在即將召開的2022年北京冬奧會(huì)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(shí)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(jì)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(shí)氫氣提純裝置項(xiàng)目，預(yù)計(jì)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(huì)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(shí)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(huì)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(shí)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(gè)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(bào)廢。

為此，西南化工的科研團(tuán)隊(duì)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(jì)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(shí)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(dòng)建設(shè)的22萬標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)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(xiàng)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(shí);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(shí)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(xiàng)目。

國內(nèi)使用西南化工PSA技術(shù)實(shí)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(jì)燃料電池用氫氣生產(chǎn)能力為2200標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)，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(shí)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(huì)配套加氫站供氫，設(shè)計(jì)燃料電池用氫氣生產(chǎn)能力為2000標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)。

以較低能耗將廢氣“吃干榨凈”

“PSA技術(shù)也是一項(xiàng)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(jì)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(shí)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。