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(北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

焦?fàn)t煤氣制氫與車載二甲醚重整制氫的能耗與CO2排放對比

徐征，宋凌珺

(北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

本文分別建立了焦?fàn)t煤氣制氫與車載二甲醚重整制氫生產(chǎn)及運(yùn)輸過程的模型，分析了兩個過程中的總能耗與CO2總排放情況。結(jié)果表明在中短途運(yùn)輸中，車載二甲醚重整制氫的總能耗與CO2總排放都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于焦?fàn)t煤氣制氫；焦?fàn)t煤氣制氫的三種運(yùn)輸方式的總能耗和CO2總排放在不同運(yùn)輸情況中各不相同，因此三種方式各有優(yōu)勢。利用這些對比結(jié)果，既能根據(jù)各種情況提供較為合適的制氫技術(shù)，又能降低其生命周期能耗、減少環(huán)境污染，具有重要意義。

焦?fàn)t煤氣；二甲醚；車載制氫；能耗；CO2排放

隨著汽車產(chǎn)業(yè)大規(guī)模地發(fā)展、人民生活水平越來越高，人們購買汽車的熱情逐年高漲，汽車保有量大量增加，截止2012年7月，全國汽車保有量已達(dá)1.14億輛[1]。同時，汽車尾氣的排放量進(jìn)一步增多，有害物質(zhì)對大氣的污染也日益嚴(yán)重。另外，交通運(yùn)輸行業(yè)是最依賴能源的部門，2012年中國車用燃油占燃油總消耗量的比例已到達(dá)55%[2]；況且與發(fā)達(dá)國家相比，我國的機(jī)動車油耗水平相對較高[3]，降低石油消耗水平刻不容緩。總之，環(huán)境污染與能源安全問題已經(jīng)越來越嚴(yán)重，開發(fā)污染小的新能源是當(dāng)務(wù)之急。

氫能具有熱值高、無污染、可再生等優(yōu)點(diǎn)[4]，70年代至今，隨著制氫技術(shù)的發(fā)展，氫燃料電池在發(fā)電、電動車和微型電池方面的應(yīng)用開發(fā)取得了許多成果[5]，開發(fā)低能耗、低排放的制氫方式是制氫技術(shù)的發(fā)展趨勢。車載二甲醚重整制氫技術(shù)首先是把燃料經(jīng)過處理器或重整器轉(zhuǎn)變成合成氣(CO和H2)，要求裝置體積小、質(zhì)量小、響應(yīng)快。雖然技術(shù)較復(fù)雜，但因本身節(jié)約了運(yùn)輸產(chǎn)生的費(fèi)用、能耗，減少了污染，車載二甲醚重整制氫在一定程度上有優(yōu)勢[6]。焦?fàn)t煤氣是煉焦的副產(chǎn)物，其中存有大量氫氣，氫氣含量占54%～59%[7]。焦?fàn)t煤氣制氫是一種具有我國特點(diǎn)的制氫方法[8]，目前用變壓吸附法從焦?fàn)t煤氣中提取氫氣的技術(shù)已十分成熟，氫氣純度99.95%以上，最高的能達(dá)到99.995%[7]。焦?fàn)t煤氣制氫技術(shù)較之其他制氫方法在技術(shù)成熟度上有著顯著的優(yōu)勢，但是在運(yùn)輸上有大量的能量消耗和排放，也有一定的缺點(diǎn)[9]。

本文列出了車載二甲醚重整制氫與焦?fàn)t煤氣制氫在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程各個環(huán)節(jié)能耗和CO2排放的清單，并對其進(jìn)行計算、分析、對比，這對于氫能在汽車上的應(yīng)用具有重要意義。

1 建立模型

1.1 參數(shù)定義

本文將焦?fàn)t煤氣制氫和車載二甲醚重整制氫清單模型分析參數(shù)分為能耗與CO2排放，不考慮其他污染物的排放，評價這兩個參數(shù)的功能單位分別是MJ/kg和kg/kg。

1.2 評價邊界

焦?fàn)t煤氣制氫的過程評價邊界包括從焦?fàn)t煤氣制氫開始到加注到汽車油箱為止的整個過程，分為三個主要階段，即氫的制取、氫的運(yùn)輸、氫的加注。

焦?fàn)t煤氣制氫過程的能耗包括制氫階段能耗、運(yùn)輸階段能耗、加氣站階段能耗三個部分。制氫階段能耗分為從焦?fàn)t煤氣提取氫氣的能耗和氫氣在中央廠壓縮或液化的能耗；運(yùn)輸階段能耗根據(jù)三種不同的氫運(yùn)輸方式分類討論，氣氫拖車和液氫拖車運(yùn)輸需計算卡車燃油能耗，氣氫管道由于進(jìn)口與出口存在壓差，只產(chǎn)生很少運(yùn)輸能耗，因此本文忽略不計[10]；加氣站的能耗指的是氫氣從運(yùn)輸車卸載到加氫站的儲氫罐的過程和從加氫站的儲氫罐加注到汽車油箱過程的能耗。焦?fàn)t煤氣制氫過程的CO2排放不僅包括氣氫拖車和液氫拖車的燃油燃燒產(chǎn)生的部分，也包括制氫和加氣站階段電力設(shè)備的排放部分(將電能看成由煤炭發(fā)電產(chǎn)生，煤炭發(fā)電過程有CO2排放)。

車載二甲醚重整制氫過程包括二甲醚的運(yùn)輸及重整二甲醚產(chǎn)生合成氣。本文采用實(shí)驗(yàn)室常溫常壓下二甲醚部分氧化重整制氫的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為計算依據(jù)[11]。實(shí)驗(yàn)中二甲醚部分氧化重整制氫的反應(yīng)物為二甲醚和空氣，生成物中主要是H2、CO、CO2、CH4和N2。

1.3 數(shù)據(jù)清單

1.3.1 焦?fàn)t煤氣制氫過程清單

制氫階段的清單如表1[12]、表2[9]所示。

表1 焦?fàn)t煤氣制氫能耗和物質(zhì)損耗[12]

表2 氫氣在中央廠壓縮和液化的能耗[9]

加注階段的清單如表3[10]所示。

表3 加注站耗能[10]

1.3.2 車載二甲醚重整制氫過程清單

車載二甲醚重整制氫階段的清單如表4所示，該數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)。

表4 車載制氫能耗狀況[11]

2 數(shù)據(jù)計算

本文計算過程中使用如下數(shù)據(jù)：

火力發(fā)電電能全生命周期CO2排放：1.02 kg/kW·h[13]，火力發(fā)電占全國發(fā)電量的78.6%[14]；

運(yùn)輸部分CO2排放： 1 kg柴油排放3.186 3 kg CO2；

柴油熱值為46.04 MJ/kg，密度為0.83 kg/L；卡車燃油(柴油)經(jīng)濟(jì)性: 6.3 L/100 t×km[15]；

車載二甲醚制氫條件下H2密度：0.083 g/L；

車載二甲醚制氫條件下二甲醚密度：0.661 kg/L。

2.1 主要計算公式

設(shè)運(yùn)輸距離為L(km)，計算制取單位質(zhì)量H2的能耗與CO2排放。

2.1.1 焦?fàn)t煤氣制氫過程能耗計算公式

(1)氣氫拖車

氣氫拖車總能耗=提取氫氣及壓縮氫氣的能耗+氣氫拖車燃油的能耗+氣氫拖車到加注站以及加注到油箱的能耗=2.407×10-3L+7.86

(2)液氫拖車

液氫拖車總能耗=提取氫氣及液化氫氣的能耗+液氫拖車燃油的能耗+液氫拖車到加注站及加注到油箱的能耗=2.407×10-3L+43.50

(3)氣氫管道

氣氫管道總能耗=提取氫氣及壓縮氫氣的能耗+氣氫管道到加注站及加注到油箱的能耗=10.74

2.1.2 車載二甲醚重整制氫過程耗能計算公式如下：

車載二甲醚重整制氫總能耗=車載二甲醚重整制氫反應(yīng)的能耗+二甲醚運(yùn)輸?shù)哪芎?9.23×10-3L+2.6643×10-6

2.1.3 焦?fàn)t煤氣制氫過程CO2排放計算公式

(1)氣氫拖車

氣氫拖車CO2總排放=提取氫氣及壓縮氫氣的CO2排放+氣氫拖車燃油的CO2排放+氣氫拖車到加注站及加注到油箱的CO2排放=1.666×10-4L+1.751

(2)液氫拖車

液氫拖車CO2總排放=提取氫氣及液化氫氣的CO2排放+液氫拖車燃油的CO2排放+液氫拖車到加注站及加注到油箱的CO2排放=1.666×10-4L+9.687

(3)氣氫管道

氣氫管道CO2總排放=提取氫氣及壓縮氫氣的CO2排放+氣氫管道到加注站及加注到油箱的CO2排放=2.392

2.1.4 車載二甲醚重整制氫CO2排放計算公式

車載二甲醚重整制氫CO2總排放=二甲醚運(yùn)輸過程CO2排放+電能CO2排放+二甲醚重整制氫反應(yīng)的CO2排放=6.39×10-4L+0.623

2.2 計算結(jié)果與分析

焦?fàn)t煤氣制氫與車載二甲醚重整制氫過程能耗與CO2排放對比如圖1、圖2所示。

圖1 焦?fàn)t煤氣制氫與車載二甲醚制氫總能耗對比

由圖1可以看出，在中短途運(yùn)輸中，焦?fàn)t煤氣制氫的三種運(yùn)輸方式總能耗都比車載二甲醚重整制氫多，其中液氫拖車運(yùn)輸總耗能最大；在長途運(yùn)輸中，車載二甲醚重整制氫總耗能上升較快，超過氣氫拖車、氣氫管道兩大運(yùn)輸方式，但離液氫拖車運(yùn)輸仍有很大距離。

圖2 焦?fàn)t煤氣制氫與車載二甲醚重整制氫過程CO2排放對比

由圖2可以看出，在中短長途運(yùn)輸中，車載二甲醚重整制氫CO2總排放都比焦?fàn)t煤氣制氫三種運(yùn)輸方式的CO2總排放少；在超長途運(yùn)輸中，車載二甲醚重整制氫的CO2總排放才超過氣氫拖車、氣氫管道兩大運(yùn)輸方式，但實(shí)際中運(yùn)輸多為中短途運(yùn)輸，而超長途運(yùn)輸?shù)那闆r在實(shí)際中基本不存在。

由圖1和圖2可以看出，焦?fàn)t煤氣制氫液氫拖車的總能耗和CO2總排放均高于氣氫拖車和氣氫管道，但每輛液氫拖車所能儲存的H2含量比氣氫拖車多得多，因此兩者各有優(yōu)勢。在三種焦?fàn)t煤氣制氫運(yùn)輸方式中，當(dāng)距離大于1 197 km時，氣氫管道的總耗能比氣氫拖車的總耗能少，而當(dāng)距離大于3 848 km時，氣氫管道的CO2總排放比氣氫拖車的CO2總排放少?？梢姎鈿涔艿肋m合長途氫運(yùn)輸，但管道建設(shè)技術(shù)和成本要求較高，前期準(zhǔn)備久，因此氣氫管道與車運(yùn)各有優(yōu)勢。

3 結(jié)論

本文建立了計算焦?fàn)t煤氣制氫與車載二甲醚重整制氫過程的能耗與CO2排放的模型，計算結(jié)果表明，焦?fàn)t煤氣制氫與車載二甲醚重整制氫各具優(yōu)勢。焦?fàn)t煤氣制氫技術(shù)簡單，使用已經(jīng)普及；車載二甲醚重整制氫技術(shù)較復(fù)雜，使用范圍還很小，但在中短途運(yùn)輸中能耗和CO2排放較少，若能普及必定有很大的優(yōu)勢。焦?fàn)t煤氣制氫的三種運(yùn)輸方式各有特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析，選擇最優(yōu)運(yùn)輸方案。

影響制氫過程能耗與CO2排放的其他因素還很多，如運(yùn)輸階段中交通條件的影響等，本文只做估算對比，因此這些因素的不確定性對清單結(jié)果的影響需要進(jìn)一步研究。

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[2]太平洋汽車網(wǎng).中國車用燃油消耗量占總消耗的比例近55%[EB/OL].(2012-7-30)http://www.pcauto.com.cn/news/hyxw/1207/2053483.html.

[3]網(wǎng)易汽車.我國油耗標(biāo)準(zhǔn)與國際水平差距明顯[EB/OL].(2010-12-01)http://auto.163.com/10/1201/15/6MR12N7U00084KQ2.html.

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ComparisonofCO2EmissionandEnergyConsumptionofHydrogenProductionfromCokeOvenGasandDimethylEtheronboardReformingProcess

XU Zheng，SONG Ling-jun

(School of Transportation Science and Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)

The models of process of transportation and hydrogen production from coke oven gas and dimethyl ether(DME) onboard reforming were built respectively. The energy consumption and CO2emission were analyzed. The result showed in the medium and short transportation distance, the energy consumption and CO2emission of hydrogen production from DME were much less than hydrogen production from coke oven gas. Moreover, energy consumptions and CO2emissions were different with three kinds of transportation ways of hydrogen production from coke oven gas because of variety of situations. So each of them had its own advantages. The result will be helpful for choosing a more appropriate hydrogen production technique, and reducing energy consumptions and emissions in life cycle.

coke oven gas; dimethyl ether; hydrogen production onboard; energy consumption; CO2emission

2013-08-19修訂稿日期2013-11-01

國家自然科學(xué)基金(21106002)；面向中美清潔能源合作的電動汽車前沿技術(shù)研究(2010DFA7 2760)

徐征(1991～),男，本科在讀。

TQ522.61

A

1002-6339 (2014) 01-0038-04