氫能於工業製程的應用

 

刊登日期:2022/3/5
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黃國棟 / 工研院材化所
 
隨著全球減碳的趨勢,氫氣被關注的項目已從化學原料轉到能源應用,特別是那些高耗能產業如鋼鐵、石化、交通與工業熱源供應等,國際間無不投入大量資源進行研究與開發。氫氣的可應用層面廣泛,目前氫氣主要用於煉油、生產化肥和鹽酸之用,少部分用於半導體、電子材料的製程。在能源上,氫氣的使用方式為經過燃燒或電化學所產生的能量,可用以供電、供熱使用,為氫氣經濟(Hydrogen Economy)的一環。隨著企業低碳轉型,過去幾乎完全沒有利用氫能的部門也開始逐漸採用,例如交通、建築和發電。
 
【內文精選】
前言
國際能源署(International Energy Agency; IEA)預估至2050年,全球二氧化碳淨零排放路徑中,接近零排放的氫能有可能為發電、工業和交通部門的減碳做出重大貢獻。氫能還可以作為住商和工業熱源,以及工業過程的原料。氫能的另一功能是當作能量載體,當電力供大於求時,氫可用於儲存由再生能源產生的多餘能量。在氫能的應用上,IEA統計2019年全球生產約120百萬噸氫氣;其中大約75百萬噸的純氫和45百萬噸的混氫(合成氣)。純氫中39百萬噸主要用於石油精煉、33百萬噸用於氨的生產;剩餘的45百萬噸氫氣,混合在合成氣中,主要用於甲醇生產(14百萬噸)、直接還原鐵礦和其他工業過程,包括作為工業熱源。
 
氫能在工業上的應用
今天全球的氫氣使用以工業製造應用為主。如圖一所示,其中四大主要用途包含氨生產(53%)、煉油(30%)、甲醇生產(8%)和通過鐵礦還原和玻璃工業(6%)。目前大多數工業應用的氫能,其商業規模生產幾乎完全來自天然氣、煤炭和石油,同時會產生大量的二氧化碳排放。因應碳排放造成全球溫室效應危機,國際間已經有許多減碳的經濟投資與技術布局,特別是透過低碳氫生產和供應來降低工業部門二氧化碳的排放。
 
圖一、全球氫氣在工業的應用
圖一、全球氫氣在工業的應用
 
我國氫能在工業製造的應用
因氫氣不易儲存與大量輸送,國內氫能在製造及應用與氫能來源有關。國內目前氫能來源主要包括:①獨立製氫;②鋼鐵/化學工業製程的副產氫。其中獨立製氫主要包括國內中油與台塑原油及輕油裂解,估算煉油石化業氫消耗量合計26.5萬噸/年,另有2.7萬噸/年的尾氣用於燃氣使用;國內石化業甲醇年需求量為160萬噸,其中長春及榮化為自製(透過天然氣重組合成氣(H2、CO))方式,共30萬噸,估計自產氫氣4.6萬噸。另根據主計處統計109年台灣氫生產量為3.86萬噸,除部分供石化業外,主要用在電子、半導體及光電業。
 
氫氣的生產技術
氫分子在大氣中含量稀少,大部分氫是透過工業製造而得。現有工業的製氫路線主要有三種:蒸汽甲烷重組(SMR)、煤炭或焦煤氣化和水電解。蒸汽甲烷重組是將天然氣中的甲烷用蒸汽(通常透過觸媒)加熱,以生產用於有機合成和作為燃料的一氧化碳和氫氣的混合物之過程,它是最廣泛使用的製氫工藝。
 
接下來在水煤氣變換反應(Water Gas Shift Reaction)中,一氧化碳和蒸汽使用催化劑進行反應,產生二氧化碳和更多的氫氣。SMR的最終工藝步驟—變壓吸附(PSA),將二氧化碳和其他雜質從氣流中去除,留下基本上純的氫氣。通常生產1 Nm3 H2需要0.46 Nm3 CH4,在生產成本上,依德國CALORIC 2016年銷售至國內的SMR+PSA製氫純化設備(三福代理),純氫(6N)產量4萬噸/年,設備投資約新台幣7.2億元,生產1噸氫的成本約新台幣6萬元(取決於天然氣價格)。
 
煤炭氣化技術種類很多,根據氣化爐內料流的型式,可分為固定床、流化床及氣流床三大類,其中,目前應用最多的是氣流床技術。由於煤氣化會產生大量碳排放,所以先進的煤氣化廠通常會搭配CCUS設施以提高物質使用效率及減少碳排,圖六為日本千代田(Chiyoda)先進煤氣化相關技術流程圖。利用製程物料的循環反應,可混合產生電力、合成氣、甲醇,透過製氨和製程碳捕捉,可生產尿素,是一個高效能的煤氣化工廠---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖六、日本千代田煤氣化製程流程圖
圖六、日本千代田煤氣化製程流程圖
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》423期,更多資料請見下方附檔。

 


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