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四川大学科研团队研制出国内首套零排放天然气制氢设备

时间:2021-3-24 来源:成都日报

氢能是被公认的清洁能源,被誉为21世纪最具发展前景的二次能源。

在中国,采用天然气制氢占比48%、煤气化制氢占比30%、电解制氢占比4%。逐步减少化石能源比例是实现2030年二氧化碳碳达峰和2060年碳中和目标的必由之路。

据统计,全球99%的氢气源于化石燃料,现有的制氢工艺产生的二氧化碳占全球二氧化碳总排放量的2.8%。

在中国,采用天然气制氢占比48%、煤气化制氢占比30%、电解制氢占比4%。四川省作为天然气资源大省,占全国总产量的25%,发展氢能产业具有巨大的市场前景。

当前,成都市氢能已形成“制备—存储—运输—加注—应用”完整产业链条,集聚知名企业和科研机构60余家,产业规模超过100亿元。但制氢、储氢、运氢等方面都面临着成本过高问题。

优化制氢产业链关键环节、突破技术领域瓶颈难点、率先算好氢能产业链的“经济账”和“生态账”,与自然互惠双赢。近日,记者从四川大学原子核科学技术研究所了解到,国内首套零排放的液态金属天然气制氢设备已研制成功,该设备以液态金属为媒介,助力甲烷裂解,实现零排放、低成本、高效制氢。


天然气转化率高达90% 制氢过程实现二氧化碳零排放

“要改变中国未来30年的能源结构,氢能经济是关键。”在今年3月举行的中国发展高层论坛上,麦肯锡公司董事长、全球总裁施南德在会上这样说。

应对气候变化,发展绿色能源,将决定全球下一轮经济能否实现高质量和可持续的发展。减少碳排放、发展清洁能源是未来发展的必经之路,氢能作为清洁、高效、可存储的二次能源,是推动传统化石能源清洁高效利用的理想能源。

现阶段,国内主要采用的制氢方式是化石能源重整制氢和水电解制氢,然而化石能源重整制氢会排放大量二氧化碳,而水电解制氢则成本太高。鱼和熊掌如何兼得?

四川大学芶富均教授带领的液态金属团队在国内首次研发出液态金属热裂解装置,以液态金属为媒介,助力甲烷裂解,实现零排放、低成本、高效制氢。

“利用液态金属产生稳态热解温度场,结合液态金属本身的催化特性,诱导甲烷分子裂解形成氢气和固态碳。”芶富均教授说,由于氢气和固态碳密度远低于液态金属,裂解后的固态碳漂浮在其表面,如同油脂浮在水面,能轻易实现碳、氢气和液态金属分离,使制氢反应持续进行。


“液态金属热裂解技术的实现,是通过液态金属甲烷制氢设备完成的。”芶富均教授指向身后的设备,这个三米高的“方盒子”头接氢气输出管,尾接甲烷输入管,而液态金属就在“方盒子”内里燃烧形成高温环境。“甲烷从尾端输入,经过‘方盒子’裂解,氢气就从顶部输出了。”芶富均教授说,液态金属热裂解技术使甲烷转化率能达到90%以上,只产生单一的氢气,完全不含二氧化碳。


一旦运行,便不轻易停止。“方盒子”的运行原理与电饭煲类似,当温度进入恒定后,耗能速度减缓。为减少锡液态金属从固态到液态过程的能耗,设备启动后,便一直处于运行状态。

芶富均教授还表示,虽然目前液态金属原料一次性投入成本较高,但整个制备过程中无损耗,总体成本仍远远低于电解水制氢;此外研究团队正积极探索太阳能、风能等新能源在制备过程中的应用。

算好“经济账”“生态账”增加制氢附加值

液态金属天然气制氢过程中,如何保障转化效能最大化的同时降低制氢成本?

“现在广泛运用的制氢方式有三种,其中电解水制氢最贵。”芶富均教授说,天然气水蒸汽重整制氢,1公斤氢气耗电约11度,而电解水制氢要耗电约48度;虽然化石能源重整制氢耗能小,但同时会排放约10公斤二氧化碳。

算好“经济账”,才能让氢能利用效益达到最大。目前,液态金属天然气制氢设备产生1公斤氢气耗电约16度,如果将产生的高温氢气和固态石墨的余热再循环利用,电力成本将与传统制氢成本持平。此外,该设备在固态碳和氢气分离、固态碳与液态金属分离、副产品碳黑附加值、温室气体排放等方面优势明显,液态金属综合制氢成本将低于传统工艺。

在生产附加值方面,“在缺氧、高温环境下,产生高纯度的固态碳。如果进一步优化工艺,直接产生碳纳米管、碳纤维等形态的纳米先进材料,提高副产物价值,可以极大降低制氢成本。”芶富均教授表示,团队将持续研究精细化制氢末端工艺,“一步到位”固体碳生成状态。

在减少废气处理方面,根据《成都市加氢站建设运营管理办法(试行)》增设加氢站,通过分布式布局液态金属天然气制氢点位,取代传统制氢手段,消解传统制氢过程中生产二氧化碳干冰的步骤。

算好“经济账”的同时,“生态账”也不容忽视。推广氢能是实现2030年二氧化碳碳达峰和2060年碳中和目标的必由之路。如何让甲烷转化达到碳达峰、碳中和要求?

“液态金属天然气制成的氢气,是‘绿氢’中的‘纯绿氢’。”芶富均教授介绍,这种“纯绿氢”比一般意义上的绿氢更环保,由于它在产生过程中对资源消耗少,且全程“零排放”,对环境无污染。

清洁能源“超速度”发展 氢能产业从全国“并跑”到“领跑”

自2019年正式启动“绿色氢都”以来,成都市围绕氢能产业招大引强、集群培育、技术创新、基础设施保障、产业生态营造等,不断完善顶层设计、加大扶持力度、破除发展制约,制定实施细则等支持政策,成都发展为全国氢能第四城,实现氢能产业从全国“并跑”到“领跑”的质变。

四川大学这支研究出国内首套零排放的液态金属天然气制氢设备队伍很年轻。奔波在科研一线的十余名成员平均年龄只有40余岁。从2013年至今,成员们便一直致力于实验中“驯服”液态金属和天然气裂解,为完善氢能产业制备链注入新动能。

“目前,四川省天然气及页岩气资源储量十分丰富,这是发展氢气能源的良机。”芶富均教授说,发展低成本、无二氧化碳排放、高效的天然气绿色氢能技术,有利于改善四川省能源结构,促进天然气就地绿色转换。


就成都而言,能在哪些方面挖掘氢能潜力?芶富均教授与团队成员们也有所预设,他们对氢能“超速度”发展充满期待。

传统的绿色出行方式是指公共交通、自行车出行,在芶富均教授看来,氢燃料电池的出现会重新界定绿色出行的方式,“相较于锂电池续航时间短、充电时间长来说,氢燃料电池使用更方便。”

燃料电池汽车示范应用已初具规模。截至2020年底,成都市推广燃料电池汽车220辆,累计安全运营超730万公里、单车最高运行里程超13万公里,是全国第四个实现百台以上规模燃料电池公交车商业运营的城市,也是西南地区首个开展燃料电池物流车示范的城市。

“无论哪种使用方式,都需要注意安全问题。”芶富均教授提到,氢气具有扩散系数大,爆炸极限宽,点火温度低等特点,一旦发生泄漏,极易引起爆炸与火灾。“工业生产环境复杂,攻关工业化使用关键节点技术是保障氢气安全的重要前提。”

据介绍,在保障安全的前提下,这套制氢设备可以在全国各地投入使用,对制氢环境和当地资源储备情况并无硬性要求。发展氢工业,是优化能源结构、力争实现“氢能中国”、实现国家“能源自主”、推动能源消费和供给革命的现实选择。