氨能带火了甲醇？氢能存储出现多条技术路线竞争

 

近年来，甲醇更是和可再生能源制氢联系起来，成为一种储氢媒介，即“液态阳光”。相较于氢气，甲醇常温常压下即为液态，更便于储运，所以也可以作为一种理想的储氢载体。利用甲醇制氢的技术特点，可在站内制氢，现制现用，跳过H2的大量运输和存贮；也可在化工园区集中制氢，最终运输至加氢站，两种应用方式都具有切实的可行性。

 

随着甲醇制氢工艺和催化剂的不断改进，甲醇制氢的规模不断扩大，制氢成本也在不断降低，成为中小规模制氢的首选方案。

 

那么，甲醇这套技术路线能否走通呢？我们来简要分析甲醇技术路线。

 

 

甲醇生产可采用多种原料，如天然气、煤炭、油、焦炉气、乙炔尾气等，国外生产甲醇以天然气为主要原料，而中国则以煤炭为主。

 

利用煤和焦炭生产甲醇的工艺路线主要内容为：首先对煤和焦炭进行气化处理，再进行脱硫、变换和脱碳处理，最后是合成甲醇产品并提纯。

 

煤制甲醇的原理如下：煤炭所提供的碳元素和水蒸气提供的化合物水在催化剂Fe3O4和高温高压的反应条件下发生了氧化还原反应，反应产物主要是一氧化碳和氢气，通过对产物进行进一步的提纯。提纯后的氢气和一氧化碳在350℃、20MPa的温度和压力下合成甲醇，其中氢气和一氧化碳的比例控制在2:1左右，最后对产物甲醇进行精馏提纯。反应方程式如下：

 

 

煤制甲醇的工艺过程主要包括煤炭的气化工艺、对初级产物一氧化碳和氢气的提纯、甲醇的合成及提纯。

 

甲醇水蒸气重整制氢是甲醇与脱盐水的蒸汽混合物在转化器中加压加热催化裂解和转化一步完成，生成氢气和二氧化碳，反应温度为180——280℃，压力为0.3——4MPa。随后用变压吸附（简称PSA）法提纯氢气，改变操作条件可以生产不同纯度的氢气，纯度最高可达99.9%以上。

 

 

图1 甲醇水蒸气重整制氢工艺流程图

 

 

甲醇水蒸气重整制氢的催化剂主要有铜系催化剂，镍系催化剂和贵金属催化，铜系催化剂具有很好的低温活性，且选择性高，廉价易得，被广泛应用于工业化生产。

 

甲醇水蒸气重整制氢使用条件温和，产物成分少，易分离，制氢规模在10——10000Nm3/h内均能实现，且产能可以灵活调整，已在工业上应用广泛。尤其在中小型用氢气领域，现场制氢，现制现用，更经济更合理。

 

 

甲醇重整制氢燃料电池系统分为制氢单元和氢发电单元。

 

 

图2 甲醇重整制氢系统原理图

 

制氢单元内部结构比较复杂，对整车而言，它必须是总成系统，氢发电单元原理比较简单，实际产品也比较复杂，主要是配套件较多，所以要合理匹配制氢单元与氢发电单元。

 

 

图3 上海博氢的甲醇重整制氢燃料电池系统实图

 

甲醇重整制氢系统可分别应用于动力电源、分布电站、备用电源、移动电源领域。

 

其具体的应用场景为：作为电动机车的动力电源或者增程电源，应用领域包括电动物流车、电动商用车和电动专用车等，以及无人机、游艇、农机等其他的领域；作为封闭/半封闭环境下的主力电源，应用领域包括孤岛环境下发电站、市政用电、充电站等；作为重要电力设备/建筑的备用电源，应用领域包括各种通讯基站、政府重要部门、金融机构、数据中心、重要生产线等；作为移动充电的重要设施补充，应用领域包括救急救灾、消防调度、移动充电站等等。

 

 

 

计算甲醇成本的公式普遍使用的是：原料煤*1.5+燃料煤*0.5+其他费用，煤制甲醇成本中煤炭成本占比较高，其他费用相对固定，因此成本主要波动在于煤炭价格。原料煤需要的品质比燃料煤更高，一般原料煤发热量要求在5500K以上，硫含量0.8%以下，因此价格也要高于燃料煤。

 

行业平均煤制甲醇的生产成本如下表所示：

 

 

 

甲醇制氢技术已在工业中应用多年，技术上不存在问题且具有经济优势。近期煤价高升，煤基甲醇的生产成本为1500元/吨——2000元/吨，生产1 kg H2消耗6 kg CH3OH，加上其他生产成本（包括设备投资与折旧、人员费、运行费等），合计的甲醇制氢成本约15元/kg。

 

据香橙会研究院调研获悉，传统氨分解制氢成本超17元/kg（合成氨原料成本取均值2500元/吨）比甲醇制氢要高。因此，当前甲醇制氢比氨制氢更具有经济性。

 

另外，氨在温度为20℃、8.58个大气压（或常压、温度为-33℃）的条件下以液态的形式存在；氢如果需要在常压下保持液态形式，则需要将温度降至零下253℃，制冷将损失大量的有用能，并且低温环境和现实环境中的温差将不可避免地导致氢气的蒸发耗散；甲醇在常温常压下即以液态形式存在。基于以上数据，从保存需要消耗的代价分析，甲醇的储运成本是低于液氢和液氨的。

 

现在氨能大火，但相比于甲醇来说技术仍不成熟、成本偏高，所以“氨-氢”储能目前在“甲醇-氢”面前还不具有竞争优势。不过在节能减排的政策趋势下，随着碳价的逐步上升，这种传统的煤制甲醇技术将逐渐被淘汰。绿色甲醇会逐渐亮相市场，未来能源将呈现多样化格局。