業(yè)提供“中國路徑”

  “20世紀(jì)90年代中期之前,我國大型化PSA提純氫氣裝置全部依靠進(jìn)口,西南化工于1996年成功實現(xiàn)大型PSA技術(shù)國產(chǎn)化以來,我們將PSA技術(shù)從提純氫氣拓展到凈化回收一氧化碳、變換氣脫二氧化碳、沼氣回收甲烷、煙道氣捕集二氧化碳等領(lǐng)域。”陳健說。

  如今,“中國版”的PSA技術(shù)正應(yīng)用于世界各國能源領(lǐng)域:在文萊達(dá)魯薩蘭國大摩拉島上,2013年啟動建設(shè)的22萬標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時煉廠PSA提純氫氣裝置正安全高效地運(yùn)行,這是我國出口海外最大的PSA提純氫氣裝置,也是世界上最大的PSA提純氫氣裝置之一;去年西南化工再次在國際競標(biāo)中,中標(biāo)文萊煉化項目大型化PSA提純氫氣工程,氫氣總產(chǎn)量達(dá)到85萬標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時;今年,西南化工為韓國鮮都化學(xué)(株)公司提供了一套產(chǎn)品氣量為1638標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時的燃料電池氫生產(chǎn)裝置,這也是首套在海外落地的PSA制燃料電池氫項目。

  國內(nèi)使用西南化工PSA技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)副產(chǎn)氣資源化利用也碩果累累:廣州石化從苯乙烯裂解尾氣中提取燃料電池用氫氣,為大灣區(qū)各城市的加氫站供氫,設(shè)計燃料電池用氫氣生產(chǎn)能力為2200標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時,該裝置于2020年投產(chǎn),長周期高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行至今,實現(xiàn)了寶貴的副產(chǎn)氫資源的高值回收利用。燕山石化從煉廠氣中提取燃料電池用氫氣,為北京冬奧會配套加氫站供氫,設(shè)計燃料電池用氫氣生產(chǎn)能力為2000標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時。

  以較低能耗將廢氣“吃干榨凈”

  “PSA技術(shù)也是一項節(jié)能降耗技術(shù)。”陳健說,無論是石油煉制、濕法冶金、煤化工,還是生物制品精制、農(nóng)藥化肥的生產(chǎn)過程,都離不開分離技術(shù)。與眾多分離技術(shù)相比,PSA技術(shù)具有能耗低的顯著優(yōu)點(diǎn),并且工藝過程簡單,操作穩(wěn)定,可將混合氣中的多種雜質(zhì)凈化并得到高純度的目標(biāo)氣體。

  西南化工技術(shù)負(fù)責(zé)人算了一筆賬:PSA技術(shù)從煉化企業(yè)尾氣中回收乙烯和丙烯的能耗大約為100千克標(biāo)準(zhǔn)油/噸,傳統(tǒng)熱裂解乙烯和丙烯的能耗約為360千克標(biāo)準(zhǔn)油/噸。依靠PSA技術(shù)建成的煉化企業(yè)干氣回收裝置,每年可回收乙烯與丙烯約103萬噸,節(jié)約能耗折合26.78萬噸標(biāo)準(zhǔn)油,按照每噸標(biāo)準(zhǔn)油排放3.36噸二氧化碳計算,相當(dāng)于每年減排約89.9萬噸二氧化碳。

  “當(dāng)前世界主要國家把氫能作為能源轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)碳中和的重要手段之一,制定了不同的氫能發(fā)展路徑。從長遠(yuǎn)來看,綠氫生產(chǎn)技術(shù)尤為重要。但在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期,從工業(yè)副產(chǎn)氣中提純氫是氫氣的重要來源,也是將工業(yè)副產(chǎn)氣‘吃干榨凈’的途徑之一。”陳健表示,針對工業(yè)副產(chǎn)氣資源浪費(fèi)、環(huán)境污染、碳減排等問題,未來PAS技術(shù)還可拓展應(yīng)用于更多類型的工業(yè)副產(chǎn)氣的資源化高值利用。

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