氨能帶火了甲醇？氫能存儲出現多條技術路線競爭

 

近年來，甲醇更是和可再生能源制氫聯系起來，成為一種儲氫媒介，即“液態陽光”。相較于氫氣，甲醇常溫常壓下即為液態，更便于儲運，所以也可以作為一種理想的儲氫載體。利用甲醇制氫的技術特點，可在站內制氫，現制現用，跳過H2的大量運輸和存貯；也可在化工園區集中制氫，最終運輸至加氫站，兩種應用方式都具有切實的可行性。

 

隨著甲醇制氫工藝和催化劑的不斷改進，甲醇制氫的規模不斷擴大，制氫成本也在不斷降低，成為中小規模制氫的首選方案。

 

那么，甲醇這套技術路線能否走通呢？我們來簡要分析甲醇技術路線。

 

 

甲醇生產可采用多種原料，如天然氣、煤炭、油、焦爐氣、乙炔尾氣等，國外生產甲醇以天然氣為主要原料，而中國則以煤炭為主。

 

利用煤和焦炭生產甲醇的工藝路線主要內容為：首先對煤和焦炭進行氣化處理，再進行脫硫、變換和脫碳處理，最后是合成甲醇產品并提純。

 

煤制甲醇的原理如下：煤炭所提供的碳元素和水蒸氣提供的化合物水在催化劑Fe3O4和高溫高壓的反應條件下發生了氧化還原反應，反應產物主要是一氧化碳和氫氣，通過對產物進行進一步的提純。提純后的氫氣和一氧化碳在350℃、20MPa的溫度和壓力下合成甲醇，其中氫氣和一氧化碳的比例控制在2:1左右，最后對產物甲醇進行精餾提純。反應方程式如下：

 

 

煤制甲醇的工藝過程主要包括煤炭的氣化工藝、對初級產物一氧化碳和氫氣的提純、甲醇的合成及提純。

 

甲醇水蒸氣重整制氫是甲醇與脫鹽水的蒸汽混合物在轉化器中加壓加熱催化裂解和轉化一步完成，生成氫氣和二氧化碳，反應溫度為180——280℃，壓力為0.3——4MPa。隨后用變壓吸附（簡稱PSA）法提純氫氣，改變操作條件可以生產不同純度的氫氣，純度最高可達99.9%以上。

 

 

圖1 甲醇水蒸氣重整制氫工藝流程圖

 

 

甲醇水蒸氣重整制氫的催化劑主要有銅系催化劑，鎳系催化劑和貴金屬催化，銅系催化劑具有很好的低溫活性，且選擇性高，廉價易得，被廣泛應用于工業化生產。

 

甲醇水蒸氣重整制氫使用條件溫和，產物成分少，易分離，制氫規模在10——10000Nm3/h內均能實現，且產能可以靈活調整，已在工業上應用廣泛。尤其在中小型用氫氣領域，現場制氫，現制現用，更經濟更合理。

 

 

甲醇重整制氫燃料電池系統分為制氫單元和氫發電單元。

 

 

圖2 甲醇重整制氫系統原理圖

 

制氫單元內部結構比較復雜，對整車而言，它必須是總成系統，氫發電單元原理比較簡單，實際產品也比較復雜，主要是配套件較多，所以要合理匹配制氫單元與氫發電單元。

 

 

圖3 上海博氫的甲醇重整制氫燃料電池系統實圖

 

甲醇重整制氫系統可分別應用于動力電源、分布電站、備用電源、移動電源領域。

 

其具體的應用場景為：作為電動機車的動力電源或者增程電源，應用領域包括電動物流車、電動商用車和電動專用車等，以及無人機、游艇、農機等其他的領域；作為封閉/半封閉環境下的主力電源，應用領域包括孤島環境下發電站、市政用電、充電站等；作為重要電力設備/建筑的備用電源，應用領域包括各種通訊基站、政府重要部門、金融機構、數據中心、重要生產線等；作為移動充電的重要設施補充，應用領域包括救急救災、消防調度、移動充電站等等。

 

 

 

計算甲醇成本的公式普遍使用的是：原料煤*1.5+燃料煤*0.5+其他費用，煤制甲醇成本中煤炭成本占比較高，其他費用相對固定，因此成本主要波動在于煤炭價格。原料煤需要的品質比燃料煤更高，一般原料煤發熱量要求在5500K以上，硫含量0.8%以下，因此價格也要高于燃料煤。

 

行業平均煤制甲醇的生產成本如下表所示：

 

 

 

甲醇制氫技術已在工業中應用多年，技術上不存在問題且具有經濟優勢。近期煤價高升，煤基甲醇的生產成本為1500元/噸——2000元/噸，生產1 kg H2消耗6 kg CH3OH，加上其他生產成本（包括設備投資與折舊、人員費、運行費等），合計的甲醇制氫成本約15元/kg。

 

據香橙會研究院調研獲悉，傳統氨分解制氫成本超17元/kg（合成氨原料成本取均值2500元/噸）比甲醇制氫要高。因此，當前甲醇制氫比氨制氫更具有經濟性。

 

另外，氨在溫度為20℃、8.58個大氣壓（或常壓、溫度為-33℃）的條件下以液態的形式存在；氫如果需要在常壓下保持液態形式，則需要將溫度降至零下253℃，制冷將損失大量的有用能，并且低溫環境和現實環境中的溫差將不可避免地導致氫氣的蒸發耗散；甲醇在常溫常壓下即以液態形式存在。基于以上數據，從保存需要消耗的代價分析，甲醇的儲運成本是低于液氫和液氨的。

 

現在氨能大火，但相比于甲醇來說技術仍不成熟、成本偏高，所以“氨-氫”儲能目前在“甲醇-氫”面前還不具有競爭優勢。不過在節能減排的政策趨勢下，隨著碳價的逐步上升，這種傳統的煤制甲醇技術將逐漸被淘汰。綠色甲醇會逐漸亮相市場，未來能源將呈現多樣化格局。