我國氫氣生產和利用現狀及展望

韓紅梅，楊 錚，王 敏，劉思明，溫 倩，田桂麗，王宇博

(石油和化學工業(yè)規(guī)劃院，北京市東城區(qū)，100013)

0 引言

氫是宇宙中最豐富的元素之一，在地球上主要以水、碳氫化合物和各類有機化合物等化合態(tài)的形式存在。氫的賦存形態(tài)多樣且密度較低，不能直接得到有效利用，必須通過加工、提取，使其成為能量密度更高的二次能源載體，才能應用于現代文明社會。目前氫氣已經廣泛應用于化工、電子、冶金、能源、航空航天以及交通等諸多領域[1]，當今經濟社會主要利用化石能源作為原料制備氫，再作為化工、冶金等生產過程物料加以利用。面向21世紀，氫氣作為人類可持續(xù)發(fā)展的清潔可再生能源，將同時具有工業(yè)原料和能源產品的雙重屬性。當用作工業(yè)原料時，氫氣將廣泛應用于化工、冶金等行業(yè)；當作為能源產品時，氫氣將以替代石油、天然氣等化石能源為最終目標，廣泛應用于交通運輸、民用、航空航天、儲能等領域，可作為全球降低二氧化碳排放、盡早實現碳中和的重要能源載體。

當前工業(yè)領域氫氣生產利用的主要特點為：一是利用化石燃料制氫；二是主要用于生產化工產品或鋼鐵；三是不需長期儲存或對外運輸(極少數需求情景除外)；四是低成本；五是產品質量依下游需求而定。

相比于工業(yè)氫氣生產利用的方式，氫能生產利用的主要特點為：一是要求可再生能源制氫，以綠氫來實現來源無碳化；二是能源利用路線以氫燃料電池路線為主，追求過程高效化；三是應用領域廣泛，可以用于移動交通領域，可以用于固定用能場景，可以作為工業(yè)生產脫碳的工具，還可以作為儲能介質；四是基于其制用場景分離、應用廣泛分散的特點，需要考慮的問題是氫的近、中、遠途儲運；五是用于移動交通領域時，需要建設加氫基礎設施；六是基于可再生能源本身受自然條件影響大、波動性大等特點，需要考慮綠氫生產與電源、電網、儲能、用戶需求等多方面的銜接；七是燃料電池路線的氫氣質量要求高，水、總烴、氧、氦、總氮、氬、二氧化碳、一氧化碳、總硫、甲醛、甲酸、總鹵化物等單質雜質的最大濃度要求非常嚴格；八是應用初期成本較高，需要通過大幅的技術進步促進成本降低。

基于上述氫能利用的新特點和新要求，氫能應用必須以技術創(chuàng)新為引領，攻克質量要求高、儲運難、成本高、應用市場需培育等諸多難關，才能真正為能源革命作出貢獻。我國氫能利用剛剛起步，既有化石燃料制氫的產業(yè)基礎，也面臨綠氫供應、氫儲運路徑選擇、相關基礎設施建設、氫燃料電池技術裝備突破等諸多挑戰(zhàn)。我國發(fā)展氫能產業(yè)必須實事求是、客觀冷靜、積極創(chuàng)新，以氫能技術創(chuàng)新突破為引領，穩(wěn)妥推進產業(yè)化應用。氫能產業(yè)發(fā)展初期，依托現有氫氣產能就近提供便捷廉價的氫源，支持氫能中下游產業(yè)的發(fā)展，降低氫能產業(yè)的起步難度具有積極的現實意義。面向未來的發(fā)展，當綠氫逐漸成為穩(wěn)定、足量且低價的氫源時，其在推進工業(yè)脫碳過程技術應用中將會發(fā)揮更好的作用。

因此，筆者重點分析了我國石化化工行業(yè)氫氣生產利用現狀，簡要分析了我國車用氫能的生產利用現狀。結合我國氫能利用前景展望，提出工業(yè)氫氣與氫能相互協(xié)作、共同發(fā)展的建議。

1 我國氫氣生產利用現狀

1.1 石化化工行業(yè)氫氣生產利用現狀

當前國內外氫氣主要是在石化化工行業(yè)得到較為廣泛的生產和利用，氫氣作為中間原料，用于生產多種化工產品。我國石化化工行業(yè)主要涉氫的行業(yè)包括煤化工、天然氣化工、石油化工、焦爐氣化工、氯堿化工、精細化工等，主要產品有合成氨、過氧化氫(雙氧水)等無機化工產品，甲醇、烯烴、乙二醇等有機化工產品，成品油、合成天然氣等能源化工產品，還有多種精細化工、化工新材料等產品。根據對石化化工行業(yè)主要涉氫產品生產能力的統(tǒng)計，當前我國石化化工行業(yè)氫氣總產能約為4 000萬t，氫氣產量約3 300萬t。

1.1.1氫氣用途

從氫氣的用途來看，最大應用領域是作為生產合成氨中間原料，氫氣產能占比約為30%；二是生產甲醇(包括煤經甲醇制烯烴)的中間原料，氫氣產能占比約為28%；三是焦炭和蘭炭副產氫的綜合利用，占比約為15%(已扣除制氨醇，避免重復計算)；四是煉廠用氫，占比約為12%；五是現代煤化工范疇內的煤間接液化、煤直接液化、煤制天然氣、煤制乙二醇的中間原料氫氣，占比約為10%；其他方式氫氣利用占比約為5%。

1.1.2生產原料

從氫氣的生產原料構成來看，我國氫源以煤為主，占比約為59%；其次是高溫焦化和中低溫焦化(蘭炭、半焦)副產煤氣中的氫，占比約為20%；三是天然氣制氫和煉廠干氣制氫，占比約為16%；其余是甲醇制氫、燒堿電解副產氫、輕質烷烴制烯烴副產尾氣含氫等。

1.1.3生產形式

從生產形式來看，獨立的制氫裝置主要存在于煉油、煤焦油加工等生產過程中，煉油廠內主要采用煤制氫、天然氣(或煉廠干氣)制氫或甲醇制氫，煤焦油加工廠一般為焦爐氣制氫。部分綜合型化工廠采用變壓吸附(PSA)制氫裝置，為生產下游產品提供氫氣。對于煤、天然氣或焦爐氣制合成氨或制甲醇，煤(甲醇)制烯烴、煤制乙二醇、煤制油品、煤制合成天然氣等，氫氣作為生產過程的中間原料而存在，而不是由獨立的制氫裝置生產。氨合成裝置或甲醇合成裝置可以根據需要配套氫回收裝置，回收副產氫氣。燒堿的生產過程產生大量氫氣，對于下游配套聚氯乙烯裝置的工廠，氫氣與氯氣生成氯乙烯、繼而再生產聚氯乙烯；對于獨立的燒堿裝置，副產氫氣一般配套雙氧水或精細氯加工產品，需要消耗一部分氫氣，且少量副產氫氣未得到有效利用。

1.1.4工業(yè)副產氫

從工業(yè)副產氫的角度來看，除上述提到的合成氨裝置、甲醇合成裝置、燒堿裝置等以外，最大量的工業(yè)副產氫存在于高溫焦化副產焦爐氣和蘭炭副產荒煤氣中。焦化副產焦爐氣的氫含量達55%～60%，目前焦爐氣制合成氨、甲醇、LNG(直接提取LNG)、乙二醇或氫氣等產品及焦爐氣發(fā)電已得到廣泛應用，少量焦爐氣作為工業(yè)燃氣利用。蘭炭副產荒煤氣的氫含量約為23%～25%，目前部分提氫用于中低溫焦油加工，部分用于發(fā)電，部分用作工業(yè)燃氣。

1.1.5生產成本

從生產成本的角度來看[2]，工業(yè)氫氣的價格與生產氫氣主要原材料的價格水平、生產規(guī)模、生產過程消耗以及項目投資等均有直接關系。按照我國典型的制氫技術水平，在保證基準收益的前提下，煤制氫對應的原煤價格為300～800元/t，氫氣價格約為10～15元/kg；天然氣制氫對應天然氣價格為1～2元/Nm3，氫氣價格約為15～20元/kg；甲醇制氫對應的甲醇價格為2 000～3 000元/t，氫氣價格約為15～18元/kg；副產焦爐氣制氫價格一般不高于12元/kg，燒堿副產氫等價格一般不高于18元/kg?？傮w上，工業(yè)氫氣價格相對較低，以滿足工業(yè)生產大宗基礎產品的成本控制要求。

1.2 鋼鐵行業(yè)氫氣生產利用現狀

在鋼鐵工業(yè)中[3]，副產的焦爐煤氣中含氫為55%～60%，高爐煤氣含氫為1%～4%，轉爐煤氣含氫為0.2%～0.3%，另外利用COREX技術(熔融還原法)在生產鐵水過程中產生的煤氣含氫為10%～30%。上述焦爐煤氣的含氫量已與焦化合并統(tǒng)計。目前我國鋼鐵行業(yè)每年生產約1 400萬t的含氫副產品，其中高爐煉鐵使用約為900萬t/a，電爐煉鐵消耗約為400萬t/a。

1.3 車用氫能生產利用現狀

現階段我國氫能利用以車用氫能為主，處于剛剛起步的初期示范階段。據不完全統(tǒng)計，截至2020年底，我國燃料電池車約有8 000輛，車型以公交大巴車、輕卡、物流車為主；已建成加氫站約120座，已投入運營約86座；初步估計，車用氫能用量不足1萬t。

車用氫能供應方式多樣，為保證氫氣質量要求，大多來自于電解水制氫，以高壓氫氣的方式運送至加氫站。部分加氫站依托石化氫氣，就近由管道運至加氫站，例如上海中石化加氫站、兗礦濟寧綜合能源補給站。由于用量少、運輸距離遠、高壓氫氣運費高等多種原因，車用氫氣價格在加氫站一般不低于60元/kg。

2 我國氫氣生產利用展望

2.1 化工氫氣生產利用仍將持續(xù)穩(wěn)步增長

石化化工行業(yè)是與國民經濟密切相關的基礎性行業(yè)，其產品需求隨全社會國民經濟發(fā)展而發(fā)展。面向未來10年，石化化工行業(yè)的產品需求總體上仍將穩(wěn)步增長，但生產結構和產品結構會有一定調整，對氫氣需求產生一定影響。例如煉化行業(yè)“減油增化”、成品油生產比例下降將降低氫氣需求，化工產品生產比例提高將促進氫氣需求；農用氮肥需求穩(wěn)中有降，工業(yè)氮肥需求穩(wěn)中有升，預計對氫氣需求相對穩(wěn)定或有小幅變化；甲醇化工和甲醇燃料應用仍將增長，中間氫氣產能產量相應增長；其它大多數用氫產品(己內酰胺、過氧化氫、精細化工等)產能仍將增長，對氫氣的需求相應增長。上述變化對氫氣需求的影響不同，總體上預計將會促進氫氣需求增長。

2.2 鋼鐵行業(yè)氫氣需求結構面臨調整

根據國家有關“鋼鐵行業(yè)去產能”“確保粗鋼產量同比下降”的要求、以及廢鋼回收和氫氣直接還原鐵等技術逐步推廣，預計未來基于傳統(tǒng)高爐煉鐵所需要的焦化產能將有所下降，焦化副產氫相應下降；基于氫氣直接還原鐵技術的氫氣需求或將得到突破性增長。

2.3 “工業(yè)+綠氫”將在石化和鋼鐵行業(yè)開展示范

石化工業(yè)和鋼鐵工業(yè)是氫氣最大的應用領域，現在是未來也是。綠氫促進工業(yè)脫碳意義重大，效果也將更加明顯。

隨著我國光伏發(fā)電和風力發(fā)電成本不斷下降，西北“綠電”價格已低于0.2元/(kW·h)，初步具備提供“工業(yè)綠氫”的經濟性。西北地區(qū)落實“碳減排、碳中和”使命，率先開展“綠氫+煤化工”示范具有積極意義。當前已有煤化工項目積極謀劃以綠氫作為原料，加入煤化工生產過程、提高碳原子經濟利用、降低二氧化碳排放的技術方案；還有綠氫制合成氨而生產“綠氨”、綠氫制甲醇而生產“綠醇”等技術方案也在開展。預計未來10年，上述技術示范將獲得突破。

基于氫氣的直接還原技術是用氫替換碳作為煉鐵還原劑，使煉鐵工序中產生水，而不是二氧化碳，從而大幅減少溫室氣體排放，被視為鋼鐵工業(yè)的綠色生產方法。據公開資料報道，2019年，中核集團與清華大學、寶武集團等國內主要相關單位啟動開展核能制氫與氫能冶金結合的前期合作。多位專家認為，核能制氫與氫能冶金已經具備基礎條件[4]，預計未來鋼鐵行業(yè)將聯合核能制氫開展行業(yè)融合示范。

2.4 車用氫能示范性應用將小幅促進氫氣需求增長

車用氫能作為解決移動交通脫碳的方式，是氫能利用的熱點和焦點?；谠摲较虻膹碗s性和眾多條件要求[5]，《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖2.0版》中提出，2035年氫燃料電池汽車保有量將達到100萬輛左右，商用車實現氫動力轉型。因此，預計到2035年，車用氫能應用仍處于起步示范階段；按照商用車為主預測，車用氫能需求量將不超過400萬t。

考慮到車用氫能對氫氣儲運、氫氣加注基礎設施(加氫站)建設、氫燃料電池性能和氫燃料電池車的成本造價等存在的諸多要求，尤其是燃料電池核心技術裝備和經濟性與商業(yè)化要求差距非常大，這才是車用氫能是否可行的最重要因素。建議在車用氫能起步、氫氣用量較少的階段，不必過于強調氫氣“顏色”，無論是“灰氫”“藍氫”還是“綠氫”，只要滿足氫燃料電池的質量要求，都可以作為氫源利用。就近獲得氫氣、構建極簡氫能供應路徑，是車用氫能初期發(fā)展的適宜方式。

依托現有工廠制氫作為氫源，也需要考慮眾多影響因素。一是必須重視工業(yè)氫的純化質量，工業(yè)氫必須純化、達到燃料電池氫質量標準要求，否則雜質含量高，將影響燃料電池的性能和壽命，為此需要進行燃料電池氫質量檢測攻關，提高檢測設備的技術水平。二是要考慮工業(yè)氫的供應穩(wěn)定可靠性，需要落實具體的工業(yè)氫主體企業(yè)的可持續(xù)性，協(xié)調現有工廠連續(xù)性生產和車用氫能間歇性需求的關系。三是要考慮空間位置限制和運輸半徑限制，例如我國化工企業(yè)有數千家，化工園區(qū)(或以化工為主的開發(fā)區(qū)、高新區(qū)等)600余個，化工廠空間位置固定而車輛要移動，導入期加氫站網絡尚未形成時，化工廠對車用氫能的支撐范圍受限，支撐效果受到制約；有的化工廠地處偏遠地區(qū)，所在地區(qū)或城市未必有經濟實力或有意愿發(fā)展車用氫能；四是要考慮合作意愿，以化工為例，增加車用氫能產品時，化工廠需增加氫氣儲存和提純設備投資，必然有部分出于各種原因不愿意投資，車用氫是間歇性需求，而化工生產是連續(xù)性的，二者可能會出現不同步的情況。因此，如果車用氫能需求量過小，將影響化工企業(yè)投資意愿。

為降低氫氣儲運難度和儲運費用，宜考慮選用加氫站現場制氫設施。天然氣制氫或甲醇制氫甚至氨分解制氫均可以實現小型化，適用于加氫站制氫能力；“運成熟原料”代替“運氫”，有利于改善儲運經濟性。當然，電解水制氫也適用于加氫站現場制氫，盡管目前不能做到綠電現場制氫，但作為試驗示范、提高現場制氫技術水平，有利于為將來“分布式”制氫做好技術準備?，F場制氫仍需要有關政策的支持，突破制氫設施的屬性管理等制約。

3 結語

工業(yè)是我國氫氣生產利用的主要領域，氫氣用量大且成本低，目前是以化石能源制氫作為主要供應方式，未來發(fā)展中綠氫對促進工業(yè)脫碳將會具有更加積極的作用。綠氫工業(yè)化應用的關鍵點在于協(xié)調綠氫供應穩(wěn)定性、擴大綠氫供應量、降低綠氫成本。

以車用氫能為主的氫能利用正在興起，但發(fā)展初期階段定位尚不明確，技術進步水平和速度尚難以考量。我國發(fā)展氫能產業(yè)，應結合我國的資源、能源、經濟、技術等國情特點，從易到難、由點到面，抓住分階段重點，分層次、有序開展氫能相關基礎研究和產業(yè)化，特別要注意避免一哄而上、急于求成、技術不成熟時大建工程而造成投資浪費。氫能產業(yè)初期的高質量發(fā)展，重點就是抓住主要矛盾，集中核心力量攻克關鍵問題，打通瓶頸，以盡可能少的代價探索出真正適合我國的氫能發(fā)展之路。