化石原料制氫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與經(jīng)濟(jì)性分析 黃格省，李錦山，魏壽祥，楊延翔，周笑洋

    近年來(lái)，隨著世界各國(guó)環(huán)保法規(guī)的日趨嚴(yán)格和 對(duì)清潔、可再生能源的日益重視，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè) 正在快速發(fā)展，尤其是氫燃料電池汽車(chē)，由于其以 氫氣為動(dòng)力燃料，具有能量密度高、能量轉(zhuǎn)換效率 高、車(chē)輛行駛里程長(zhǎng)且無(wú)CO2和污染物排放等諸多 優(yōu)勢(shì)，被公認(rèn)為比電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展前景更好的一種新 能源汽車(chē)形式。目前，從制氫、儲(chǔ)氫輸氫、燃料電 池開(kāi)發(fā)、整車(chē)開(kāi)發(fā)、加氫站建設(shè)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展 進(jìn)程來(lái)看，氫能發(fā)展總體上已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化的導(dǎo)入 期。氫氣是一種清潔的二次能源，在氫燃料電池汽 車(chē)的發(fā)展中，氫氣來(lái)源是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的首要問(wèn)題，因 此制氫技術(shù)備受行業(yè)關(guān)注。目前業(yè)內(nèi)研究提出的制 氫方式很多，包括采用化石資源（煤、石油、天然 氣）和可再生資源（水、生物質(zhì)、太陽(yáng)能等）生產(chǎn) 氫氣，但在工業(yè)上能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；?、具有經(jīng)濟(jì)性、 占據(jù)主導(dǎo)地位的制氫原料仍是煤和天然氣等化石原 料，如何利用我國(guó)現(xiàn)有的化石資源稟賦條件，研究 開(kāi)發(fā)工業(yè)上切實(shí)可行的制氫工藝技術(shù)，為氫燃料電 池汽車(chē)發(fā)展提供充足動(dòng)力燃料來(lái)源，具有十分重要 的現(xiàn)實(shí)意義。。

1 化石原料制氫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

    工業(yè)制氫生產(chǎn)技術(shù)有煤氣化法、甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化 法、重油部分氧化法、甲醇蒸汽轉(zhuǎn)化法、水電解 法、副產(chǎn)含氫氣體回收法以及生物質(zhì)氣化制氫等。 目前，大規(guī)模制氫仍以煤和天然氣為主，全球氫氣 生產(chǎn)92%采用煤和天然氣，約7%來(lái)自于工業(yè)副產(chǎn)物，只有 1% 來(lái)自于電解水。近年來(lái)由于煤制氫、 天然氣制氫技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，基于石油替代及經(jīng) 濟(jì)性方面的原因，重油 （常、減壓渣油及燃料油 等）部分氧化制氫技術(shù)在工業(yè)上已經(jīng)很少采用。各 種制氫工藝采用原料、技術(shù)成熟度、工業(yè)應(yīng)用情況 詳見(jiàn)表1。

1.1 煤制氫

    煤氣化制氫是工業(yè)大規(guī)模制氫的首選方式之 一，其具體工藝過(guò)程是煤炭經(jīng)過(guò)高溫氣化生成合成 氣 （H2+CO）、CO 與水蒸氣經(jīng)變換轉(zhuǎn)變?yōu)?H2+CO2、 脫除酸性氣體 （CO2+SO2 ）、氫氣提純等工藝環(huán)節(jié)， 可以得到不同純度的氫氣。典型煤制氫工藝流程見(jiàn) 圖1。傳統(tǒng)煤氣化制氫工藝具有技術(shù)成熟、原料成 本低、裝置規(guī)模大等特點(diǎn)，但其設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn) 轉(zhuǎn)周期相對(duì)短、配套裝置多、裝置投資成本大，而 且氣體分離成本高、產(chǎn)氫效率偏低、CO2排放量 大。與煤氣化工藝一樣，煉廠生產(chǎn)的石油焦也能作 為氣化制氫的原料，這是石油焦高附加值利用的重 要途徑之一。煤/石油焦制氫工藝還能與煤整體氣 化聯(lián)合循環(huán)工藝 （IGCC） 有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)氫氣、 蒸汽、發(fā)電一體化生產(chǎn)，提升煉廠效益。

    煤氣化制氫技術(shù)已有一百余年發(fā)展歷史，可分 為三代技術(shù)：第一代技術(shù)是德國(guó)在 20 世紀(jì) 20~30 年代開(kāi)發(fā)的常壓煤氣化工藝，典型工藝包括碎煤加 壓氣化Lurgi爐的固定床工藝、常壓Winkler爐的流 化床和常壓KT爐的氣流床等，這些工藝都以氧氣 為氣化劑，實(shí)行連續(xù)操作，氣化強(qiáng)度和冷煤氣效率得到極大提高。第二代技術(shù)是20世紀(jì)70年代由德 國(guó)、美國(guó)等國(guó)家在第一代技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的加壓 氣化工藝，典型工藝包括Shell、Texaco、BGL、HTW、 KRW氣化工藝等。我國(guó)煤氣化制氫工藝主要用于 合成氨的生產(chǎn)，多年來(lái)開(kāi)發(fā)了一批具有自主知識(shí)產(chǎn) 權(quán)的先進(jìn)煤氣化技術(shù)，如多噴嘴水煤漿氣化技術(shù)、 航天爐技術(shù)、清華爐技術(shù)等。第三代技術(shù)主要有煤 催化氣化、煤等離子體氣化、煤太陽(yáng)能氣化和煤核 能余熱氣化等，目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段^[1]。

    近年來(lái)，隨著我國(guó)成品油質(zhì)量升級(jí)步伐加快， 國(guó)內(nèi)新建煉油廠大多選擇了全加氫工藝路線，以滿 足輕質(zhì)油收率、產(chǎn)品質(zhì)量、綜合商品率等關(guān)鍵技術(shù) 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要求，極大促進(jìn)了煉油行業(yè)對(duì)氫氣的需求 和制氫技術(shù)的發(fā)展。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)在建/ 擬建的15個(gè)煉化一體化項(xiàng)目中，已確定采用煤制 氫 （包括石油焦） 的項(xiàng)目有11個(gè)，其中包括恒力 石化公司2000萬(wàn)噸/年、浙江石化公司4000萬(wàn)噸/年、 盛宏石化公司2600萬(wàn)噸/年、中國(guó)石油天然氣集團(tuán) 公司廣東石化公司2000萬(wàn)噸/年等新建煉油項(xiàng)目以 及 中 國(guó) 海 洋 石 油 總 公 司 惠 州 煉 化 公 司 2200 萬(wàn) 噸/年、中國(guó)石化集團(tuán)公司燕山石化公司 1200 萬(wàn) 噸/年、洛陽(yáng)石化公司1800萬(wàn)噸/年等均采用煤制氫 工藝生產(chǎn)氫氣。而采用天然氣制氫的只有中國(guó)石油 天然氣集團(tuán)公司云南石化公司 1300 萬(wàn)噸/年煉油 項(xiàng)目。

1.2 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫

    天然氣制氫是北美、中東等地區(qū)普遍采用的制 氫路線。工業(yè)上由天然氣制氫的技術(shù)主要有蒸汽轉(zhuǎn) 化法、部分氧化法以及天然氣催化裂解制氫。

1.2.1 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫

    . 蒸汽轉(zhuǎn)化法是在催化劑存在及高溫條件下，使 甲烷等烴類與水蒸氣發(fā)生重整反應(yīng)，生成H2、CO 等混合氣體，該反應(yīng)是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，需要外界供熱 （天然氣燃燒），其主反應(yīng)如式(1)。

CH4 + H2O????CO + 3H2 ΔH298 = 206kJ/mol (1)

    天然氣水蒸氣重整制氫技術(shù)成熟，廣泛應(yīng)用于 生產(chǎn)合成氣、純氫和合成氨原料氣的生產(chǎn)，是工業(yè) 上最常用的制氫方法。天然氣蒸汽重整反應(yīng)要求在 750～920℃高溫下進(jìn)行，反應(yīng)壓力2～3MPa，催化 劑通常采用Ni/Al2O3。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的水蒸氣和 甲烷的摩爾比一般為 3～5，生成的 H2/CO 比約為 3，甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化制得的合成氣進(jìn)入水氣變換反應(yīng) 器，經(jīng)過(guò)高低溫變換反應(yīng)將CO 轉(zhuǎn)化為CO2和額外 的氫氣，以提高氫氣產(chǎn)率?；竟に嚵鞒虉D如圖2所示。

早期的甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化過(guò)程是在常壓下進(jìn)行，但 通過(guò)提高反應(yīng)壓力，可以提高熱效率和設(shè)備生產(chǎn)能 力。甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化制得原料氣，經(jīng)過(guò)變換反應(yīng)，將 CO 轉(zhuǎn)化成 CO2和氫氣，為了防止甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化過(guò) 程析炭，反應(yīng)進(jìn)料中常加入過(guò)量的水蒸氣，工業(yè)中 水碳比為 3～5。全球甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化法主要工藝技 術(shù)提供方有法國(guó)的德希尼布公司 （Technip）、林德 公司 （Linde） 和伍德公司 （Uhde） 以及英國(guó)的福 斯特惠勒公司（Foster Wheeler）等^[2] 。

1.2.2 甲烷部分氧化法制氫

部分氧化法是由甲烷等烴類與氧氣進(jìn)行不完全 氧化生成合成氣，見(jiàn)式(2)。

    該過(guò)程可自熱進(jìn)行，無(wú)需外界供熱，熱效率較 高。但若用傳統(tǒng)的空氣液化分離法制取氧氣，則能 耗太高，近年來(lái)國(guó)外開(kāi)發(fā)出用富氧空氣代替純氧的 工藝，其工藝流程見(jiàn)圖3。

    如圖3所示，天然氣經(jīng)過(guò)壓縮、脫硫后，先與 蒸汽混合預(yù)熱到約500℃，再與氧或富氧空氣 （也 預(yù)熱到約500℃） 分兩股氣流分別從反應(yīng)器頂部進(jìn) 入反應(yīng)器進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，反應(yīng)器下部出轉(zhuǎn)化 氣，溫度為 900～1000℃，氫含量 50%～60%。該 工藝是利用反應(yīng)器內(nèi)熱進(jìn)行烴類蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)，因 而能廣泛地選擇烴類原料并允許較多雜質(zhì)存在（重 油及渣油的轉(zhuǎn)化大都采用部分氧化法），但需要配 置空分裝置或變壓吸附制氧裝置，投資高于天然氣 蒸汽轉(zhuǎn)化法[3] 。天然氣部分氧化制氫的反應(yīng)器采用 的是高溫?zé)o機(jī)陶瓷透氧膜，可在高溫下從空氣中分離出純氧，避免氮?dú)膺M(jìn)入合成氣，這與傳統(tǒng)的蒸汽 重整制氫相比，工藝能耗顯著降低，可在一定程度 上降低投資成本。

1.2.3 天然氣催化裂解制氫

    天然氣催化裂解制氫是以天然氣為原料，經(jīng)對(duì) 天然氣進(jìn)行脫水、脫硫、預(yù)熱后從底部進(jìn)入移動(dòng)床 反應(yīng)器，與從反應(yīng)器頂部下行的鎳基催化劑逆流接 觸，天然氣在催化劑表面發(fā)生催化裂解反應(yīng)生成氫 氣和碳，由于反應(yīng)是吸熱過(guò)程，除原料預(yù)熱外，還 需要在移動(dòng)床反應(yīng)器外側(cè)加熱補(bǔ)充熱量，反應(yīng)器頂 部出口的氫氣和甲烷混合氣經(jīng)旋風(fēng)分離器分離碳和 催化劑粉塵后回收熱量，然后去變壓吸附 （PSA） 分離提純，得到產(chǎn)品氫氣。未反應(yīng)的甲烷、乙烷等 部分產(chǎn)物作為燃料循環(huán)使用。反應(yīng)得到的另一主產(chǎn) 物碳隨著催化劑從底部流出反應(yīng)器，經(jīng)換熱后進(jìn)入 氣固分離器分離殘余甲烷、氫氣，然后進(jìn)入機(jī)械振 動(dòng)篩將催化劑和碳分離，催化劑再生后循環(huán)使用， 分離出的碳可用于制備碳納米纖維等高附加值 產(chǎn)品。

天然氣催化裂解制氫反應(yīng)過(guò)程從反應(yīng)原理上看 不產(chǎn)生任何CO2，在生產(chǎn)氫氣的同時(shí)，主產(chǎn)物碳可 加工為高端化碳材料，該工藝與煤制氫和天然氣蒸 汽轉(zhuǎn)化法制氫相比，其制氫成本和CO2排放量均大 大降低，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，市場(chǎng)前 景好，目前該工藝仍在研究開(kāi)發(fā)階段。

1.3 甲醇制氫

    工業(yè)上通常使用CO和氫氣經(jīng)過(guò)羰基化反應(yīng)生 產(chǎn)甲醇，甲醇制氫技術(shù)則是合成甲醇的逆過(guò)程，可 用于現(xiàn)場(chǎng)制氫，解決目前高壓和液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)存在 的儲(chǔ)氫密度低、壓縮功耗高、輸運(yùn)成本高、安全性 差等弊端。按工藝技術(shù)區(qū)分，甲醇制氫技術(shù)包括甲 醇裂解制氫、甲醇蒸汽重整制氫和甲醇部分氧化制 氫3種^[4]。

（1）甲醇裂解制氫 甲醇裂解是在300℃左右、 催化劑存在下甲醇?xì)庀啻呋呀?，通常用于合成?制備，或通過(guò)進(jìn)一步分離獲得高純CO和氫氣，氫 氣純度可達(dá)99.999%。該技術(shù)成熟，適用于科研實(shí) 驗(yàn)小規(guī)模制氫場(chǎng)合使用。

（2） 甲醇水蒸氣重整制氫 在 220～280℃、 0.8～2.5MPa、催化劑存在下，甲醇和水轉(zhuǎn)化為約 75% 氫氣、24%CO2以及極少量的 CO、CH4，可將 甲醇和水中的氫全部轉(zhuǎn)化為氫氣，甲醇消耗0.5～ 0.65kg/m3 氫氣，甲醇儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 18.75%。 其流程示意見(jiàn)圖4。該技術(shù)的使用條件溫和，產(chǎn)物成分少，易分離，制氫規(guī)模在10～10000m3 /h內(nèi)均 能實(shí)現(xiàn)，且產(chǎn)能可靈活調(diào)整，適用于中小型氫氣用 戶現(xiàn)制現(xiàn)用。缺點(diǎn)是采用Cu/Zn/Al催化劑，催化劑 易失活，需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)活性高、穩(wěn)定性好的新型 催化劑。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成甲醇蒸汽重整制氫工業(yè) 裝置。2018 年 7 月，山東壽光魯清石化有限公司 60000m3 /h甲醇制氫裝置投產(chǎn)，是國(guó)內(nèi)最大規(guī)模的 甲醇制氫裝置，采用華西化工科技有限公司先進(jìn)的 甲醇制氫技術(shù)、PSA技術(shù)、催化劑等，由安徽華東 化工醫(yī)藥工程有限公司承擔(dān)詳細(xì)設(shè)計(jì)。2019 年 1 月，上海博氫新能源科技有限公司年產(chǎn)20萬(wàn)臺(tái)套 的甲醇?xì)淙剂想姵厣a(chǎn)基地項(xiàng)目在浙江寧波慈溪舉 行項(xiàng)目奠基儀式。該項(xiàng)目總投資約30億元，將分 期建設(shè)，其中項(xiàng)目一期年產(chǎn)能5萬(wàn)臺(tái)套，將于2019 年三季度投產(chǎn)，全部項(xiàng)目預(yù)計(jì)將于2020年建成投 產(chǎn)^[5] 。目前甲醇?xì)淙剂想姵仄?chē)已應(yīng)用于公交車(chē)、 物流車(chē)、大巴車(chē)、冷鏈物流車(chē)等交通領(lǐng)域^[6] 。

（3）甲醇部分氧化制氫 通過(guò)甲醇的部分氧化 （1分子甲醇和0.5分子的氧氣反應(yīng)生成2分子的氫 氣和1分子的CO2 ） 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自供熱，大幅提高能 源利用效率，以期進(jìn)一步降低制氫成本。該技術(shù)目 前仍在研究開(kāi)發(fā)階段。

1.4 工業(yè)副產(chǎn)氫

    工業(yè)副產(chǎn)氫是在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中氫氣作為副產(chǎn) 物，包括煉廠重整、丙烷脫氫、焦?fàn)t煤氣及氯堿化 工等生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的氫氣，其中只有煉廠催化重整 生產(chǎn)過(guò)程的氫氣用于煉油加氫精制和加氫裂化生產(chǎn) 裝置，其他工業(yè)過(guò)程副產(chǎn)的氫氣大部分被用作燃料 或放空處理，基本上都沒(méi)有被有效利用，這部分工 業(yè)副產(chǎn)氫對(duì)于氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有很大的 回收利用潛力。各種工業(yè)副產(chǎn)氫生產(chǎn)原理及利用情 況詳見(jiàn)表2^[7] 。

    從表2可以看出，我國(guó)工業(yè)副產(chǎn)氫氣資源潛力 大，每年產(chǎn)量約1048萬(wàn)噸，其中煉廠重整產(chǎn)氫量大（136萬(wàn)噸/年）但全部用來(lái)滿足煉油生產(chǎn)，丙烷 脫氫裝置產(chǎn)氫量少 （18萬(wàn)噸/年） 且資源分散，而 鋼鐵工業(yè)和煉焦行業(yè)的焦?fàn)t煤氣氫氣含量高、數(shù)量 大 （721萬(wàn)噸/年），焦?fàn)t煤氣與氯堿行業(yè)每年合計(jì) 副產(chǎn)氫氣 802 萬(wàn)噸，占全部副產(chǎn)氫總量的 76.5%。 若近期取副產(chǎn)氫氣 （802萬(wàn)噸/年） 的30%

    （240萬(wàn) 噸/年）、中期40% （320萬(wàn)噸/年）、遠(yuǎn)期50% （400 萬(wàn)噸/年） 用于加氫站，按照 1 輛燃料電池乘用車(chē) 年行駛里程20000km、消耗224kg氫氣計(jì)算，分別 可供應(yīng)1071萬(wàn)輛、1428萬(wàn)輛和1785萬(wàn)輛燃料電池 乘 用 車(chē) 。 按 1 輛 燃 料 電 池 客 車(chē) 年 行 駛 里 程 14400km、消耗882.32kg氫氣計(jì)算，可供應(yīng)氫燃料 電池客車(chē) 272 萬(wàn)輛、362 萬(wàn)輛和 453 萬(wàn)輛。如果將 副產(chǎn)氫氣的大部分用于加氫站為氫燃料電池汽車(chē)提 供燃料，可以支持我國(guó)氫能運(yùn)輸行業(yè)到2040年[8] 。

2  我國(guó)氫氣生產(chǎn)現(xiàn)狀與化石原料制氫 經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 我國(guó)氫氣生產(chǎn)現(xiàn)狀及制氫潛力分析

    2015 年，我國(guó)氫氣年產(chǎn)量為 1800 萬(wàn)噸，2018 年已增長(zhǎng)到1980萬(wàn)噸，居全球第一位。預(yù)計(jì)2019 年、2020年分別達(dá)到2050萬(wàn)噸、2100萬(wàn)噸，年均 增長(zhǎng)分別為3.5%、4.8%[9] ，見(jiàn)圖5。2016年我國(guó)氫 氣生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中，煤制氫占 62%，天然氣制氫占 19%，水電解制氫占 1%，煉廠干氣、焦?fàn)t煤氣、甲醇、弛放氣等其他原料制氫占18%[10] 。由于目前 制氫技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的限制，我國(guó)工業(yè)用氫氣中約97% 由煤和天然氣原料直接生產(chǎn)以及工業(yè)副產(chǎn)，而工業(yè) 副產(chǎn)氫氣上游原料也是煤、石油、天然氣三大化石 原料，水電解及其他方式制氫占比不到3%。

    根據(jù)我國(guó)煤田地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，全國(guó)煤炭資源累 計(jì)探明儲(chǔ)量為2.01萬(wàn)億噸，資源保有量為1.95萬(wàn)億 噸[11] ；如果將資源保有量的 1% 用于煤氣化制氫， 按照制氫煤耗8kg/kg氫氣計(jì)，我國(guó)煤制氫潛力約為 24.38 億噸[10] 。根據(jù)國(guó)土資源部 《全國(guó)油氣資源動(dòng) 態(tài)評(píng)價(jià)（2015）》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)天然氣（包 括常規(guī)和非常規(guī)天然氣）地質(zhì)資源量90.3萬(wàn)億立方 米，可采資源量為50.1萬(wàn)億立方米，假如將可采資 源量的1%用于天然氣蒸汽重整制氫，按照制氫天 然氣消耗量5m3 /kg氫氣計(jì)，我國(guó)天然氣制氫潛力約 為1億噸[10] 。2018年我國(guó)甲醇表觀消費(fèi)量為5460萬(wàn) 噸，如果將其中的1%用于甲醇重整制氫，按照制 氫甲醇消耗7.2kg甲醇/kg氫氣計(jì)，我國(guó)甲醇制氫潛 力約為7.58萬(wàn)噸/年?？傮w來(lái)看，我國(guó)煤炭、天然 氣（包括非常規(guī)天然氣）資源豐富，用以制氫其發(fā) 展?jié)摿薮?/p>

    氫氣既可作為化工原料和工業(yè)氣體，又可作為 能量載體，不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)氫氣的純度和雜質(zhì)含量 要求也不同。例如 GB/T 3634.1—2006 《氫氣 第 1 部 分 工 業(yè) 氫 》 對(duì) 氫 氣 的 純 度 要 求 為 ： 優(yōu) 等 品 ≥99.95%，一級(jí)品≥99.5%，合格品≥99%[12] 。 GB/T 3634.2—2011 《氫氣 第 2 部分 純氫、高純氫 和超純氫》 對(duì)氫氣的純度要求為：純氫≥99.99%， 高純氫≥99.999%，超純氫≥99.9999%[13] 。工業(yè)氫不 能直接用作燃料電池氫能，必須進(jìn)行分離、純化， 以進(jìn)一步脫除其中的雜質(zhì)、提高純度。2019年7月 1日我國(guó)正式實(shí)施GB/T 37244—2018《質(zhì)子交換膜 燃料電池汽車(chē)燃料氫氣》 標(biāo)準(zhǔn)[14] ，要求氫氣純度 （摩爾分?jǐn)?shù)） 達(dá)到 99.97%，但對(duì)總硫、甲醛、甲 酸、氨氣、鹵化物等雜質(zhì)的要求非?？量蹋謩e為0.004μmol/mol、 0.001μmol/mol、 0.2μmol/mol、0.1μmol/mol 和 0.5μmol/mol，這對(duì)開(kāi)發(fā)具有經(jīng)濟(jì)性 的工業(yè)化氫氣提純技術(shù)提出了更高的要求。

2.2 化石原料制氫經(jīng)濟(jì)性分析

    根據(jù)行業(yè)相關(guān)氫氣成本模型數(shù)據(jù)[15] ，本文作者 采用外推法作圖，對(duì)不同煤價(jià)、天然氣價(jià)格下的氫 氣成本進(jìn)行測(cè)算，結(jié)果見(jiàn)圖 6。由圖 6 可以看出， 當(dāng)天然氣價(jià)格從 1.24CNY/m3 （對(duì)應(yīng)煤炭?jī)r(jià)格為 250CNY/t） 上升到 2.95CNY/m3 （對(duì)應(yīng)煤炭?jī)r(jià)格為 1050CNY/t） 時(shí)，氫氣成本從 0.73CNY/m3 （折合 8119CNY/t） 上升到 1.29CNY/m3 （折合 14349CNY/ t）。根據(jù)2018年7月北京市《關(guān)于調(diào)整本市非居民 用天然氣銷(xiāo)售價(jià)格的通知》，北京城六區(qū)外區(qū)縣工 業(yè)用天然氣價(jià)格為 2.75CNY/m3 ，以此測(cè)算天然氣 制氫成本1.24CNY/m3 （折合12796 CNY/t），與煤價(jià) 950CNY/t 的制氫成本相當(dāng)。以目前秦皇島 2.3× 104 kJ/t動(dòng)力煤價(jià)格（約580CNY/t）測(cè)算，其煤制氫 成本為 0.92CNY/m3 （折合 10233CNY/t），與氣價(jià)約 1.8CNY/m3 的天然氣制氫成本相當(dāng)，可見(jiàn)在目前的 天然氣價(jià)格和煤炭?jī)r(jià)格下，煤制氫成本明顯低于天 然氣制氫。

   經(jīng)對(duì)煤制氫、天然氣制氫、甲醇制氫及水電解 制氫成本進(jìn)行比較，煤價(jià)仍按 580CNY/t、天然氣 價(jià)格按2.75CNY/m3 、甲醇價(jià)格按2280CNY/t、電價(jià) 按 0.55CNY/(kW·h)測(cè)算，結(jié)果見(jiàn)圖 7。由圖 7 可以 看出，煤氣化制氫的成本最低（10233CNY/t，折合 0.92CNY/m3 ），天然氣制氫次之 （12796CNY/t，折 合 1.15CNY/m3 ）， 甲 醇 裂 解 制 氫 位 于 第 三 （26900CNY/t，折合 2.42CNY/m3 ），水電解制氫成 本最高 （35900CNY/t，折合 3.23CNY/m3 ），甲醇裂 解制氫的成本是煤制氫成本的2.6倍，是天然氣制 氫的 2.1 倍，而水電解制氫成本則是煤制氫的 3.5 倍，是天然氣制氫的2.8倍。

    制氫成本與制氫原料種類及其價(jià)格密切關(guān)聯(lián)，不同原料、不同價(jià)格以及不同的電價(jià)、水價(jià)等均對(duì) 制氫成本有直接影響。以煤制氫為例，采用航天爐粉 煤加壓氣化技術(shù)，據(jù)估算在煤價(jià)分別為470CNY/t、 600CNY/t，電價(jià)0.42CNY/(kW·h)，新鮮水耗4CNY/t 時(shí)，制氫成本分別為 0.728CNY/t、0.9CNY/m3 （折 合 8100CNY/t、10014CNY/t）；如果考慮建設(shè)碳捕 獲、利用與封存設(shè)施（CCUS），則制氫成本勢(shì)必會(huì) 相應(yīng)上升。再如電解水制氫成本，其與電力來(lái)源及 其價(jià)格具有很大關(guān)系，采用棄風(fēng)、棄水、棄電等電 力，電價(jià)最低可為0.1CNY/(kW·h)，氫氣成本只有 1.16CNY/m3 （ 折 合 13000CNY/t）； 當(dāng) 電 價(jià) 為 0.65CNY/(kW·h)時(shí)，氫氣成本達(dá)到4.13CNY/m3 （折 合46000CNY/t）。

    總之，制氫成本與原料價(jià)格關(guān)系最大，控制氫 能價(jià)格首先需要控制原料價(jià)格。目前煉廠制氫已經(jīng) 實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，通過(guò)技術(shù)改進(jìn)降低成本的空間并 不大。因地制宜，選擇合適的  原料，可使氫氣成本 控制在1.35CNY/m3 （折合15000CNY/t）以下。

3 對(duì)化石原料制氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景的 思考

    通過(guò)對(duì)化石原料制氫技術(shù)路線與經(jīng)濟(jì)性的分 析，可以看出各種化石原料制氫路線各有千秋，孰 優(yōu)孰劣不能一言以蔽之。對(duì)于化石原料制氫產(chǎn)業(yè)發(fā) 展的前景，本文作者有以下幾點(diǎn)思考與看法。

（1）煤制氫是發(fā)揮煤炭資源優(yōu)勢(shì)、實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制 氫的首選技術(shù)。

    我國(guó)相對(duì)豐富的煤炭資源為發(fā)展氫能提供了制 氫原料保障。前已述及，近幾年我國(guó)在建/擬建的 煉化一體化項(xiàng)目中，大多數(shù)項(xiàng)目采用煤制氫。煤制 氫工藝之所以受到國(guó)內(nèi)煉廠的青睞，主要原因有4 個(gè)方面：①由于煉廠對(duì)氫氣的需求量大，煤制氫工 藝能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模制氫，滿足煉廠用氫需求；②煤制氫成本較低，是煉廠降本增效、實(shí)現(xiàn)供氫平衡首 選工藝；③煉廠采用煤制氫后可替代現(xiàn)有天然氣、 干氣等制氫原料，為煉廠干氣資源綜合利用創(chuàng)造條 件；④隨著近年氣流床加壓氣化工藝的普遍應(yīng)用和 煤化工“三廢”處理技術(shù)水平的提高，煤制氫工藝 能夠?qū)崿F(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。近幾年國(guó)內(nèi)大型煤炭能源企業(yè) 也在積極布局氫能產(chǎn)業(yè)鏈，2018年2月，由國(guó)家能 源集團(tuán)牽頭，聯(lián)合17家國(guó)內(nèi)大型企業(yè)、高校、研 究機(jī)構(gòu)共同發(fā)起，20 家單位 （現(xiàn)已增加到 54 家） 加入的中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟， 將整合各方資源，吸納社會(huì)資本，共同推動(dòng)以煤制 氫為龍頭的產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新?？傮w而言，煤化工企業(yè) 具有發(fā)展煤制氫的先天資源優(yōu)勢(shì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，煤制 氫是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制氫的最可行技術(shù)。

（2）天然氣制氫發(fā)展?jié)摿Υ螅壳按嬖谫Y源約 束和成本較高的問(wèn)題。

    與煤制氫裝置相比，天然氣制氫投資低、CO2 排放量、耗水量小、氫氣產(chǎn)率高，是化石原料制氫 路線中理想的制氫方式。然而，我國(guó)化石資源稟賦 特點(diǎn)是“富煤缺油少氣”，2018年原油對(duì)外依存度 已經(jīng)超過(guò) 70.5%，天然氣對(duì)外依存度已經(jīng)超過(guò) 40%，在此能源供給現(xiàn)狀的大背景下，采用基于石 油資源的重油制氫已經(jīng)不具經(jīng)濟(jì)性，實(shí)際生產(chǎn)中也 很少采用；采用天然氣制氫更存在氣源供應(yīng)無(wú)法保 障、天然氣價(jià)格高企的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看， 由于我國(guó)非常規(guī)天然氣資源（頁(yè)巖氣、煤層氣、可 燃冰等）十分豐富，隨著未來(lái)非常規(guī)天然氣開(kāi)采技 術(shù)進(jìn)步、開(kāi)采成本降低，必將迎來(lái)天然氣大發(fā)展的 時(shí)期，屆時(shí)采用天然氣制氫預(yù)計(jì)要比煤制氫更具 優(yōu)勢(shì)。

（3）工業(yè)副產(chǎn)回收氫氣是未來(lái)頗具發(fā)展?jié)摿Φ?制氫方式。

    我國(guó)含氫工業(yè)尾氣資源十分豐富，從石油化工 角度來(lái)看，就有催化重整副產(chǎn)氫、煉廠干氣制氫、 石腦油及乙烷裂解氣副產(chǎn)氫、丙烷脫氫副產(chǎn)氫等多 種途徑，這些氫氣資源有些被利用（如催化重整制 氫、干氣制氫），也有些被作為燃料低價(jià)值利用或 直接排放，如果將這部分氫氣通過(guò)變壓吸附等分離 技術(shù)加以回收利用，既可以實(shí)現(xiàn)資源的高附加值利 用，也可以減少碳排放壓力，可謂一舉兩得。近幾 年由于氫能的發(fā)展，對(duì)工業(yè)副產(chǎn)氫的利用已經(jīng)得到 行業(yè)的高度重視，許多能源企業(yè)及化工企業(yè)與氫能 開(kāi)發(fā)投資商積極合作，探索高效利用工業(yè)副產(chǎn)氫以 發(fā)展氫能的途徑，今后對(duì)于工業(yè)副產(chǎn)氫的利用具有良好的前景。

（4）甲醇制氫規(guī)模靈活，但也存在設(shè)備成本高以 及穩(wěn)定性較差等缺陷。

    雖然甲醇制氫成本較石油制氫、天然氣制氫與 煤制氫要高，但甲醇制氫裝置投資低，建設(shè)周期 短，制氫裝置規(guī)模靈活，而且原料易獲取，另外甲 醇制氫項(xiàng)目審批容易，對(duì)氫氣價(jià)格承受力較高的用 戶，這種制氫方式是可以接受的。從氫能產(chǎn)業(yè)鏈的 發(fā)展現(xiàn)狀看，儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、加氫等環(huán)節(jié)均存在諸多 技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面的瓶頸問(wèn)題有待解決，利用甲醇制氫 可以實(shí)現(xiàn)在加氫站周?chē)F(xiàn)場(chǎng)制氫，在此過(guò)程中，便 于儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)募状紝?shí)際上充當(dāng)了氫氣載體的作用， 避免了高壓氫或液體氫在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)儲(chǔ)運(yùn) 材料技術(shù)要求高、安全風(fēng)險(xiǎn)較大、儲(chǔ)運(yùn)成本較高的 問(wèn)題，但也不能否認(rèn)，甲醇現(xiàn)場(chǎng)制氫結(jié)合燃料電池 發(fā)電的電源系統(tǒng)在應(yīng)用方面目前還面臨設(shè)備成本 高，穩(wěn)定性、可靠性差等缺陷。因此，開(kāi)發(fā)能夠滿 足用戶需求的高效、可靠的甲醇制氫系統(tǒng)是促進(jìn)以 甲醇作為氫能載體的氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù) 關(guān)鍵。

（5）電解水制氫也有望成為未來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?氫的途徑之一。

    電解水制氫即通過(guò)水的電解生產(chǎn)氫氣同時(shí)副產(chǎn) 氧氣。按照電解槽的不同，電解水制氫可分為堿性 電解槽 （采用KOH或NaOH為電解質(zhì)）、質(zhì)子交換 膜（PEM）電解槽（以純水為電解質(zhì)）和固體氧化 物 （SOE） 電解槽3種電解方式。相比較而言，堿 性電解技術(shù)是目前商業(yè)化程度最高、最為成熟的電 解水技術(shù)，國(guó)外技術(shù)商主要有法國(guó)Mcphy公司、美 國(guó)Teledyne公司和挪威Nel公司，國(guó)內(nèi)代表企業(yè)主 要有蘇州競(jìng)立制氫、天津大陸制氫和中船重工718 所。PEM 純水電解在國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，主要 技術(shù)商有Proton公司、Hydrogenics公司等，國(guó)內(nèi)對(duì) 于PEM純水電解技術(shù)研究主要有中船重工718所、 中電豐業(yè)、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所等單 位。PEM純水制氫過(guò)程無(wú)腐蝕性液體，運(yùn)維簡(jiǎn)單、 成本低，是我國(guó)今后需要重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的純水電解制氫 技術(shù)。目前電解水制氫技術(shù)的不足之處在于制氫成 本較高、經(jīng)濟(jì)性欠佳，未來(lái)隨著電解水制氫技術(shù)的 進(jìn)步和成本下降，可望成為化石能源制氫的重要補(bǔ) 充。最近兩三年，借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)開(kāi)展的利用 可再生能源 （風(fēng)電、光伏發(fā)電、水電、地?zé)岚l(fā)電 等）生產(chǎn)的富裕電力與傳統(tǒng)電解水制氫的耦合路線 （也稱“綠氫”路線），為氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展開(kāi)辟了一條實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、低成本制氫的創(chuàng)新模式。

    最后需要指出的是，無(wú)論采用哪種原料制氫， 制氫裝置一般都要安裝在原料供應(yīng)比較方便的地 方。由于制氫裝置（尤其是化石原料制氫）一般占 地面積大，為節(jié)約土地空間、減少碳排放，同時(shí)也 從加氫站安全運(yùn)營(yíng)角度考慮，一般不允許采用現(xiàn)場(chǎng) 制氫的方式?，F(xiàn)場(chǎng)制氫雖然節(jié)省了氫氣運(yùn)輸環(huán)節(jié)， 但只適用于對(duì)氫氣需求量不大的一些特定場(chǎng)合，必 須達(dá)到規(guī)模靈活調(diào)整、控制系統(tǒng)先進(jìn)、運(yùn)行可靠、 安全環(huán)保等要求。

4 結(jié)語(yǔ)

    隨著氫能產(chǎn)業(yè)的逐漸成熟和氫燃料電池汽車(chē)開(kāi) 始規(guī)?；l(fā)展，市場(chǎng)對(duì)氫氣的需求量將呈現(xiàn)快速增 長(zhǎng)，制氫技術(shù)進(jìn)步日新月異。傳統(tǒng)煤炭、天然氣等 化石原料制氫（包括從工業(yè)副產(chǎn)物中回收氫氣）技 術(shù)成熟，仍將具有良好發(fā)展前景。太陽(yáng)能制氫（包 括光催化、光熱解）、生物質(zhì)制氫 （生物質(zhì)熱解、 氣化）等新能源制氫技術(shù)可實(shí)現(xiàn)清潔化制氫，總體 發(fā)展前景好，但受制于轉(zhuǎn)換效率低、制氫成本高等 問(wèn)題，預(yù)計(jì)短期內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)規(guī)?；ｋ娊馑茪淇?以有效消納風(fēng)電、光伏發(fā)電等不穩(wěn)定電力以及其他 富余波谷電力，有望成為未來(lái)工業(yè)氫氣的主要來(lái)源 之一。在當(dāng)前太陽(yáng)能等新能源制氫技術(shù)尚未成熟的 現(xiàn)實(shí)條件下，化石原料制氫必將擔(dān)當(dāng)主要角色，未 來(lái)氫能產(chǎn)業(yè)必將是化石原料制氫與電解水制氫以及 新能源制氫多種方式共存、多元化發(fā)展的供給格 局。當(dāng)前，我國(guó)除了大力發(fā)展低成本制氫技術(shù)以 外，開(kāi)發(fā)氫能的安全、高效儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)、降低加氫站 建設(shè)成本以及氫燃料電池汽車(chē)生產(chǎn)成本亦是氫能行 業(yè)應(yīng)重點(diǎn)攻克的主要問(wèn)題。相信在我國(guó)政府的統(tǒng)一 規(guī)劃和大力推動(dòng)下，經(jīng)過(guò)科研單位、能源企業(yè)、汽 車(chē)生產(chǎn)、電池生產(chǎn)企業(yè)等的協(xié)同攻關(guān)和持續(xù)努力， 氫能產(chǎn)業(yè)將會(huì)很快跨過(guò)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)入期，進(jìn)入實(shí)質(zhì)性產(chǎn) 業(yè)化發(fā)展階段，我國(guó)建設(shè)“氫能社會(huì)”的目標(biāo)不久 將會(huì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

      四川蜀泰化工科技有限公司

       聯(lián)系電話:0828-7880085

      公司官網(wǎng)：www.ijia365.net

【上一篇：LNG產(chǎn)業(yè)視角下不同天然氣制氫模式的終端氫氣成本分析】

【下一篇：一氧化碳、甲醇低壓羰基法合成醋酸】