新能源制氢对传统化工产业绿色转型推动作用研究

新能源制氢对传统化工产业绿色转型推动作用研究

刘宝

宁夏回族自治区电力设计院有限公司  宁夏  银川  750016

摘要：近年来，我国的化工行业有了很大进展，化工产业的绿色转型工作也越来越受到重视。氢能在实现“碳达峰和碳中和”的过程中发挥着重要的支撑作用，但由于技术成熟度较差和产业化程度较低等因素的制约，绿氢短期内仍将以化工利用方式为主。本文就新能源制氢对传统化工产业绿色转型推动作用研究，从而实现化工废水的资源化利用转化为绿氢，以供参考。

关键词：绿氢；碳排放；煤制氢；电解水制氢

引言

我国化工企业在供给大量化工产品的同时,也产生一定量的污水.这些污水成分复杂、有机物浓度偏高、高盐度、难以用生化法降解、处理难度大.常规的废水处理方法占地面积大、低效,要做到达标排放费用高昂.与其耗费大量资源处理污水达标排放,不如利用新技术将污水转化为可使用的化工产品,如氢和其它化学品等.利用污水产生的氢可视为蓝氢或者绿氢,尤其是在电解的动力来自于可再生能源的情况下。研究人员考虑到基于电储能以及氢储能系统的混合储能系统所具有的优势，建立了电—氢混合储能型多微网系统框架，提出了考虑系统的

实时能量供需状态和储能状态的多微网运行控制策略。

1氢及绿氢市场概况

在氢气的供应端，常规的制氢技术路线以传统化石能源制氢为主，煤、石油、天然气是目前生产氢气的主要原料。全球范围内主要是使用天然气制氢，由于中国煤炭资源比较丰富，因此主要采用煤制氢技术路线，占中国制氢工艺的60％以上。合成氨、焦炉煤气、炼厂富氢气体以及氯碱厂副产都是目前副产氢气的重要来源。大规模低成本绿色氢气的生产是氢能产业发展的关键。制氢技术路线正由化石能源制氢逐步向可再生能源制氢过渡。随着可再生能源度电成本的下降，“可再生能源＋水电解制氢”将成为大规模低成本制绿氢的发展方向。

2新能源制氢对传统化工产业绿色转型推动作用

2.1核心零部件同质化

电极、隔膜、极板等材质类似，结构相近。国内碱式电解槽绝大多数是拉杆式圆柱形电解槽，双极板为圆形结构，电极基底为镍网，催化剂为镍基合金，隔膜为聚苯硫醚（PPS）膜。目前国内现有碱性电解槽的零部件几乎都是传统工业体系下技术已经成熟的工业产品，并没有过多的创新性与技术壁垒，在此情况下，产业更加成熟后，未来参与者会较为容易地找到供货商并实现组装与扩大产能，产业链成本下降的同时，产品也会同时面临严重的同质化竞争。

2.2能源局域网多能互补

园区的碳排放量与运行成本有效降低，有助于化工园区的节能减排，其中电解水制氢在降低碳排放方面起到了至关重要的作用，多能储能设备与氢燃料发电通过响应负荷的变化与分时电价，进一步降低了运行成本，提升园区运行的经济性。

2.3均衡策略

在此策略下，目标是确保各个电解槽间的负荷相对均衡，即平均分配工作量。这样做的好处在于避免个别电解槽长时间处于过载或低载状态，从而减小单个设备的磨损，延长整体系统的使用寿命。具体措施可能包括：动态负荷分配，通过控制系统实时监测每个电解槽的运行状态和性能数据，根据设定的均衡原则（如按容量比例分配等），动态调整各电解槽的制氢负荷，力求达到相对均匀的工作强度。

2.4电解水制氢容量配置要点

电解水制氢一般包括碱性水电解和质子交换膜2种方式，本文针对质子交换膜制氢方式进行建模，碱性水电解制氢方式建模可参考，下文所提电解水制氢均为质子交换膜方式。电解水制氢主体是由浸没在电解液中的一对电极，中间隔以防止气体渗透的隔膜，构成的水电解池。当电极通以一定的直流电时，水就发生分解，在阴极析出氢气，阳极析出氧气。其主要包含如下几个部分：①电解槽；②气液分离器；③冷却洗涤器；④脱氧系统；⑤干燥系统；⑥压缩储存。对于电解水制氢工艺流程，电解槽为最核心设备，当电解槽接通直流电源，电解电流上升到一定数值时，电解槽内的水被电解成氢气和氧气。当电解槽功率大小确定后，气液分离器、冷却洗涤器、脱氧系统和干燥系统的处理能力将与之完全匹配，因此电解槽功率配置为电解水制氢容量配置的要点之一。压缩存储环节同时与制氢速率和外送需求相关，当外运速率与制氢速率实时匹配时，存储单元容量可较小；当外运速率与制氢速率存在差异，则需要根据实际条件选择合理的存储容量。因此，存储单元的容量也是电解水制氢容量配置的要点。

2.5转化炉

根据对于系统的长期稳定运行的特殊要求，方案采用顶烧炉型。考虑到转化炉是采用直接火焰加热的高温、中压炉管，炉管设计温度高达955℃，操作条件十分恶劣，而炉管设计寿命正常情况下可达10万小时，因此在设计时给予足够的重视，该设备为本装置关键设备之一，也是投资最大的备，因而它对整个装置设计、运行的成功与否起到关键作用。该设备由以下几个部分组成：（1）炉管。炉管材料选用HP-Nb（ZG40Ni35Cr25Nb）高温合金，该合金是在HK-40及其改良型的基础上研制和开发的高温合金炉管管材，近年来在石油化工工业中得到了广泛的使用。由于离心铸造HP-Nb高温合金含有较高的C、Cr、Ni等合金元素，微观组织呈铸态组织。可在高温（1200℃）及高压（4MPa）的苛刻工作条件下连续工作，且炉管通常采用离心铸造，内经机械加工平整后可以有效去除铸造缺陷，如：渗碳。含Cr16.5%以上的奥式体30不锈钢，在590℃~930℃温度区间内长期工作时，会生成Fe-Cr化合物，这种化合物又硬又脆，无磁性，称之为α相，因α相的存在而使材料脆化的现象称之为“α脆性”，但是Ni含量高于33%以上的合金钢不会产生α相，所以转化炉的下集气管采用Ni含量高于35%的INCOLOY800H合金钢，可有效避免“α脆性”的发生，同时该材料有极佳的韧性，能够满足本身的热应力及热膨胀带来的应力。（2）衬里。陶纤具有质地轻、可减轻钢结构荷载、导热系数小，可使炉衬薄而保温效果好、结构简单，施工方便等优点，但是陶纤也存在不耐烟气冲刷和炉壳钢板易产生低温腐蚀等缺点，所以在本设计中，只将陶纤敷设在转化器立墙和炉顶。耐火浇筑料具有可塑性强、适用于各种形状复杂的场合、施工简单的特点，并且具有比耐火陶纤更高的抗冲刷能力，所以在辐射室炉底、对流段进口、对流段等部位采用耐火浇筑料。

2.6高附加值化工产品

目前氟硅化工产品是化工产业各产品中附加值相对较高的两大类产品，同时甲醇作为其原料的占比不高，甲醇价格的上升对于其生产成本的影响较小，结合整体的“双碳”大背景及绿色发展方向，这两个产品链具备进行绿色替代的可能。

结语

综上所述，经典的水电解制氢工艺有碱性膜电解、质子交换膜电解和高温氧化物电解等,这些工艺都需要使用纯水作为原料.若将化工污水作为电解原料制氢,需要开发出可耐受适量有机物、盐分的新电解电极催化剂和与之相匹配的膜,同时还需要攻克材料的腐蚀问题。随着“碳达峰和碳中和”进程的不断加快，绿氢的化工应用步伐也将迎来发展机遇，成为化工行业绿色转型过程中重要的组成部分。

参考文献

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