焦化企业电解制氢工艺建模与可再生能源耦合的减排路径研究

本研究针对焦化行业温室气体减排需求，创新性地提出光伏驱动电解制氢与焦炉煤气混燃的低碳解决方案。通过MATLAB-Simscape构建电解制氢模型，模拟两处光伏电站（年产能4382/4992 MWh）供电场景，证实年产18万公斤绿氢潜力。该研究为焦化企业实现CO2 减排52-81%提供技术路径，对重工业低碳转型具有示范意义。

　　

在全球气候变暖与碳中和目标的双重压力下，传统高耗能产业正面临前所未有的转型挑战。作为钢铁工业重要支柱的焦化行业，其生产过程中产生的焦炉煤气(COG)富含50-60%氢气和25-30%甲烷，但当前主要作为燃料直接燃烧，导致大量CO₂
排放。尽管已有研究探索从COG中提取氢气的技术（如深冷分离、膜分离和压力摆动吸附PSA），但这些方法或能耗过高（如PSA技术能耗达4.5-6 kWh/Nm³
），或纯度不足（膜分离氢纯度仅90-99.9%）。更关键的是，全球焦煤消费量在2022年已达10.4亿吨，中国作为最大生产国贡献超60%产量，行业减排压力与日俱增。

针对这一困局，波兰雅斯琴布焦化公司(JSW KOKS S.A.)的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表创新研究。他们另辟蹊径，提出利用厂区闲置土地建设光伏电站（4.665 MWp和4.08 MWp），通过电解水制取"绿氢"与COG混燃的减排路径。研究团队自主开发MATLAB-Simscape电解槽模型，集成20个关键参数（如电流密度i、膜水合度λ等），模拟PEM电解槽在变功率条件下的响应特性。通过分析光伏系统P50-P90概率下的发电量波动（4382-4992 MWh/年），结合电解效率（50 kWh/kgH₂
）与压缩能耗（10-15%）的耦合影响，首次量化评估了焦化企业可再生能源制氢的可行性边界。

关键技术方法包括：1) 基于光伏电站实际选址的发电量模拟（考虑波兰气候特征与工业粉尘影响）；2) PEM电解槽多参数动态建模（涵盖温度T、压力p_a
/p_k
等变量）；3) 氢产量与能量输入的关联分析；4) 季节性产能波动评估（冬季产量仅占全年8.5%）。

研究结果揭示：

1. 电解工艺建模
   通过电流密度优化（0.2-2 A/cm²
   ）和膜参数调控，模型显示驱动功率与氢摩尔通量呈非线性关系。在333K、100kPa工况下，每平方米膜面积可获得0.5-5 mol/s的氢流量，验证了PEM电解槽对波动性光伏电源的适应性。

2. 产能潜力分析
   理想状态下，两处光伏电站年发电量9374 MWh可产氢187吨，但实际考虑压缩损耗和运行中断后，P50概率下的年产量降至约170吨。值得注意的是，6月单月产量（16吨）相当于冬季三个月总和，凸显季节性供需矛盾。

3. 减排效益评估
   相比传统COG直接燃烧，混入20%绿氢可使燃烧过程的CO₂
   排放降低52%（基于H/C比提升效应）。若采用全年氢产量替代部分化石燃料，相当于减少约5000吨CO₂
   排放。

讨论部分指出，该方案的经济性仍受制于绿氢生产成本（2.5-9美元/kg）与光伏系统衰减率（年衰减0.5%）。但作者强调，随着欧盟碳边境税(CBAM)实施，该技术路径的边际效益将显著提升。研究创新点在于将焦化企业的"固碳痛点"转化为"氢能机遇"，通过工业用地复用实现能源-环境协同效益。

这项研究为高碳行业提供可复制的转型模板：一方面利用厂区空间资源实现能源自给，另一方面通过氢能载体打通减排通道。尽管存在季节性能量供需失衡问题，但作者建议通过跨期电力调配或氢储能系统予以缓解。该成果不仅为焦化行业指明技术转型方向，更启示重工业企业如何将环境约束转化为创新动能，对全球工业脱碳具有标杆意义。