留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

我国煤制氢与CCUS技术集成应用的现状、机遇与挑战

许毛 张贤 樊静丽 高林 徐冬

许毛, 张贤, 樊静丽, 高林, 徐冬. 我国煤制氢与CCUS技术集成应用的现状、机遇与挑战[J]. 矿业科学学报, 2021, 6(6): 659-666. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.06.004
引用本文: 许毛, 张贤, 樊静丽, 高林, 徐冬. 我国煤制氢与CCUS技术集成应用的现状、机遇与挑战[J]. 矿业科学学报, 2021, 6(6): 659-666. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.06.004
Xu Mao, Zhang Xian, Fan Jingli, Gao Lin, Xu Dong. Status quo, opportunities and challenges of integrated application of coal-to-hydrogen and CCUS technology in China[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2021, 6(6): 659-666. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.06.004
Citation: Xu Mao, Zhang Xian, Fan Jingli, Gao Lin, Xu Dong. Status quo, opportunities and challenges of integrated application of coal-to-hydrogen and CCUS technology in China[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2021, 6(6): 659-666. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.06.004

我国煤制氢与CCUS技术集成应用的现状、机遇与挑战

doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.06.004
基金项目: 

国家自然科学基金 71503249

国家自然科学基金 71874193

详细信息
    作者简介:

    许毛(1995—),男,安徽淮北人,硕士研究生,主要从事复杂能源系统建模、低碳技术投资评估等方面的研究工作。Tel:13051555072,E-mail:xumao951225@163.com

    通讯作者:

    樊静丽(1987—),女,河北沧州人,教授,博士生导师,主要从事能源与气候变化经济、能源系统建模等方面的研究工作。Tel:010-62331447,E-mail:fan@cumtb.edu.cn

  • 中图分类号: TK91; TK-9

Status quo, opportunities and challenges of integrated application of coal-to-hydrogen and CCUS technology in China

  • 摘要: 在应对全球气候变化的背景下,氢能以其清洁、高效、无碳的特点而受到广泛关注。基于我国的资源禀赋、氢能需求及排放约束,煤制氢及碳捕集、利用与封存(CCUS)技术的集成应用对我国能源低碳转型具有重要意义。本文系统分析了我国煤制氢与CCUS技术集成应用的现状、机遇与面临的挑战,并为未来我国发展低碳煤制氢产业提供相关建议。结果表明:①相较其他制氢技术,现阶段煤制氢与CCUS技术的集成应用具备显著的成本优势;②CCUS技术可降低煤制氢过程约90 % 的二氧化碳排放,但相比可再生能源制氢其碳足迹仍是短板;③新疆、山西、陕西及内蒙古等地区可作为推广煤制氢与CCUS技术集成应用的优先区域;④煤制氢与CCUS技术集成应用面临的挑战主要包括缺乏公众认可度以及与可再生能源之间的竞争。未来我国应加强针对煤制氢与CCUS技术集成应用产业的顶层设计及相关技术的科普宣传,积极推进煤制氢与CCUS技术集成应用方面的研发和示范,为我国氢能产业的发展提供保障。
  • 图  1  不同制氢技术的成本比较

    (注:所有成本均已折算为2016年不变价)

    Figure  1.  Cost comparison of different hydrogen production technologies

    图  2  2020—2050年中国氢能供给结构变化[3]

    Figure  2.  Changes of hydrogen supply structure in China from 2020 to 2050

    表  1  主要制氢技术介绍[6-11]

    Table  1.   Introduction of main hydrogen production technologies

    制氢方式 主要制氢原料 主要制氢技术路线 技术成熟度
    煤制氢 煤炭   煤气化制氢 成熟
    天然气制氢 天然气   天然气蒸汽转化法制氢;
      天然气部分氧化法制氢;
      天然气催化裂解制氢
    (1) 蒸汽转化制氢:成熟;
    (2) 甲烷部分氧化法制氢:开发阶段;
    (3) 天然气催化裂解制氢:开发阶段
    工业副产气制氢 焦炉煤气、氯碱副产品等   主要通过变压吸附法将H2提纯 焦炉煤气制氢和氯碱副产品制氢技术:成熟
    甲醇制氢 甲醇   甲醇裂解制氢;
      甲醇蒸汽重整制氢;
      甲醇部分氧化制氢
    (1) 甲醇裂解制氢:成熟;
    (2) 甲醇蒸汽重整制氢:成熟;
    (3) 甲醇部分氧化制氢:研发阶段
    电解(海)水制氢   目前主要的电解槽技术有3种:碱性电解槽(AE)、质子交换膜(PEM)电解槽和固体氧化物电解槽(SOEC) (1) AE:成熟;
    (2) PEM:研发示范阶段;
    (3) SOEC:实验研发阶段
    光催化分解水制氢   利用半导体光催化分解水制氢 实验研发阶段
    生物质制氢 生物质   化学法制氢(气化法、热解重整法、超临界水转化法等);
      生物法制氢(光发酵、暗发酵以及光暗耦合发酵等)
    实验研发阶段
    下载: 导出CSV

    表  2  中国主要氢能政策

    Table  2.   Major hydrogen policies in China

    发布部门 发布年份 政策名称 主要观点
    国务院 2016 《国家创新驱动发展战略纲要》 开发氢能、燃料电池等新一代能源技术
    国家发改委、国家能源局 2016 《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》 加快推进氢能与燃料电池技术创新
    国家发改委、国家能源局 2016 《能源技术革命重点创新行动路线图》 加快推进氢能与燃料电池技术创新
    国务院 2016 《"十三五"国家科技创新规划》 开发氢能、燃料电池等新一代能源技术
    国家能源局 2017 《能源技术创新"十三五"规划》 促进氢能、燃料电池成套技术产业化应用
    工信部、国家发改委、科技部 2017 《汽车产业中长期发展规划》 确定了我国燃料电池技术发展路线
    工信部、财政部、商务部、海关总署、质检总局 2017 《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法公布》 将燃料电池汽车列入积分
    国家发改委、国家能源局 2018 《清洁能源消纳行动计划(2018—2020年)》 探索可再生能源富余电力制氢技术
    国家发改委 2018 《汽车产业投资管理规定》 将燃料电池车划归新能源汽车
    生态环境部、国家发改委、工信部、公安部等 2019 《柴油货车污染治理攻坚战行动计划》 鼓励各地组织开展燃料电池货车示范运营,建设加氢示范站
    国务院 2019 《2019年国务院政府工作报告》 加快推进国内加氢站设施建设
    财政部、工信部、科技部、国家发改委 2019 《关于进一步完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》 购置补贴转为用于支持加氢站基础设施"短板"建设和配套经营服务等方面
    财政部、工信部、交通运输部、国家发改委 2019 《关于支持新能源公交车推广应用的通知》 通过"以奖代补"的方式重点支持新能源公交车运营
    下载: 导出CSV
  • [1] International Energy Agency. CO2 emissions from fuel combustion[R]. Paris: OECD/IEA, 2020.
    [2] International Energy Agency. Energy technology perspectives 2015: mobilizing innovation to accelerate climate action[R]. Paris: OECD/IEA, 2015.
    [3] 《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》编委会. 中国氢能源及燃料电池产业白皮书(2019)[R]. 北京: 中国氢能联盟, 2020.
    [4] 《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》编委会. 中国氢能源及燃料电池产业白皮书(2020)——碳中和战略下的低碳清洁供氢体系[R]. 北京: 中国氢能联盟, 2021.
    [5] 黄宣旭, 练继建, 沈威, 等. 中国规模化氢能供应链的经济性分析[J]. 南方能源建设, 2020, 7(2): 1-13. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NYNF202002002.htm

    Huang Xuanxu, Lian jijian, Shen Wei, et al. Economic analysis of China's large-scale hydrogen energy supply chain[J]. Southern Energy Construction, 2020, 7(2): 1-13. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NYNF202002002.htm
    [6] 瞿丽莉, 郭俊文, 史亚丽, 等. 质子交换膜电解水制氢技术在电厂的应用[J]. 热能动力工程, 2019, 34(2): 150-156. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-RNWS201902032.htm

    Qu Lili, Guo Junwen, Shi Yali, et al. Application of proton exchange membrane electrolysis and hydrogen production technology in power plant[J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2019, 34(2): 150-156. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-RNWS201902032.htm
    [7] 张晖, 刘昕昕, 付时雨. 生物质制氢技术及其研究进展[J]. 中国造纸, 2019, 38(7): 68-74. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGZZ201907017.htm

    Zhang Hui, Liu Xinxin, Fu Shiyu. Research advances in technology of hydrogen production from biomass[J]. China Pulp & Paper, 2019, 38(7): 68-74. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGZZ201907017.htm
    [8] 陈子瞻, 赵汀, 刘超, 等. 煤炭制氢产业现状及我国新能源发展路径选择研究[J]. 中国矿业, 2017, 26(7): 35-40. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGKA201707008.htm

    Chen Zizhan, Zhao Ting, Liu Chao, et al. The prospect of coal to hydrogen industry and the path selection of new energy development of China[J]. China Mining Magazine, 2017, 26(7): 35-40. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGKA201707008.htm
    [9] 贾爽, 应浩, 孙云娟, 等. 生物质水蒸气气化制取富氢合成气及其应用的研究进展[J]. 化工进展, 2018, 37(2): 497-504. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HGJZ201802011.htm

    Jia Shuang, Ying Hao, Sun Yunjuan, et al. Research advance in biomass steam gasification for hydrogen-rich syngas and its application[J]. Chemical Industry and Engineering Process, 2018, 37(2): 497-504. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HGJZ201802011.htm
    [10] Voldsund M, Jordal K, Anantharaman R. Hydrogen production with CO2 capture[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2016, 41(9): 4969-4992. doi: 10.1016/j.ijhydene.2016.01.009
    [11] Zhang Quanguo, Wang Yi, Zhang Zhiping, et al. Photo-fermentative hydrogen production from crop residue: a mini review[J]. Bioresource Technology, 2017, 229: 222-230.
    [12] 科学技术部社会发展科技司和中国21世纪议程管理中心. 中国碳捕集利用与封存技术发展路线图[M]. 北京: 科学出版社, 2019.
    [13] Yoshino Y, Harada E, Inoue K, et al. Feasibility study of "CO2 free hydrogen chain" utilizing Australian brown coal linked with CCS[J]. Energy Procedia, 2012, 29: 701-709. http://www.onacademic.com/detail/journal_1000035721161710_e112.html
    [14] 谢欣烁, 杨卫娟, 施伟, 等. 制氢技术的生命周期评价研究进展[J]. 化工进展, 2018, 37(6): 2147-2158. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HGJZ201806015.htm

    Xie Xinshuo, Yang Weijuan, Shi Wei, et al. Life cycle assessment of technologies for hydrogen production—a review[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2018, 37(6): 2147-2158. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HGJZ201806015.htm
    [15] Abánades A. The challenge of hydrogen production for the transition to a CO2-free economy[J]. Agronomy Research, 2012, 10(1): 11-16. http://agronomy.emu.ee/vol10Spec1/p10s102.pdf
    [16] He Chaoming, Sun Haoran, Xu Yang, et al. Hydrogen refueling station siting of expressway based on the optimization of hydrogen life cycle cost[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, 42(26): 16313-16324. http://www.onacademic.com/detail/journal_1000039918408810_20fc.html
    [17] Ozbilen A, Dincer I, Rosen M A. Development of a four-step Cu-Cl cycle for hydrogen production—Part Ⅰ: exergoeconomic and exergoenvironmental analyses[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2016, 41(19): 7814-7825. http://www.onacademic.com/detail/journal_1000038695609210_29c3.html
    [18] Orhan M F. Conceptual design, analysis and optimization of nuclear-based hydrogen production via copper-chlorine thermochemical cycles[D]. Oshawa: University of Ontario Institute of Technology, 2011.
    [19] Acar C, Dincer I. Comparative assessment of hydrogen production methods from renewable and non-renewable sources[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2014, 39(1): 1-12.
    [20] de Olateju B, Kumar A, Secanell M. A techno-economic assessment of large scale wind-hydrogen production with energy storage in Western Canada[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2016, 41(21): 8755-8776. http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ShoppingCartURL&_method=add&_eid=1-s2.0-S0360319916300209&originContentFamily=serial&_origin=article&_ts=1467645261&md5=de4cfc250e4f0f8835e3f7dff70545d5
    [21] Alazemi J, Andrews J. Automotive hydrogen fuelling stations: an international review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015, 48: 483-499. http://smartsearch.nstl.gov.cn/paper_detail.html?id=81661e8a555f283ed4bc51b2b32fa0fb
    [22] International Energy Agency. The future of hydrogen: seizing today's opportunities[R]. Osaka: OECD/IEA, 2019.
    [23] 郜婕, 赵忠德, 李育天, 等. 2019年天然气产业链发展回顾及展望[J]. 石油规划设计, 2020, 31(4): 1-4, 54. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYGH202004001.htm

    Gao Jie, Zhao Zhongde, Li Yutian, et al. Review and prospect of natural gas industry chain development in 2019[J]. Petroleum Planning & Engineering, 2020, 31(4): 1-4, 54. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYGH202004001.htm
    [24] 彭苏萍, 张博, 王佟, 等. 煤炭资源与水资源[M]. 北京: 科学出版社, 2014.
    [25] 中国标准化研究院, 全国氢能标准化技术委员会. 中国氢能产业基础设施发展蓝皮书2018: 低碳低成本氢源的实现路径[M]. 北京: 中国质检出版社, 中国标准出版社, 2018.
    [26] Liszka M, Malik T, Manfrida G. Energy and exergy analysis of hydrogen-oriented coal gasification with CO2 capture[J]. Energy, 2012, 45(1): 142-150. http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ShoppingCartURL&_method=add&_eid=1-s2.0-S0360544212002575&originContentFamily=serial&_origin=article&_ts=1417076225&md5=706aa88687e5b1415aaf1605545d221a
    [27] Liu Zhu, Guan Dabo, Wei Wei, et al. Reduced carbon emission estimates from fossil fuel combustion and cement production in China[J]. Nature, 2015, 524(7565): 335-338.
    [28] 李国玉, 吕鸣岗. 中国含油气盆地图集[M]. 2版. 北京: 石油工业出版社, 2002.
    [29] 孙玉玲, 胡智慧, 秦阿宁, 等. 全球氢能产业发展战略与技术布局分析[J]. 世界科技研究与进展, 2020, 42(4): 455-465. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SJKF202004008.htm

    Sun Yuling, Hu Zhihui, Qin Aning, et al. Analysis of strategy and technology situation on global hydrogen industry[J]. World Sci-Tech R & D, 2020, 42(4): 455-465. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SJKF202004008.htm
  • 加载中
图(2) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  40
  • HTML全文浏览量:  22
  • PDF下载量:  12
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-24
  • 修回日期:  2021-05-13
  • 刊出日期:  2021-12-01

目录

    /

    返回文章
    返回