化工产业中氢能综合应用的发展与趋势

氢能的能量密度高而且无污染，是一种理想的清洁能源。发展氢能经济，能够减少温室气体和细颗粒物的排放，并实现能源供应多元化。

一、氢能及氢能产业链概述

（一）氢能概述

1.氢能的定义及产生。氢能通常是指氢在物理与化学变化过程中释放的能量。氢能是一种二次能源，是通过一定的方法利用其他能源制取的，可以从化石原料中直接获取，也可以由水电解制得。

2.氢能的主要化工特点。氢能是公认的清洁能源，是重要的低碳和零碳能源。氢位于元素周期表之首，原子序数为1。作为一种理想的新的合能体能源，它具有以下特点：①普遍元素，重量最轻，多种形态。据估计，氢构成了宇宙质量的75%，除气体氢气外，主要以化合物地形态贮存于水中。可以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。②理想的发热值，导热性、燃烧性能好。除核原料外，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，比大多数气体的导热系数高出10倍，具有点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，燃点高，燃烧速度快的特点。③利用形式多，利用率高。气体通过燃烧产生热能，在热机中产生机械能，又可作为能源材料用于燃料电池，或转化成固态氢用作结构材料。氢取消了内燃机噪声源和能源污染隐患，利用率高。④无毒，减少温室效应，废物可回收利用。氢燃烧最清洁除生成水和少量氮化氢（适当处理不污染环境）外，不产生一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化合物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物。产物水无腐蚀性，可以再次分解氢，回收利用。

（二）氢能的产业链概述

氢能产业链分为上游制氢、中游储运氢和下游氢应用三大环节。

上游制氢基本有5种方式：天然气制氢、生物制氢、甲醇制氢、富氢气体制氢、水电解制氢。

中游储运氢基本有4种方式：氢气管车、液态储氢、氢气瓶组、 氢气储罐。

下游氢应用基本是2种方式：传统：工业用氢（制药、炼油等）、新兴：燃料电池 （电源、军用等）。

二、国内外现状及趋势

（一）国际氢能发展概况

20世纪70年代，中东第三次战争导致世界范围内的能源危机后，美国通用汽车公司提出了氢经济概念，主要为描绘未来氢气取代石油成为支撑全球经济的主要能源后，整个氢能源生产、配送、贮存及使用的市场运作体系。

随着全球能源消费向低碳化转型的进程加快，氢能逐步成为国内外能源及相关行业关注的焦点。能源转型背景下，发展氢能已经成为发达经济体的共识，日本、美国、欧盟和韩国等世界主要发达经济体均已将发展氢能产业作为国家能源战略。氢能产业现阶段是典型的政策推动型产业，产业链不具备经济性，需要依靠各国政府大规模补贴才能发展。

日本为推进氢能产业发展，日本政府制定相应支持政

策，对加氢站建设、家庭用燃料电池系统、燃料电池以及购买燃料电池车的消费者进行持续补贴。初步形成了相对完整的氢能产业链体系。

美国发展氢能较早，氢气的生产、储运、下游应用以及基础设施方面，均布局完善。北美分布的68座加氢站仅一座位于加拿大，其余全部分布在美国。

在欧盟国家中，德国非常重视氢能产业发展。截至2017年底，德国共有56座加氢站；德国热电联产系统应用较为广泛，拥有2000套微型热电联产系统。

经过40年的发展，氢能利用方面取得了一定成就，氢燃料电池汽车等已经开发并运用，但氢能产业整体上仍处于“示范”阶段，各种氢能公共基础设施建设仍不健全，氢能未进行大规模运用，与氢经济描绘场景相去甚远。

（二）我国氢能发展现状及趋势

1.发展现状。2019年，氢能首次写进了国务院《政府工作报告》，要求“推动充电、加氢等设施建设”。在政策的引领下，多地规划氢能产业发展提速。据中国氢能联盟数据统计，2012-2018年，我国氢能产量呈逐年递增趋势，其中，2018年中国氢气产量约为2100万吨，占全球总产量的比例超过30%，凸显我国产氢大国地位，为我国开发利用新能源、加快迈进氢能经济时代创造了有利条件。根据中国氢能联盟预测，到2035年，中国氢能供给量将达到4000万吨，在终端能源体系中占比5.9%。2019年4月，生态环境部等5部委联合发布《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》，意在进一步降低钢铁行业各生产环节的污染物排放。钢铁企业尤其是特大型钢铁企业为了适应国内国际形势，也开始积极参与氢能利用项目。

经过十余年的长足发展，我国氢气年产量已逾千万吨规模，位居世界第一大产氢大国；同时，我国金属储氢材料产销量已超过日本，成为世界最大储氢材料产销国。氢气产量和储氢材料产销量两项世界第一，为我国开发利用新能源、加快迈入氢能经济时代创造了有力条件。

2.发展趋势。氢能应用市场潜力大，在能源、交通、工业等领域具有广阔的前景。作为能源体系的重要组成部分与未来发展方向，氢能已经纳入我国能源发展战略，成为优化能源消费结构，保证能源供应安全的战略选择。在此背景下，相关政策相继发布，推动充电、加氢等设施建设。目前，江苏、浙江、广东等地发布了较完整的政策支持体系，山东、山西、辽宁等地也在加快推进。

三、化工产业中氢能综合应用的发展与趋势

（一）制氢产业发展与趋势

氢气用户主要从气体公司采购氢气。制氢工艺不同，氢气的纯度和成本有差异，广泛应用生产工艺有以下5种：

1.天然气蒸汽转化制氢。上世纪70 年代在合成氨的造原料气阶段应用。以天然气为原料, 用水蒸气转化制取富氢混合气,应用在合成氨生产领域成熟的一段炉造气工艺。

2.甲醇蒸汽转化制氢。1995年，以齐鲁石化研究院开发出甲醇分解和一氧化碳变换功能的双功能催化剂为标志，推广迅速。目前国内已有约30 套装置投入运行。

3.水电解制氢。上世纪50年代研制成功第一代水电解槽,水电解的工业生产装置是电解槽，可以生产99.99999%的氢气。该工艺的核心技术是质子交换膜技术，关键材料是铂金。

4.PSA法焦炉煤气制氢。鞍钢焦炉煤气制氢采用PSA工艺。PSA是变压吸附简称，在焦化企业应用广泛，从多组分的焦炉煤气中分离出其中的氢气,并使其质量达到生产要求。

5.生物制氢。生物制氢包括生物质通过热化学转化制氢和生物质微生物转化制氢。生物制氢目前受技术所限发展缓慢，但因其原料广、低成本、高效益的优点，相信会成为未来的氢气生产中的一个重要研究方向。

（二）氢气的储存和运输

氢具有易燃易爆的特点，高压下容易使材料发生氢脆，导致氢气储存、运输存在问题。良好的氢气运输网络是氢能产业发展的必要基础条件。

1.氢气储气罐运输。当前主要的氢气运输主要通过储气罐汽车输送为主。国内氢气的储存仍是以压缩罐储存为主，氢能汽车采用的是35MPa或70MPa的高压气储气罐。

2.氢气管道化运输。欧洲NaturalHy项目、荷兰的VG2项目、德国的DVGW项目以及美国能源部实施的氢能管道研究发展工程等均研究了掺氢天然气管道输送的安全问题。据了解已有管道达到掺氢20%左右，仍能保证安全性。利用现有的天然气管道进行改造升级，使其能够输送氢气，是氢能快速推广的一种捷径。但是由于天然气目前储量还是比较丰富，现阶段只需要支付开采成本，氢气没有价格优势，氢气使用普及存在一定阻力。

3.氢气液化储氢。液化氢气密度为常温下的845倍，氢气液化储存需要达到超低温-253℃，但氢气液化成本高，能量损失大，也仅在一些特殊领域有所运用，如航天领域。当前也在研究运用合金储存，或者芳烃类有机物进行储存，但目前情况来看储存的氢气质量分数都在10%以下，还需要配套催化加氢脱氢设备，现在情况相对于储气罐储存仍没有优势。

4.其他方式储氢。氢气输送与运用的理想状态是如电能一样，达到发电量与负荷的平衡状态，尽量减少储存环节。预期未来氢能产业发展到一定程度，使氢气生产与消费达到基本平衡，实现氢气零储存的理想的状况。未来技术突破，化学储氢将成为主流。

（三）氢能的化工领域应用

现阶段氢气主要用于化工领域，少部分用于交通运输。化工领域包括合成氨生产，石油催化剂提高油品，医药合成中的催化氢化等。交通运输方面主要运用于氢能汽车，但全球范围内比重较小。氢气的应用领域很广，其中用量最大的是作为一种重要的石油化工原料，用于生产合成氨、甲醇以及石油炼制过程的加氢反应。此外，在电子工业、冶金工业、食品加工、浮法玻璃、精细化工合成、航空航天工业等领域也有应用。我国氢气主要是作为化工合成的中间产品和原料。

1.合成氨工业的氢能应用。我国工业制氢50%-60%用在了合成氨工业，理论上生产1吨合成氨需要1976标准立方米的氢气。

2.石油化工氢能利用。石油催化加氢是指石油馏分（包括渣油）在氢气存在下催化加工过程的通称。中国加氢装置年加工能力已超过5000万吨，占原油总蒸馏能力的18.6%，但仍低于世界平均水平50.1%，从而制约了中国产品模式和产品质量的提高。 加氢过程按照生产目的的不同可分为：

（1）加氢精制。石油的加氢精制，目的是除去油品中的硫、氮、氧等杂原子及金属杂质，并对部分芳烃或烯烃加氢饱和，改善油品的使用性能。

（2）加氢裂化。加氢裂化包括烷烃加氢裂化反应制烯烃、烷烃加氢异构化使分子结构重整、烯烃加氢生成饱和烷烃和进行重整异构化、芳香烃加氢。

（3）渣油加氢炼化。渣油加氢处理技术指较重的原料油在较苛刻条件下，发生一定转化反应的加氢工艺过程。中国石油化工股份有限公司，所属抚顺石油化工研究院，从80年代中期开始，进行此项技术的探索，经过十几年努力，终于开发出我国自己的新型渣油加氢处理技术。

（4）润滑油加氢。使润滑油的组分发生加氢精制和加氢裂化等反应，使一些非理想组分结构发生变化，以脱除杂原子和改善润滑油的使用性能。

3.煤化工氢能利用。焦炉副产焦油的汽、柴油馏份含有大量的烯烃、多环芳烃等不饱和烃以及硫、氮化合物，酸度高、胶质含量高。

（1）焦油加氢。采用加氢改质工艺，可完成脱硫、不饱和烃饱和、脱氮反应、芳烃饱和，达到改善其安定性、降低硫含量和降低芳烃含量的目的，获得优质石脑油和燃料油。

（2）苯及苯的同系物加氢。粗苯是由多种芳烃和其他化合物组成的复杂混合物，无法直接利用，粗苯中主要组分是苯（55%-75%），甲苯（11%-22%），二甲苯（2.5%-6%），三甲苯和乙基甲苯（1%-2%），苯同系物总量约80%-95%。粗苯精制主要是提取粗苯中的苯、甲苯、二甲苯等产品。

4.精细化工氢能应用。我国20 世纪50 年代开始对催化加氢技术进行研究，1978 年成功开发了硝基苯气相催化加氢制成苯胺技术。催化加氢技术在精细化工生产中具有连续性操作、污染小、环境友好等优点，但是氢源的要求高、催化剂比较复杂甚至比较昂贵。主要应用如下：制备对氨基酚、邻氯苯胺、邻苯二胺、环丁烯砜催化加氢、脂肪叔胺。

5.其他工业化工方法氢能应用

（1）冶金工业氢能应用。在冶金工业中，氢气主要用作还原气，以便将金属氧化物还原成金属。氢气除了用于还原若干种金属氧化物以制取纯金属外，在高温锻压一些金属器材时，氢气作为保护气以使金属不被氧化。用氢气和氧气可进行焊接或金属、非金属的熔化，原子氢可用于最难熔的金属、高碳钢、耐腐蚀材料、有色金属等的熔融和焊接。

（2）电子工业氢能应用。在晶体的生长与衬底的制备、氧化工艺、外延工艺中以及化学气相淀积（CVD）技术中，均要用到氢气。半导体工业对气体纯度要求极高。纯氢和高纯氢是电子工业用氢的普遍标准。

（3）医药合成氢能应用。催化氢化包括氢化和氢解。现代药品的生产合成中大多需要进行催化加氢。用于麻醉的药品“普鲁卡因”是由对硝基甲苯做为起始原料合成的，其中重要的一步就是硝基氢化还原反应转为胺基；解热镇痛药氨基比林、非那西汀（对乙酰氨基苯乙醚）、扑热息痛中间体（对氨基苯酚）、咖啡因、阿托品的合成；其它医药合成工艺需要氢化催化的工艺流程还较多。

（4）食品加工工业氢能应用。许多天然食用油具有很大程度的不饱和性，经氢化处理后，所得产品可稳定贮存，并能抵抗细菌的生长，提高油的粘度。食用油加氢的产品可加工成人造奶油和食用蛋白质等。非食用油加氢可得到生产肥皂和畜牧业饲料的原料。