煤制氫？天然氣制氫？成本對比與建議

      随著(zhe)原油劣質化和成品油質量升級加快，煉油廠(chǎng)對氫氣的需求劇增，降低氫氣成本成爲煉油廠(chǎng)一項重要發展戰略。氫氣是公認的優良綠色燃料，其燃燒熱值是汽油的2.7倍、煤炭的3.5倍，目前主要用作航天火箭二級／三級推進燃料。

      國内外正在研究日常交通領域的應用，尤其是日本以氫燃料汽車爲發展方向，目前每年有300~400輛的氫燃料動力汽車産出，計劃到2020年，建成160個氫燃料加注站、投入使用4萬輛燃料電池汽車（FCV）。同時，氫氣也是重要的工業原料和還原劑，在國民經濟各領域廣泛應用，是精細化工、醫藥中間體等行業的合成原料以及冶金、電子、玻璃、機械制造的保護氣。在油品加工過程中，氫氣是不可缺少的一種重要原料。随著原油劣質化和環境保護的日益加強，燃料清潔性标準不斷提高，加氫工藝快速發展，煉油廠對氫氣的需求劇增，已成爲僅次於原油的第二大原料，尋求廉價氫源，是煉油廠必須考慮的問題。本研究從煉油廠降低氫氣成本涉及的原料來源出發，按照煉油廠全加氫流程，配套建設獨立的制氫裝置原料，分析瞭影響氫氣生産成本的因素以及競争性。

一、煉油廠氫氣來源

      煉油廠氫氣來源主要有3種渠道：①原油加工過程副産氫氣，包括重整裝置副産、富氫氣體回收、煉化一體化配套的化工系統中乙烯、電解、脫氫裝置副産等；②煉油廠配套獨立制氫裝置産氫；③外購氫源。重整副産氫氣約占原油總量的0.5%~1.0%，對於全加氫煉油流程，氫氣用量一般占原油加工量的0.8%~2.7%，僅依靠重整和其它裝置副産氫氣難以滿足含硫原油和劣質原油加工比例日益增大的需求，且國内正在加快建設大型的加氫型煉油廠，對氫氣資源的消耗趨勢迅猛增加，配套加氫能力占原油加工能力已經超過70%，通過自身和傳統的加工方式已難以解決全廠的氫氣平衡和需求，必須建設獨立的制氫裝置生産氫氣。

二、制氫裝置原料路線的選擇

      煉油廠對氫氣需求的穩定性要求高，配套建設獨立制氫裝置優先要確保裝置穩定運行，確保原料性質和數量的穩定供應，工藝技術要成熟可靠。制氫原料路線的選擇取決於原料資源的可獲得性、技術成熟度和原料經濟合理，制氫原料主要有煉廠幹氣、天然氣、煤、輕石腦油和重油等。

      但随著國内化工需求上升，重油和石腦油資源化趨勢加強，原有重油制氫裝置因沒有充分利用原料價值，在成本效益上越來越難以體現經濟性，影響瞭煉油廠的經濟效益，因此紛紛停産。在實際生産中，利用幹氣爲原料的制氫裝置需要綜合解決全廠燃料平衡之間的矛盾。作爲獨立原料來源的天然氣制氫和煤制氫正在成爲兩類最重要的制氫發展方向。比較而言，天然氣制氫單位投資低，但煤制氫産量高，價格低廉，成本優勢顯著。在天然氣價格較高和政策管控的情況下，煤制氫經濟性好。

三、測算依據

      10Mt/a規模煉油廠加工含硫原油（硫質量分數爲2%），採用全加氫和最大化重整規模，産品以生産成品油和化工料爲主的煉油工藝流程，成品油滿足國Ⅴ排放标準，以所需獨立制氫裝置規模最小90000m³/h爲基礎，對兩種工藝路線進行比較。

（1）原料以上海地區價格爲基準，天然氣到廠價爲2.5元/m³（不含稅、熱值35948kJ/m³），煤炭450元/t（不含稅、熱值22990kJ/kg）。

（2）氧氣外購0.5元/m³；3.5MPa蒸汽100元/t，1.0MPa蒸汽70元/t；新鮮水4元/m³；電0.56元/（KW·h）。

（3）煤制氫採(cǎi)用水煤漿技術，建設投資12.4億元、天然氣制氫建設投資6億元。人員費用統一。裝置10年折舊後殘(cán)值5%；修理費3%/a，财務費用按建設資金70%貸款，年利率按5%計。

（4）比較範(fàn)圍爲裝置界區内，建設投資不含征地費以及配套儲(chǔ)運設施。

四、主要結果

1. 價格及成本參數

      天然氣制氫和煤制氫成本測算結果見表1。

      上海地區天然氣價格2.5元/m³時（不含稅，下同），天然氣制氫成本12831元/t，折1.14元/m³。煤炭450元/t時，煤制氫成本9903元/t，折0.869元/m³。90000m³/h煤制氫比天然氣制氫年節約成本約2億元。

2. 天然氣制氫成本構成

       天然氣制氫成本構成見圖1。從圖1可以看出，天然氣制氫成本主要由天然氣、燃料氣和制造成本構成，其中天然氣價格是最主要因素，占73.4%。燃料氣是成本的第二因素，占13.7%。按照總投資70%融資考慮，制造及财務費将占成本構成的9.3%。除燃料氣外的燃料動力能耗占2.4%。其它費用占1.2%。

3. 煤制氫成本構成

      煤制氫成本構成見圖2。從圖2可以看出，煤制氫成本主要由煤炭、氧氣、燃料動力能耗和制造成本構成，但煤炭費用的比例遠小於天然氣費用的比例，僅占36.9%。一般煤制氫氣採用部分氧化工藝，按照配套空氣分離裝置氧氣成本測算，占氫氣生産的25.9%。由於煤制氫氣投入大，制造及财務費用成爲重要的成本影響因素，占比達到22.5%。燃料動力費用占7.9%，其它占6.7%。

4. 天然氣制氫與煤制氫同等成本的對應關系

      天然氣制氫與煤制氫同等成本的對應關系見表2。從表2可以看出，當天然氣價格爲1.67元/m³、煤炭價格爲450元/t時，天然氣制氫與煤制氫氫氣成本爲0.87元/m³；天然氣價格爲2.52元/m³、煤炭價格上升到850元/t時，二者生産的氫氣成本爲1.15元/m³。目前，兩種方法的制氫工藝均在工業化大規模生産中得到應用，原料來源是影響氫氣成本的主要因素，也成爲企業選擇技術的關鍵因素之一。

5. 天然氣和煤炭價格分布

      2016年12月各省（區、市）非居民用天然氣基準門站價格（含增值稅）見表3。

      2014-2016年我國(guó)主要區域煤炭價(jià)格指數見表4。

      天然氣和煤炭兩種資源價格有明顯的地域性，主要分爲華東和華南、華北、西北地區。其中華東和華南地區遠離天然氣主産區，無論是管輸還是LNG運輸，均存在成本高的問題，目前售價在2.5元/m³以上，而煤炭限制少，可依托海運優勢實施進口，售價與國内運輸價環渤海灣指數基本相同。華北地區天然氣靠近資源産地和國家主進口管道，資源可獲得性較好，氣價相對較低，目前售價2元/m³左右。煤炭雖也靠近産地，但基本以鐵路和公路運輸爲主，物流費用較高，售價與國家環渤海灣指數相同。同時，京津冀地區環保壓力大，壓縮煤炭數量指标高。西北地區位於天然氣和煤炭主産地，售價較低。

6.碳稅對制氫成本的影響

      全球變暖和環境污染，要求控制溫室氣體和污染物排放，減排任務日益嚴峻。随著環保壓力的加大，尤其是2015年中國在《聯合國氣候變化框架公約》的巴黎氣候大會上提出到2030年單位GDP的二氧化碳排放量比2005年下降60%~65%，並在2030年前後化石能源消費的二氧化碳排放達到峰值的目标，征收碳稅将不可避免，煤制氫工藝外排二氧化碳約是天然氣制氫的4倍。

      碳稅的實施對煤制氫項目的競争力影響遠大於天然氣制氫。碳稅對制氫路線的影響見表5。

      以2015年上海地區天然氣價格2.5元/m³、煤炭價格450元/t測算，當碳稅爲175元/t時，採取煤制氫工藝相對於天然氣制氫工藝，在成本上失去優勢。以華北地區天然氣價格2.0元/m³、煤炭價格450元/t爲基準，當碳稅爲100元/t時，採取煤制氫工藝相對於天然氣制氫工藝，在成本上失去優勢。以西北地區天然氣價格1.5元/m³、煤炭價格300元/t爲基準，當碳稅爲50元/t時，採取煤制氫工藝相對於天然氣制氫工藝，在成本上失去優勢。

五、幾點建議

      從計算結果可以看成：天然氣制氫與煤制氫兩種工藝路線所承受的原料價格和對碳稅敏感性不同。原料對天然氣制氫的影響大於煤制氫，總體看，天然氣價格變化10%相當於煤炭價格變化23%左右。碳稅對煤制氫的影響大於天然氣制氫，碳稅每變化25元/t，天然氣制氫成本變化0.01元/m³，而煤制氫變化0.05元/m³。煤制氫燃料動力能耗高於天然氣制氫，對系統蒸汽和電力要求高，企業需要配套鍋爐，統一建設燃煤鍋爐受制於政府要求。随著成品油質量升級步伐加快，煉油企業對氫氣的需求不斷上升，新建或擴建制氫裝置不可避免，氫氣成本成爲提高企業競争力的主要因素之一。爲此，建議在統籌各區域和企業的條件後，合理選擇制氫路線。

 （1）華東和華南地區天然氣價全國最高，與華北地區相比約高0.5元/m³，相當於煤炭價格高250元/t。但這兩個地區煤炭資源供應渠道多，運輸方便。“十三五”期間，在《石化産業規劃布局方案》（2014年）規劃的7大基地中有5個位於此區域，此外還有舟山在建的40Mt/a煉化一體化基地，市場競争激烈，降低原料成本尤爲關鍵。同時，此區域也是國内居民生活水平較高地區，加工制造産業發達，天然氣資源供應緊張。建議積極與政府協調，制氫路線以煤制氫爲主。

 （2）華北地區氣／煤價格比小於華東地區，煤制氫受碳稅影響大。以2009年國家财政部《中國開征碳稅問題研究詳細技術報告》中建議碳稅40元/t測算［6-7］，在現有天然氣價格（2.0元/m³）下，煤炭最高可承受價格約500元/t。此外，國家正在加快京津冀一體化布局，2017年3月，環保部、發改委、财政部、能源局及相關6大省市政府聯合印發《京津冀及周邊地區2017年大氣污染防治工作方案》将北京、天津、河北、山西、山東、河南“2+26”城市納入京津冀大氣污染傳輸通道，其中北京、天津、廊坊、保定2017年10月底前完成“禁煤區”建設任務。傳輸通道其它城市於10月底前按照宜氣則氣、宜電則電的原則，每個城市完成5~10萬戶以氣代煤或以電代煤工程。但此區域天然氣資源來源廣，北京地區已形成4條天然氣進京管線，正在建設第5條管線。天津、山東建設瞭進口LNG設施。山西、内蒙古等地規劃建設瞭多套煤制氣裝置。建議此區域在天然氣有保證的情況下，優先建設天然氣制氫裝置。

 （3）對於(yú)現有小於(yú)5.0Mt/a的非煉化一體化煉油型企業，自産(chǎn)燃料氣較多，氫氣需求量較小，幹氣外運成本高，建議利用自産(chǎn)幹氣建設制氫裝置。

 （4）現有城市型煉油廠(chǎng)環境要求苛刻，煤炭運輸受制因素多，建議結合燃料平衡優先考慮幹(gàn)氣和天然氣混合制氫路線。

 （5）考慮到國家環保要求日益嚴格，尤其是已出台的“大氣污染防治法”明確規定瞭(le)高硫焦不能出廠（初步定爲硫質量分數3%以上），加工高含硫原油企業将面臨著(zhe)石油焦出路難題。2015年硫質量分數3%以上的石油焦價格爲680元/t，青島和天津硫質量分數7%的石油焦僅售460元/t，與煤炭價格基本持平，未來随著(zhe)環保和運輸壓力加大，價格将逐漸下滑。但石油焦氫含量較高，從烴類蒸汽轉化的化學反應可知，在碳數相同的情況下，氫碳比越高，理論産氫量越高。如果用石油焦作爲煤氣化的原料，既可解決煤炭的保供問題，又能解決石油焦的出路問題。建議這種類型企業以焦/煤混合制氫路線爲主。

 （6）目前金屬含量高的重質原油採(cǎi)用渣油加氫路線的經濟性較差，建議下一步将此減壓渣油淺度溶劑脫瀝青後再與加氫、催化裂化等工藝組合，以最大限度地将渣油轉化爲輕質油品，脫油後硬瀝青可作爲制氫原料或鍋爐燃料。但瀝青制氫方案如放在煉油結構調整項目中，其效益受原油性質、油價水平及最終産品方案影響較大，需要綜合測(cè)算。

 （7）煤炭和天然氣供應能力和價格對制氫工藝需求的動力鍋爐採(cǎi)用的燃料選擇至關重要，按照上海地區價格初步測算，10Mt/a煉油系統的兩種燃料費用相差約5億元；華北地區相差3.5億元。考慮到制氫成本費用，目前狀态下，對於(yú)10Mt/a純煉油企業，天然氣比煤炭在上海地區高約7億元以上，而15Mt/a煉油企業相差超過10億元。如果是煉化一體化企業，煤炭作爲燃料和原料，優勢将更加明顯（預計年費用相差約20億元）。

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