焦?fàn)t煤氣制氫方法的比較及成本分析

陳畢楊，曹尚峰

(武漢鋼鐵集團(tuán) 氣體有限責(zé)任公司，武漢 430083)

焦?fàn)t煤氣制氫方法的比較及成本分析

陳畢楊，曹尚峰

(武漢鋼鐵集團(tuán) 氣體有限責(zé)任公司，武漢 430083)

使用焦?fàn)t煤氣為原料分離的化工產(chǎn)品主要是氫氣和天然氣。小規(guī)模焦?fàn)t煤氣制氫一般采用變壓吸附法。大規(guī)模焦?fàn)t煤氣可先分離出LNG，再提取氫氣。分別對(duì)兩種制氫方法做了介紹和成本分析。

焦?fàn)t煤氣；制氫；比較

氫氣在工業(yè)上有著廣泛的用途。近年來(lái)，隨著精細(xì)化工、醫(yī)藥電子、粉末冶金、林農(nóng)業(yè)品加氫、生物工程、石油煉制、氫燃料清潔汽車等行業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)氫氣需求急速增加。

化肥和石油化工等大規(guī)模氫氣用戶一般采用煤制氫、天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化和輕油蒸汽轉(zhuǎn)化等技術(shù)。精細(xì)化工，醫(yī)藥、電子、冶金等小規(guī)模氫氣用戶一般選用水電解制氫、甲醇裂解制氫和變壓吸附制氫等技術(shù)。水電解工藝技術(shù)成熟，但能耗高。甲醇裂解制氫原料易得，流程簡(jiǎn)單，操作方便。

對(duì)于擁有煉鋼、煉油或者其他化工過(guò)程中產(chǎn)生的各種富氫氣體資源的用戶來(lái)說(shuō)，采用變壓吸附工藝從尾氣中直接回收提純氫氣是最簡(jiǎn)單、最節(jié)約的方案。

1 焦?fàn)t煤氣制氫

焦?fàn)t煤氣富含55%左右的氫氣和25%左右的甲烷，所以使用焦?fàn)t煤氣為原料分離的化工產(chǎn)品主要是氫氣和天然氣。

小規(guī)模焦?fàn)t煤氣制氫一般采用變壓吸附法，只提取焦?fàn)t煤氣中55%左右的氫氣，解析氣返回回收,一般做燃料利用。

大規(guī)模焦?fàn)t煤氣利用分兩種情況。當(dāng)沒有大規(guī)模的氫氣用戶時(shí)，首先要把焦?fàn)t煤氣中的氫氣甲烷化，再分離提取LNG，即焦?fàn)t煤氣制天然氣。第二種情況是焦?fàn)t煤氣資源豐富的同時(shí)又擁有大規(guī)模的管道氫用戶,焦?fàn)t煤氣可采用深冷法先分離出LNG，再經(jīng)過(guò)變壓吸附提取氫氣供給管道用戶，這種情況是焦?fàn)t煤氣回收提氫的工藝路線中資源最優(yōu)化，效益最大化的方案。

2 小型變壓吸附制氫

2.1 工藝簡(jiǎn)介

焦?fàn)t煤氣變壓吸附制氫工藝流程如圖1所示。焦?fàn)t煤氣組分復(fù)雜、原料氣壓力低、產(chǎn)品氫氣純度要求高，工藝流程由壓縮工序、預(yù)處理工序、變壓吸附工序和凈化工序組成。另外為使系統(tǒng)排放的污水能達(dá)到環(huán)保要求，還應(yīng)配有一套污水處理工序。

圖1 焦?fàn)t煤氣變壓吸附制氫流程簡(jiǎn)圖

2.2 成本分析

某600 m3/h焦?fàn)t煤氣制氫裝置項(xiàng)目總投資350萬(wàn)，根據(jù)項(xiàng)目投資特點(diǎn)計(jì)算折舊成本。固定資產(chǎn)按資產(chǎn)類別確定綜合折舊年限，采用直線折舊法計(jì)算年折舊為22.17萬(wàn)，則單位產(chǎn)品折舊成本為0.046元。

根據(jù)生產(chǎn)報(bào)表，生產(chǎn)1 m3氫氣需消耗焦?fàn)t煤氣2 m3，耗電0.3 kW·h，耗循環(huán)水34.4 kg。列入表1中計(jì)算單位生產(chǎn)運(yùn)行成本為1.233元。

項(xiàng)目運(yùn)行期間每年人工支出為40萬(wàn)元，年維修費(fèi)、管理費(fèi)、銷售費(fèi)等合計(jì)30萬(wàn)元，計(jì)算單位產(chǎn)品固定成本：0.1455元。

該裝置制氫總成本為每立方氫氣1.425元。

表1 單位產(chǎn)品生產(chǎn)運(yùn)行成本

3 大型變壓吸附制氫

目前我國(guó)大規(guī)模的制氫項(xiàng)目中以煤為原料的工藝路線占比最重，但是很多企業(yè)都認(rèn)識(shí)到焦?fàn)t煤氣中的氫氣資源非常寶貴，僅作為燃料非常可惜，應(yīng)選擇先進(jìn)的技術(shù)，合理的方法來(lái)生產(chǎn)和應(yīng)用焦?fàn)t煤氣中的氫氣，以獲得最大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

但是擁有大規(guī)模焦?fàn)t煤氣資源的鋼鐵企業(yè)基本已經(jīng)煤氣平衡，如果想大規(guī)模的把焦?fàn)t煤氣抽出做原料就必須用天然氣等燃料置換煤氣平衡中的焦?fàn)t煤氣。

某混合煤氣組成參數(shù)如表2所示。設(shè)替換的天然氣熱值為8500 kcal/ m3，按目前的市場(chǎng)價(jià)格計(jì)算1 m3焦?fàn)t煤氣的置換價(jià)格為1.1元，遠(yuǎn)大于焦?fàn)t煤氣本身的市場(chǎng)價(jià)格，經(jīng)濟(jì)性已不復(fù)存在。

所以考慮只用天然氣置換焦?fàn)t煤氣中的氫氣部分。設(shè)氫氣熱值為2580 kcal/ m3。則計(jì)算可得1 m3焦?fàn)t煤氣的置換價(jià)格約為0.4元。

表2 某混合煤氣成分

只用天然氣置換焦?fàn)t煤氣中的氫氣部分，即使用混合煤氣中的焦?fàn)t煤氣為原料經(jīng)過(guò)變壓吸附提取氫氣產(chǎn)品，解析氣再混合天然氣返回混合煤氣用戶。該方案與小型變壓吸附制氫裝置相比成本組成類似，但充分考慮了解析氣的熱值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，再加上規(guī)模效益，綜合計(jì)算氫氣的單位成本約為1.15元。

4 大型焦?fàn)t煤氣制氫副產(chǎn)LNG

4.1 技術(shù)簡(jiǎn)介

大型焦?fàn)t煤氣制氫氣副產(chǎn)LNG技術(shù)近年來(lái)在我國(guó)應(yīng)用于大規(guī)模氫氣生產(chǎn)。其產(chǎn)品氫氣主要依靠管道氣用戶，副產(chǎn)LNG面向市場(chǎng)。

10萬(wàn)m3/h焦?fàn)t煤氣制氫氣(副產(chǎn)LNG)項(xiàng)目總投資約為13億，同等規(guī)模的煤制氫項(xiàng)目投資超過(guò)14億。由于投資小，能耗低，焦?fàn)t煤氣制氫副產(chǎn)LNG工藝對(duì)比煤制氫工藝具有非常明顯的成本優(yōu)勢(shì)。

4.2 成本分析

某裝置焦?fàn)t煤氣處理量15 000 m3/h(氫氣產(chǎn)量8250 m3/h，LNG 3300 m3/h)，項(xiàng)目總投資約1.1億。采用直線折舊法中平均年限法計(jì)算年折舊為697萬(wàn)元，則單位氫氣產(chǎn)品折舊成本為0.106元。

該項(xiàng)目氫氣提取率高，根據(jù)生產(chǎn)報(bào)表每立方米氫氣(副產(chǎn)LNG)消耗焦?fàn)t煤氣1.8 m3，原料消耗約占運(yùn)行成本的80%，計(jì)算得到單位氫氣生產(chǎn)運(yùn)行成本約為1.125元。

項(xiàng)目運(yùn)行期間每年人工支出為200萬(wàn)元，年維修費(fèi)、管理費(fèi)、銷售費(fèi)等合計(jì)450萬(wàn)元，計(jì)算單位產(chǎn)品固定成本為0.098元。

綜上，該裝置生產(chǎn)1m3氫氣和0.4 m3LNG的總成本約為1.329元。

5 總結(jié)

小型焦?fàn)t煤氣制氫裝置的制氫成本約為每立方氫氣1.425元，若考慮解析氣回收并適當(dāng)擴(kuò)大規(guī)模，單位成本或降至1.15元。

當(dāng)焦?fàn)t煤氣資源豐富且有管道氫氣用戶的情況下采用焦?fàn)t煤氣制氫副產(chǎn)LNG的工藝路線是資源最優(yōu)化，效益最大化的方案。每生產(chǎn)1m3氫氣和0.4 m3LNG的總成本約為1.329元，對(duì)比單一制氫成本，該方案中LNG的單位成本僅為0.448元，利潤(rùn)可觀。

對(duì)于已經(jīng)實(shí)現(xiàn)煤氣平衡的鋼鐵企業(yè)來(lái)說(shuō)，如有合適的管道氫氣用戶，可分段投資逐步置換出焦?fàn)t煤氣中的氫氣。對(duì)于擁有大量焦?fàn)t煤氣資源的企業(yè)來(lái)說(shuō)，可以結(jié)合LNG、氫氣產(chǎn)品的市場(chǎng)情況，重新規(guī)劃焦?fàn)t煤氣的資源利用，使焦?fàn)t煤氣從傳統(tǒng)的燃料角色徹底轉(zhuǎn)變?yōu)榛ぴ系慕巧?。?duì)比傳統(tǒng)的氫氣制取方法焦?fàn)t煤氣提氫不僅是更加環(huán)保的資源綜合利用，還擁有非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。

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陳畢楊，女，工程師。2010年畢業(yè)于北京科技大學(xué)動(dòng)力工程及工程熱物理專業(yè)，工學(xué)碩士?，F(xiàn)任職于武鋼氣體公司。

Comparison and Cost Analysis of Process of HydrogenProduction from Coke Oven Gas

CHEN Biyang， CAO Shangfeng

(WISCO Gases Corporation Ltd., Wuhan 430083,China)

The mainly products separated from coke oven gas are hydrogen and natural gas. The process of small-scale coke oven gas hydrogen production generally use the method of PSA.LNG can be separated from the coke oven gas in the process of large-scale, and then produces hydrogen. In this paper, two methods of process of hydrogen production were introduced and analyzed.

coke oven gas；process of hydrogen production；comparison

2016-12-06

TQ116.2+3

B

1007-7804(2017)01-0028-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.01.007