在即將召開的2022年北京冬奧會上，將有2000輛氫燃料電池車服務賽事。讓人想不到的是，這批清潔、低碳的新能源汽車行駛所需要的高純度氫氣，竟來自石化企業的工業廢氣。而實現在廢氣中“掘金”的，是擁有自主知識產權的變壓吸附(PSA)氣體分離技術。
12月8日，據西南化工研究設計院有限公司(以下簡稱西南化工)透露，西南化工與中國石油天然氣股份有限公司華北石化分公司簽訂的2000立方米/小時氫氣提純裝置項目，預計將于2022年1月投產，該裝置使用PSA技術所產的氫氣，將為2022年北京冬奧會提供清潔能源。
今年3月，同樣采用PSA技術新建的燕山石化2000立方米/小時氫氣提純裝置已開車成功，所生產的氫氣純度達99.976%,也將用于冬奧會氫燃料電池車。
將工業副產氣轉化為氫能
氫氣是重要的煉化、煤化工、精細化工原料和清潔能源，我國工業副產氣量大面廣，可為氫能產業發展提供穩定、低成本的氫源。數據顯示，2020年全國焦炭產量為4.71億噸，副產氫氣可達800萬噸。另外，丙烷脫氫、煉油和氯堿行業副產氫氣也是巨大的氫氣來源。
“要有純化技術才能使這些氫氣成為氫能。PSA就是利用混合氣體中不同氣體組分在吸附劑中吸附特性的差異，通過壓力變化使混合氣中的不同組分實現分離和凈化，是氣體分離領域最重要的共性技術之一。”西南化工黨委書記、總經理陳健說。
“將工業副產氫轉化為燃料電池用氫，定向除雜是一個必須突破的技術難題。”西南化工技術負責人說，由于不同用途氫氣的質量指標差別大，即使是高純氫，其中雜質的含量也可能遠高出氫燃料電池標準的規定值，從而造成燃料電池催化劑中毒，導致氫燃料電池輸出性能下降甚至損壞報廢。
為此，西南化工的科研團隊針對工業副產氣制備燃料電池車用氫氣，先后突破大規模、高壓力、多雜質氣源的氫氣吸附分離提純技術難題，設計出世界最大規模的PSA提純氫氣裝置，并形成了擁有自主知識產權的工業副產氫凈化與提純成套技術，使我國PSA提純氫氣裝備技術達到國際領先水平。
“煤化工企業、氯堿企業、鋼鐵冶煉企業生產中產生的焦爐煤氣、蘭炭尾氣、氯堿尾氣、多晶硅尾氣等，都可以成為氫能的‘原料’。采用PSA技術回收這些廢氣中的氫氣，可大幅提高廢氣綜合利用水平。”陳健說。
目前，以PSA技術為核心的工業副產氣模塊化凈化提純技術，已應用于60余套工業裝置，為氫能產業提供了一條低成本的制氫路徑。
為世界能源產業提供“中國路徑”
“20世紀90年代中期之前，我國大型化PSA提純氫氣裝置全部依靠進口，西南化工于1996年成功實現大型PSA技術國產化以來，我們將PSA技術從提純氫氣拓展到凈化回收一氧化碳、變換氣脫二氧化碳、沼氣回收甲烷、煙道氣捕集二氧化碳等領域。”陳健說。
如今，“中國版”的PSA技術正應用于世界各國能源領域：在文萊達魯薩蘭國大摩拉島上，2013年啟動建設的22萬標準立方米/小時煉廠PSA提純氫氣裝置正安全高效地運行，這是我國出口海外最大的PSA提純氫氣裝置，也是世界上最大的PSA提純氫氣裝置之一;去年西南化工再次在國際競標中，中標文萊煉化項目大型化PSA提純氫氣工程，氫氣總產量達到85萬標準立方米/小時;今年，西南化工為韓國鮮都化學(株)公司提供了一套產品氣量為1638標準立方米/小時的燃料電池氫生產裝置，這也是首套在海外落地的PSA制燃料電池氫項目。
國內使用西南化工PSA技術實現工業副產氣資源化利用也碩果累累：廣州石化從苯乙烯裂解尾氣中提取燃料電池用氫氣，為大灣區各城市的加氫站供氫，設計燃料電池用氫氣生產能力為2200標準立方米/小時，該裝置于2020年投產，長周期高負荷穩定運行至今，實現了寶貴的副產氫資源的高值回收利用。燕山石化從煉廠氣中提取燃料電池用氫氣，為北京冬奧會配套加氫站供氫，設計燃料電池用氫氣生產能力為2000標準立方米/小時。
以較低能耗將廢氣“吃干榨凈”
“PSA技術也是一項節能降耗技術。”陳健說，無論是石油煉制、濕法冶金、煤化工，還是生物制品精制、農藥化肥的生產過程，都離不開分離技術。與眾多分離技術相比，PSA技術具有能耗低的顯著優點，并且工藝過程簡單，操作穩定，可將混合氣中的多種雜質凈化并得到高純度的目標氣體。
西南化工技術負責人算了一筆賬：PSA技術從煉化企業尾氣中回收乙烯和丙烯的能耗大約為100千克標準油/噸，傳統熱裂解乙烯和丙烯的能耗約為360千克標準油/噸。依靠PSA技術建成的煉化企業干氣回收裝置，每年可回收乙烯與丙烯約103萬噸，節約能耗折合26.78萬噸標準油，按照每噸標準油排放3.36噸二氧化碳計算，相當于每年減排約89.9萬噸二氧化碳。
“當前世界主要國家把氫能作為能源轉型、實現碳中和的重要手段之一，制定了不同的氫能發展路徑。從長遠來看，綠氫生產技術尤為重要。但在氫能產業發展初期，從工業副產氣中提純氫是氫氣的重要來源，也是將工業副產氣‘吃干榨凈’的途徑之一。”陳健表示，針對工業副產氣資源浪費、環境污染、碳減排等問題，未來PAS技術還可拓展應用于更多類型的工業副產氣的資源化高值利用。
