摘要：煤化工和绿色氢能源耦合是以绿色能源为基础，能够有效的减少煤炭、石油等非清洁能源的消耗，文章以煤化工和绿色氢能源的耦合为研究目标，从耦合可行性、发展可行性、关键发展路径等方面进行了全面分析。结果表明，煤化工和绿色氢能源耦合具有显著的技术优势，将是未来实现绿色煤化工的关键。

　　关键词：煤化工；绿色氢能源；清洁能源；耦合

　　0引言

　　随着全球对“绿色、环保”要求的不断提升，给我国煤化工产业的发展带来了严重影响，氢能技术的发展为绿色化工指明了一条重要的道路，氢能广泛应用在炼铁、煤制CH3OH（甲醇）等领域，极大的拓展了氢能的使用范围。煤化工和绿色氢能源的耦合是把煤化工技术和氢能利用技术相结合，从而减少煤炭等石化能源的消耗，提高煤炭的转换效率、降低环境污染。

　　煤化工产业和绿色氢能源产业的相结合对于实现煤化工产业的绿色发展，构建绿色、可控的能源保障体系具有十分重要的意义，同时也是保障我国实现“双碳”目标的关键途径。

　　1煤化工和绿色氢能源耦合可行性

　　目前在煤化工生产过程中煤炭主要使用在2个方面。一方面是使用在煤气化过程中，在氧气的催化作用下获取一氧化碳、氢气及二氧化碳的混合气体，然后继续在一氧化碳催化反应下获取氢气。所获取的混合气体则可以根据用途的不同对混合气中的氢气、一氧化碳的比例进行调整，用于进一步合成氨、合成CH3OH、乙醇等化工产品。另一方面则是用作燃料，通过对煤炭的燃烧产生高压蒸汽或者发电，用于驱动煤化工生产过程中各类设备及反应流程的进行。

　　在煤化工生产过程中，一氧化碳转变的时候会产生大量的二氧化碳，其产量占据了整个煤化工生产过程的70%，而在空气分离和煤炭燃烧所产生的二氧化碳量仅占据了煤化工生产过程的约30%。煤化工生产工艺流程，如图1所示。

　　在煤化工生产的时候，通过催化一氧化碳反应来制取氢气的过程需要对混合气体中的氢碳比进行调整，将会产生大量的二氧化碳。将煤化工和绿色氢能源相结合的一个很明显的优势就是在进行电解水的时候不仅能够产生氢气，而且能够产生氧气，这样就不需要在反应系统中添加合成气变换装置，也不需要设置气体分离装置，这样就取消了煤化工生产过程中能耗最高的2个反应单元，减少了能耗。煤化工和绿色氢能源耦合流程，如图2所示。

　　通过煤化工和绿色氢能源的耦合流程分析，在进行耦合以后能够带来的优势主要体现在3个方面：首先是取消了空气分离装置及合成气变化装置，其次是煤炭的利用率提升，在同等煤炭的情况下能够获取更多的化工产品，最后是减少了燃料煤的消耗并弱化了一氧化碳的变换程度，减少了在反应过程中二氧化碳的排放量，减少了环境污染。

　　2煤化工和绿色氢能源合成路径分析

　　根据分析，目前氢能的主要应用在合成CH3OH、合成氨方面，其应用占比达到了氢能消耗的87%以上，因此文章重点对合成CH3OH及合成氨可行性进行分析。

　　2.1合成氨技术分析

　　根据分析，我国合成氨的产量达到了5 900万t/a，其中约5 000万t源自于煤炭，每年消耗的煤炭量达到了5 700万t，所产生的二氧化碳达到了约1.47亿t。在所排放的二氧化碳中有约4.1%用于纯碱的制备，约23.7%用于尿素的制备[5]。合成氨工艺技术流程，如图3所示。

　　根据研究，若5 000万t的煤制合成氨的氢气均从绿色氢能源中获取，则需要氢气的量约为790万t，在反应过程中能够减少约1.47亿t温室气体的排放，而且通过纯碱和尿素的制备能够进一步对二氧化碳进行消耗，有效降低二氧化碳气体的排放量。目前液氨的运输安全得到了进一步的提升，因此后续可以重点发展以液氨为载体的氢能运输、氨气燃烧等，提升氨气的应用范围和使用量。

　　2.2合成CH3OH技术

　　根据统计，我国的CH3OH主要用于满足聚丙烯和聚乙烯的生产，CH3OH的年产量约为8 100万t，通过煤炭制取的CH3OH量达到了6 100万t，消耗的煤炭量约为9 790万t，产生的二氧化碳量达到了2.2亿t。CH3OH的制备工艺流程，如图4所示。

　　根据分析若6100万t合成CH3OH的氢气均从绿色氢能源中获取，则需要约740万t的绿色氢能源，每年可以减少约1.7亿t二氧化碳的排放，对减少环境污染具有十分重要的意义。

　　2.3绿色氢能源可应用范围及规模分析

　　除了上述合成氨、合成CH3OH外，绿色氢能源还可以应用在石油炼化、煤制油、炼焦等过程中，以绿色氢能源为原料的应用范围及应用量如表1所示。

　　由表1可知，2023年的氢气消耗总量达到了3 734.925万t，而且还在持续增长中，绿色氢能源的使用范围和规模持续在扩大，因此具有广阔的应用前景。

　　3绿色氢能源成本计算

　　绿色氢能源能否在煤化工行业得到全面应用，其成本是核心因素，根据研究目前绿色氢能源的制备的来源主要有三方面。一是以煤炭、石油等石化燃料为原料来制氢；二是在石化燃料制氢过程中通过碳补收技术来进行制氢；三是通过电解水等方式来制氢。

　　石化燃料制氢时的成本主要来源于石化燃料、氧气、设备折旧费，其中对制氢成本影响最大的为石化燃料的市场价格；碳补收技术进行制氢的主要成本来自于天然气费用；电解水制氢的主要成本来自于电价、制氢时间长、电解水效率等几个方面。根据对以上影响因素的分析，在以上制氢方式中，电解水制氢存在较大的调整空间，是实现低成本制氢的关键。

　　若目前煤炭的价格为980元/t，再加上二氧化碳的捕获及封存成本，使用石化燃料制氢的成本达到了16.2~18.9元/kg。在目前市场条件下，使用电解水制氢的成本在11.88~25.73元/kg之间，制氢成本高于石化燃料制氢成本；只有当清洁能源的电价降低到0.1元/kW·h时，电解水制氢的成本才会低于石化燃料制氢成本；

　　因此可知降低清洁能源的电价是减少电解水制氢费用的核心，根据计算，电力成本每降低0.12元/kW·h，电解水制氢的费用就能够降低5.8元/kg。再加上随着电解槽使用周期的增加也会使单位氢气的固定成本降低，当连续使用3 000 h以上时就能够使制氢成本降低约24%，进一步降低电解水制氢的成本。

　　由此可知，随着制氢技术的进一步发展，能够使制氢成本得到显著的降低，为实现煤化工和绿色氢能源耦合提供更显著的经济效益。

　　4结论

　　煤化工和绿色氢能源耦合技术是解决煤化工产业污染大、石化能源消耗多的有效途径。合成氨及合成CH3OH是绿色氢能源应用的重点方向，而且随着以液氨为载体的氢能储运技术的发展将进一步拓展绿色氢能源的应用范围，带来新的市场增量。目前限制绿色氢能源与煤化工耦合的核心在于制氢成本高于传统的石化燃料制氢，但未来可以通过加大新能源发电的规模来降低电价，并通过技术优化和规模性生产来降低绿色氢能源成本，加速推进煤化工和绿色氢能源的耦合发展。

       参考文献：

　　[1]王明华.氢能煤基能源产业战略转型路径研究[J].现代化工，2021，41（7）：1-4.

　　[2]韩红梅，杨铮，王敏，等.我国氢气生产和利用现状及展望[J].中国煤炭，2021，47（5）：59-63.

　　[3]金玲，郝成亮，吴立新，等.中国煤化工行业二氧化碳排放达峰路径研究[J].环境科学研究，2022，35（2）：368-375.

　　[4]柯彦，陶怡，易学睿，等.典型煤化工项目低碳发展路径的技术经济评价[J].洁净煤技术，2022，28（6）：127-134.

　　[5]闫国春，温亮，张华.现代煤化工产业发展路径分析[J].化工进展，2022，41（12）：6201-6212.

　　[6]阳国军，刘会友.现代煤化工与绿电和绿氢耦合发展现状及展望[J].石油学报（石油加工），2022，38（4）：995-1000.

　　[7]王强，徐向阳.“双碳”背景下现代煤化工发展路径研究[J].现代化工，2021，41（11）：1-3.