開欄的話
隨著全球?qū)Φ吞冀鉀Q方案需求的不斷增長，氫冶金作為清潔、高效、低碳和未來鋼鐵工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型與可持續(xù)發(fā)展的重大變革性技術(shù)，正逐步成為推動(dòng)行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵力量。氫能——這把開啟綠色冶金的“金鑰匙”，正在重塑鋼鐵冶金的生產(chǎn)基因。
在此背景下，《中國冶金報(bào)》特開設(shè)《氫啟未來》欄目，從鋼鐵冶金原料的視角，聚焦冶金領(lǐng)域氫能“制、儲(chǔ)、輸、用”各關(guān)鍵環(huán)節(jié)，與讀者共同推開這扇通向“氫”潔冶金的時(shí)代之門。
焦?fàn)t煤氣是煤煉焦過程中產(chǎn)生的主要副產(chǎn)品，其中含有氫氣（55%~60%）、甲烷（23%~30%）、一氧化碳（6%~8%）、不飽和烴等可燃成分，還含有苯、萘、氨、有機(jī)硫、無機(jī)硫等大量雜質(zhì)成分。我國是全球最大的焦炭生產(chǎn)地，國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2024年全國焦炭產(chǎn)量約為4.89億噸，按照噸焦產(chǎn)焦?fàn)t煤氣量為430立方米估算，2024年全國生產(chǎn)了約2102.7億立方米的焦?fàn)t煤氣。
目前，焦?fàn)t煤氣主要被用作燃料氣源和化工原料（制氫、合成甲醇、制天然氣）。焦?fàn)t煤氣直接排放燃燒不僅嚴(yán)重浪費(fèi)資源，還加劇環(huán)境污染。因此，加快推動(dòng)焦?fàn)t煤氣高附加值開發(fā)與利用具有重大意義。
2022年國家發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035）》明確了氫能的能源地位。2024年政策持續(xù)發(fā)力推動(dòng)氫能發(fā)展，首部《中華人民共和國能源法》將氫能正式列為能源管理對(duì)象。在國家和地方政府的產(chǎn)業(yè)政策支持下，我國氫能產(chǎn)量增長明顯。由于焦?fàn)t煤氣中含有55%~60%的氫氣，并且焦?fàn)t煤氣制氫流程短、能耗低，企業(yè)采用焦?fàn)t煤氣制氫已逐步成為優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的重要途徑之一。
焦?fàn)t煤氣制氫在長流程鋼鐵企業(yè)應(yīng)用比較廣泛，其成本競爭力在氫能行業(yè)中具有顯著優(yōu)勢。筆者從工藝流程、成本結(jié)構(gòu)、技術(shù)成熟度、政策支持及市場應(yīng)用等角度進(jìn)行深入分析后認(rèn)為，焦?fàn)t煤氣制氫憑借低成本、成熟工藝和政策優(yōu)勢，在短期內(nèi)是氫能供應(yīng)體系中性價(jià)比最高的路徑之一；盡管綠氫是長期發(fā)展方向，但在未來5~10年內(nèi)，焦?fàn)t煤氣制氫仍將主導(dǎo)工業(yè)副產(chǎn)氫市場，尤其是在焦化產(chǎn)業(yè)密集區(qū)域具有不可替代的競爭力。
焦?fàn)t煤氣制氫工藝流程
目前，工業(yè)化常用的焦?fàn)t煤氣制氫的方法為變壓吸附法（PSA），其核心原理為通過壓力周期性變化實(shí)現(xiàn)吸附劑對(duì)雜質(zhì)的選擇性吸附與解吸，利用焦?fàn)t煤氣中氫氣與其他氣體組分在吸附劑上的動(dòng)力學(xué)特性差異完成分離，最終獲得高純氫氣。該工藝無需化學(xué)反應(yīng)，依賴物理吸附的可逆性，具有能耗低、操作溫度溫和（常溫）的優(yōu)勢，具體流程如圖所示。
焦?fàn)t煤氣制氫成本結(jié)構(gòu)分析
焦?fàn)t煤氣制氫的核心優(yōu)勢在于其原料來源的副產(chǎn)屬性及對(duì)現(xiàn)有設(shè)施的利用。
一是原料成本低。焦?fàn)t煤氣是焦炭生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品（氫氣含量約60%），成本較低，通常為0.5元/立方米~1元/立方米。焦化廠利用焦?fàn)t煤氣制氫時(shí)原料獲取成本幾乎為零。與其他制氫路徑（如電解水制氫）相比，無需額外購買能源或原料，大幅降低了基礎(chǔ)成本。
二是設(shè)備與工藝成本低。從工藝成熟性來看，焦?fàn)t煤氣制氫采用變壓吸附（PSA）技術(shù)，工藝簡單且技術(shù)成熟，規(guī)?；a(chǎn)能力強(qiáng)，分離提純效率高，設(shè)備投資較少，投資回收期短。例如，小規(guī)模制氫可直接利用現(xiàn)有焦化廠設(shè)施，無需新建產(chǎn)線。某企業(yè)通過焦?fàn)t煤氣制氫的年產(chǎn)能已達(dá)3.6萬噸，并配套建設(shè)加氫站，形成區(qū)域供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。
從工藝成本來看，PSA裝置、凈化系統(tǒng)、壓縮機(jī)等設(shè)備，初始投資規(guī)模PSA提氫裝置投資約6000萬元~10000萬元（處理量2萬標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)），對(duì)應(yīng)氫氣成本約4元/千克~5元/千克。
電力成本主要產(chǎn)生于于壓縮、分離等工藝，占比約30%~40%。每公斤氫氣耗電約4千瓦時(shí)~6千瓦時(shí)，按工業(yè)電價(jià)0.6元/千瓦時(shí)~1.0元/千瓦時(shí)計(jì)算，所需電力成本為2.4元/千克~6元/千克。
焦?fàn)t煤氣含硫化物（H2S）、苯等污染物，需經(jīng)過脫硫、脫苯處理，尾氣處理成本約為1.2元/千克~3元/千克。
三是運(yùn)營與維護(hù)成本低。由于焦?fàn)t煤氣制氫依附于焦化生產(chǎn)流程，提純?cè)O(shè)備的能耗和維護(hù)成本較低，大約為0.2元/千克~0.5元/千克。例如，提純氫氣所需的能耗主要集中在PSA環(huán)節(jié)，而焦化廠本身的能源供應(yīng)已可覆蓋大部分需求，進(jìn)一步壓縮了運(yùn)營成本。
四是綜合成本低。焦?fàn)t煤氣制氫的綜合工藝成本約為8.3元/千克~15元/千克，顯著低于其他主流制氫方式。其成本優(yōu)勢主要源于原料為焦化生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物，無需額外投入原料費(fèi)用。
與其他制氫方式的成本對(duì)比
灰氫（化石能源制氫）。焦?fàn)t煤氣制氫屬于灰氫范疇，但其成本優(yōu)勢明顯。例如，某企業(yè)2025年的灰氫生產(chǎn)成本約為10元/千克，而傳統(tǒng)煤制氫因環(huán)保成本上升（如碳捕捉技術(shù)）導(dǎo)致成本增至15元/千克~20元/千克，焦?fàn)t煤氣制氫的環(huán)保壓力較小，綜合成本更低。
綠氫（電解水制氫）。綠氫成本受制于電價(jià)和設(shè)備投資，2024年全國電解水制氫成本為21元/千克~46元/千克，是焦?fàn)t煤氣制氫的2倍以上。即使未來綠氫技術(shù)突破，短期內(nèi)焦?fàn)t煤氣制氫仍具價(jià)格優(yōu)勢。
其他工業(yè)副產(chǎn)氫路徑。氯堿副產(chǎn)制氫綜合成本為13.44元/千克~20.46元/千克，需處理氯氣等雜質(zhì)，提純成本較高。丙烷脫氫綜合成本為14元/千克~20.16元/千克，需從混合尾氣中分離氫氣，工藝復(fù)雜度更高。可以看到，這兩種工業(yè)副產(chǎn)氫路徑的原料獲取和提純復(fù)雜度更高，導(dǎo)致成本普遍高于焦?fàn)t煤氣路徑。
政策與市場驅(qū)動(dòng)
焦?fàn)t煤氣制氫成過渡期最優(yōu)選擇
2022年《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃》明確要求優(yōu)先利用工業(yè)副產(chǎn)氫，并在焦化、氯堿等行業(yè)聚集區(qū)推動(dòng)就近消納。能源法將氫能納入國家能源體系管理，進(jìn)一步強(qiáng)化工業(yè)副產(chǎn)氫的戰(zhàn)略地位。
同時(shí)，焦?fàn)t煤氣制氫有市場需求?；茉粗茪湟颦h(huán)保壓力逐步退出，綠氫受制于技術(shù)和成本難以快速補(bǔ)位，工業(yè)副產(chǎn)氫（尤其是焦?fàn)t煤氣制氫）成為過渡期最優(yōu)選擇，可快速填補(bǔ)化石能源制氫退出的市場空缺。預(yù)計(jì)2030年工業(yè)副產(chǎn)氫市場規(guī)模將突破8000億元，焦?fàn)t煤氣制氫有望成為增長核心。（吳明月）
