北京冬奥会氢能保供工程—中石化北京燕山分公司燃料电池级氢气提纯装置 受访者供图
2022年北京冬奥会，将有2000辆氢燃料电池车服务赛事。你可能想不到，这些车行驶所需要的高纯度氢气，竟来自石化企业的工业废气。而实现在废气中“掘金”的，是拥有自主知识产权的变压吸附气体分离技术。——陈 科
在即将召开的2022年北京冬奥会上，将有2000辆氢燃料电池车服务赛事。让人想不到的是，这批清洁、低碳的新能源汽车行驶所需要的高纯度氢气，竟来自石化企业的工业废气。而实现在废气中“掘金”的，是拥有自主知识产权的变压吸附(PSA)气体分离技术。
12月8日，据西南化工研究设计院有限公司(以下简称西南化工)透露，西南化工与中国石油天然气股份有限公司华北石化分公司签订的2000立方米/小时氢气提纯装置项目，预计将于2022年1月投产，该装置使用PSA技术所产的氢气，将为2022年北京冬奥会提供清洁能源。
今年3月，同样采用PSA技术新建的燕山石化2000立方米/小时氢气提纯装置已开车成功，所生产的氢气纯度达99.976%,也将用于冬奥会氢燃料电池车。
将工业副产气转化为氢能
氢气是重要的炼化、煤化工、精细化工原料和清洁能源，我国工业副产气量大面广，可为氢能产业发展提供稳定、低成本的氢源。数据显示，2020年全国焦炭产量为4.71亿吨，副产氢气可达800万吨。另外，丙烷脱氢、炼油和氯碱行业副产氢气也是巨大的氢气来源。
“要有纯化技术才能使这些氢气成为氢能。PSA就是利用混合气体中不同气体组分在吸附剂中吸附特性的差异，通过压力变化使混合气中的不同组分实现分离和净化，是气体分离领域最重要的共性技术之一。”西南化工党委书记、总经理陈健说。
“将工业副产氢转化为燃料电池用氢，定向除杂是一个必须突破的技术难题。”西南化工技术负责人说，由于不同用途氢气的质量指标差别大，即使是高纯氢，其中杂质的含量也可能远高出氢燃料电池标准的规定值，从而造成燃料电池催化剂中毒，导致氢燃料电池输出性能下降甚至损坏报废。
为此，西南化工的科研团队针对工业副产气制备燃料电池车用氢气，先后突破大规模、高压力、多杂质气源的氢气吸附分离提纯技术难题，设计出世界最大规模的PSA提纯氢气装置，并形成了拥有自主知识产权的工业副产氢净化与提纯成套技术，使我国PSA提纯氢气装备技术达到国际领先水平。
“煤化工企业、氯碱企业、钢铁冶炼企业生产中产生的焦炉煤气、兰炭尾气、氯碱尾气、多晶硅尾气等，都可以成为氢能的‘原料’。采用PSA技术回收这些废气中的氢气，可大幅提高废气综合利用水平。”陈健说。
目前，以PSA技术为核心的工业副产气模块化净化提纯技术，已应用于60余套工业装置，为氢能产业提供了一条低成本的制氢路径。
为世界能源产业提供“中国路径”
“20世纪90年代中期之前，我国大型化PSA提纯氢气装置全部依靠进口，西南化工于1996年成功实现大型PSA技术国产化以来，我们将PSA技术从提纯氢气拓展到净化回收一氧化碳、变换气脱二氧化碳、沼气回收甲烷、烟道气捕集二氧化碳等领域。”陈健说。
如今，“中国版”的PSA技术正应用于世界各国能源领域：在文莱达鲁萨兰国大摩拉岛上，2013年启动建设的22万标准立方米/小时炼厂PSA提纯氢气装置正安全高效地运行，这是我国出口海外最大的PSA提纯氢气装置，也是世界上最大的PSA提纯氢气装置之一;去年西南化工再次在国际竞标中，中标文莱炼化项目大型化PSA提纯氢气工程，氢气总产量达到85万标准立方米/小时;今年，西南化工为韩国鲜都化学(株)公司提供了一套产品气量为1638标准立方米/小时的燃料电池氢生产装置，这也是首套在海外落地的PSA制燃料电池氢项目。
国内使用西南化工PSA技术实现工业副产气资源化利用也硕果累累：广州石化从苯乙烯裂解尾气中提取燃料电池用氢气，为大湾区各城市的加氢站供氢，设计燃料电池用氢气生产能力为2200标准立方米/小时，该装置于2020年投产，长周期高负荷稳定运行至今，实现了宝贵的副产氢资源的高值回收利用。燕山石化从炼厂气中提取燃料电池用氢气，为北京冬奥会配套加氢站供氢，设计燃料电池用氢气生产能力为2000标准立方米/小时。
以较低能耗将废气“吃干榨净”
“PSA技术也是一项节能降耗技术。”陈健说，无论是石油炼制、湿法冶金、煤化工，还是生物制品精制、农药化肥的生产过程，都离不开分离技术。与众多分离技术相比，PSA技术具有能耗低的显著优点，并且工艺过程简单，操作稳定，可将混合气中的多种杂质净化并得到高纯度的目标气体。
西南化工技术负责人算了一笔账：PSA技术从炼化企业尾气中回收乙烯和丙烯的能耗大约为100千克标准油/吨，传统热裂解乙烯和丙烯的能耗约为360千克标准油/吨。依靠PSA技术建成的炼化企业干气回收装置，每年可回收乙烯与丙烯约103万吨，节约能耗折合26.78万吨标准油，按照每吨标准油排放3.36吨二氧化碳计算，相当于每年减排约89.9万吨二氧化碳。
“当前世界主要国家把氢能作为能源转型、实现碳中和的重要手段之一，制定了不同的氢能发展路径。从长远来看，绿氢生产技术尤为重要。但在氢能产业发展初期，从工业副产气中提纯氢是氢气的重要来源，也是将工业副产气‘吃干榨净’的途径之一。”陈健表示，针对工业副产气资源浪费、环境污染、碳减排等问题，未来PAS技术还可拓展应用于更多类型的工业副产气的资源化高值利用。
