韓紅梅，楊 錚，王 敏，劉思明，溫 倩，田桂麗，王宇博

(石油和化學(xué)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?xì)浠衔锖透黝愑袡C(jī)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(yīng)用于現(xiàn)代文明社會。目前氫氣已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化工、電子、冶金、能源、航空航天以及交通等諸多領(lǐng)域[1]，當(dāng)今經(jīng)濟(jì)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(chǎn)過程物料加以利用。面向21世紀(jì)，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(chǎn)品的雙重屬性。當(dāng)用作工業(yè)原料時，氫氣將廣泛應(yīng)用于化工、冶金等行業(yè)；當(dāng)作為能源產(chǎn)品時，氫氣將以替代石油、天然氣等化石能源為最終目標(biāo)，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、民用、航空航天、儲能等領(lǐng)域，可作為全球降低二氧化碳排放、盡早實現(xiàn)碳中和的重要能源載體。

當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域氫氣生產(chǎn)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(chǎn)化工產(chǎn)品或鋼鐵；三是不需長期儲存或?qū)ν膺\(yùn)輸(極少數(shù)需求情景除外)；四是低成本；五是產(chǎn)品質(zhì)量依下游需求而定。

相比于工業(yè)氫氣生產(chǎn)利用的方式，氫能生產(chǎn)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(xiàn)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(yīng)用領(lǐng)域廣泛，可以用于移動交通領(lǐng)域，可以用于固定用能場景，可以作為工業(yè)生產(chǎn)脫碳的工具，還可以作為儲能介質(zhì)；四是基于其制用場景分離、應(yīng)用廣泛分散的特點，需要考慮的問題是氫的近、中、遠(yuǎn)途儲運(yùn)；五是用于移動交通領(lǐng)域時，需要建設(shè)加氫基礎(chǔ)設(shè)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(chǎn)與電源、電網(wǎng)、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(zhì)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(zhì)雜質(zhì)的最大濃度要求非常嚴(yán)格；八是應(yīng)用初期成本較高，需要通過大幅的技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)成本降低。

基于上述氫能利用的新特點和新要求，氫能應(yīng)用必須以技術(shù)創(chuàng)新為引領(lǐng)，攻克質(zhì)量要求高、儲運(yùn)難、成本高、應(yīng)用市場需培育等諸多難關(guān)，才能真正為能源革命作出貢獻(xiàn)。我國氫能利用剛剛起步，既有化石燃料制氫的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，也面臨綠氫供應(yīng)、氫儲運(yùn)路徑選擇、相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、氫燃料電池技術(shù)裝備突破等諸多挑戰(zhàn)。我國發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)必須實事求是、客觀冷靜、積極創(chuàng)新，以氫能技術(shù)創(chuàng)新突破為引領(lǐng)，穩(wěn)妥推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，依托現(xiàn)有氫氣產(chǎn)能就近提供便捷廉價的氫源，支持氫能中下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，降低氫能產(chǎn)業(yè)的起步難度具有積極的現(xiàn)實意義。面向未來的發(fā)展，當(dāng)綠氫逐漸成為穩(wěn)定、足量且低價的氫源時，其在推進(jìn)工業(yè)脫碳過程技術(shù)應(yīng)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(chǎn)利用現(xiàn)狀，簡要分析了我國車用氫能的生產(chǎn)利用現(xiàn)狀。結(jié)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(chǎn)利用現(xiàn)狀

1.1 石化化工行業(yè)氫氣生產(chǎn)利用現(xiàn)狀

當(dāng)前國內(nèi)外氫氣主要是在石化化工行業(yè)得到較為廣泛的生產(chǎn)和利用，氫氣作為中間原料，用于生產(chǎn)多種化工產(chǎn)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?fàn)t氣化工、氯堿化工、精細(xì)化工等，主要產(chǎn)品有合成氨、過氧化氫(雙氧水)等無機(jī)化工產(chǎn)品，甲醇、烯烴、乙二醇等有機(jī)化工產(chǎn)品，成品油、合成天然氣等能源化工產(chǎn)品，還有多種精細(xì)化工、化工新材料等產(chǎn)品。根據(jù)對石化化工行業(yè)主要涉氫產(chǎn)品生產(chǎn)能力的統(tǒng)計，當(dāng)前我國石化化工行業(yè)氫氣總產(chǎn)能約為4 000萬t，氫氣產(chǎn)量約3 300萬t。

1.1.1氫氣用途

從氫氣的用途來看，最大應(yīng)用領(lǐng)域是作為生產(chǎn)合成氨中間原料，氫氣產(chǎn)能占比約為30%；二是生產(chǎn)甲醇(包括煤經(jīng)甲醇制烯烴)的中間原料，氫氣產(chǎn)能占比約為28%；三是焦炭和蘭炭副產(chǎn)氫的綜合利用，占比約為15%(已扣除制氨醇，避免重復(fù)計算)；四是煉廠用氫，占比約為12%；五是現(xiàn)代煤化工范疇內(nèi)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(chǎn)原料

從氫氣的生產(chǎn)原料構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)氫、輕質(zhì)烷烴制烯烴副產(chǎn)尾氣含氫等。

1.1.3生產(chǎn)形式

從生產(chǎn)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(chǎn)過程中，煉油廠內(nèi)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?fàn)t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(chǎn)下游產(chǎn)品提供氫氣。對于煤、天然氣或焦?fàn)t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(chǎn)過程的中間原料而存在，而不是由獨立的制氫裝置生產(chǎn)。氨合成裝置或甲醇合成裝置可以根據(jù)需要配套氫回收裝置，回收副產(chǎn)氫氣。燒堿的生產(chǎn)過程產(chǎn)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(chǎn)聚氯乙烯；對于獨立的燒堿裝置，副產(chǎn)氫氣一般配套雙氧水或精細(xì)氯加工產(chǎn)品，需要消耗一部分氫氣，且少量副產(chǎn)氫氣未得到有效利用。

1.1.4工業(yè)副產(chǎn)氫

從工業(yè)副產(chǎn)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(chǎn)氫存在于高溫焦化副產(chǎn)焦?fàn)t氣和蘭炭副產(chǎn)荒煤氣中。焦化副產(chǎn)焦?fàn)t氣的氫含量達(dá)55%～60%，目前焦?fàn)t氣制合成氨、甲醇、LNG(直接提取LNG)、乙二醇或氫氣等產(chǎn)品及焦?fàn)t氣發(fā)電已得到廣泛應(yīng)用，少量焦?fàn)t氣作為工業(yè)燃?xì)饫?。蘭炭副產(chǎn)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?xì)狻?/p>

1.1.5生產(chǎn)成本

從生產(chǎn)成本的角度來看[2]，工業(yè)氫氣的價格與生產(chǎn)氫氣主要原材料的價格水平、生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)過程消耗以及項目投資等均有直接關(guān)系。按照我國典型的制氫技術(shù)水平，在保證基準(zhǔn)收益的前提下，煤制氫對應(yīng)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(yīng)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(yīng)的甲醇價格為2 000～3 000元/t，氫氣價格約為15～18元/kg；副產(chǎn)焦?fàn)t氣制氫價格一般不高于12元/kg，燒堿副產(chǎn)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(chǎn)大宗基礎(chǔ)產(chǎn)品的成本控制要求。

1.2 鋼鐵行業(yè)氫氣生產(chǎn)利用現(xiàn)狀

在鋼鐵工業(yè)中[3]，副產(chǎn)的焦?fàn)t煤氣中含氫為55%～60%，高爐煤氣含氫為1%～4%，轉(zhuǎn)爐煤氣含氫為0.2%～0.3%，另外利用COREX技術(shù)(熔融還原法)在生產(chǎn)鐵水過程中產(chǎn)生的煤氣含氫為10%～30%。上述焦?fàn)t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(chǎn)約1 400萬t的含氫副產(chǎn)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(chǎn)利用現(xiàn)狀

現(xiàn)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(jù)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(yùn)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(yīng)方式多樣，為保證氫氣質(zhì)量要求，大多來自于電解水制氫，以高壓氫氣的方式運(yùn)送至加氫站。部分加氫站依托石化氫氣，就近由管道運(yùn)至加氫站，例如上海中石化加氫站、兗礦濟(jì)寧綜合能源補(bǔ)給站。由于用量少、運(yùn)輸距離遠(yuǎn)、高壓氫氣運(yùn)費(fèi)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(chǎn)利用展望

2.1 化工氫氣生產(chǎn)利用仍將持續(xù)穩(wěn)步增長

石化化工行業(yè)是與國民經(jīng)濟(jì)密切相關(guān)的基礎(chǔ)性行業(yè)，其產(chǎn)品需求隨全社會國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展而發(fā)展。面向未來10年，石化化工行業(yè)的產(chǎn)品需求總體上仍將穩(wěn)步增長，但生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)會有一定調(diào)整，對氫氣需求產(chǎn)生一定影響。例如煉化行業(yè)“減油增化”、成品油生產(chǎn)比例下降將降低氫氣需求，化工產(chǎn)品生產(chǎn)比例提高將促進(jìn)氫氣需求；農(nóng)用氮肥需求穩(wěn)中有降，工業(yè)氮肥需求穩(wěn)中有升，預(yù)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(yīng)用仍將增長，中間氫氣產(chǎn)能產(chǎn)量相應(yīng)增長；其它大多數(shù)用氫產(chǎn)品(己內(nèi)酰胺、過氧化氫、精細(xì)化工等)產(chǎn)能仍將增長，對氫氣的需求相應(yīng)增長。上述變化對氫氣需求的影響不同，總體上預(yù)計將會促進(jìn)氫氣需求增長。

2.2 鋼鐵行業(yè)氫氣需求結(jié)構(gòu)面臨調(diào)整

根據(jù)國家有關(guān)“鋼鐵行業(yè)去產(chǎn)能”“確保粗鋼產(chǎn)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(shù)逐步推廣，預(yù)計未來基于傳統(tǒng)高爐煉鐵所需要的焦化產(chǎn)能將有所下降，焦化副產(chǎn)氫相應(yīng)下降；基于氫氣直接還原鐵技術(shù)的氫氣需求或?qū)⒌玫酵黄菩栽鲩L。

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(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)在是未來也是。綠氫促進(jìn)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(fēng)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(jīng)濟(jì)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(dāng)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(chǎn)過程、提高碳原子經(jīng)濟(jì)利用、降低二氧化碳排放的技術(shù)方案；還有綠氫制合成氨而生產(chǎn)“綠氨”、綠氫制甲醇而生產(chǎn)“綠醇”等技術(shù)方案也在開展。預(yù)計未來10年，上述技術(shù)示范將獲得突破。

基于氫氣的直接還原技術(shù)是用氫替換碳作為煉鐵還原劑，使煉鐵工序中產(chǎn)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(chǎn)方法。據(jù)公開資料報道，2019年，中核集團(tuán)與清華大學(xué)、寶武集團(tuán)等國內(nèi)主要相關(guān)單位啟動開展核能制氫與氫能冶金結(jié)合的前期合作。多位專家認(rèn)為，核能制氫與氫能冶金已經(jīng)具備基礎(chǔ)條件[4]，預(yù)計未來鋼鐵行業(yè)將聯(lián)合核能制氫開展行業(yè)融合示范。

2.4 車用氫能示范性應(yīng)用將小幅促進(jìn)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?fù)雜性和眾多條件要求[5]，《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0版》中提出，2035年氫燃料電池汽車保有量將達(dá)到100萬輛左右，商用車實現(xiàn)氫動力轉(zhuǎn)型。因此，預(yù)計到2035年，車用氫能應(yīng)用仍處于起步示范階段；按照商用車為主預(yù)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(yùn)、氫氣加注基礎(chǔ)設(shè)施(加氫站)建設(shè)、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(shù)裝備和經(jīng)濟(jì)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(qiáng)調(diào)氫氣“顏色”，無論是“灰氫”“藍(lán)氫”還是“綠氫”，只要滿足氫燃料電池的質(zhì)量要求，都可以作為氫源利用。就近獲得氫氣、構(gòu)建極簡氫能供應(yīng)路徑，是車用氫能初期發(fā)展的適宜方式。

依托現(xiàn)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(zhì)量，工業(yè)氫必須純化、達(dá)到燃料電池氫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，否則雜質(zhì)含量高，將影響燃料電池的性能和壽命，為此需要進(jìn)行燃料電池氫質(zhì)量檢測攻關(guān)，提高檢測設(shè)備的技術(shù)水平。二是要考慮工業(yè)氫的供應(yīng)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(diào)現(xiàn)有工廠連續(xù)性生產(chǎn)和車用氫能間歇性需求的關(guān)系。三是要考慮空間位置限制和運(yùn)輸半徑限制，例如我國化工企業(yè)有數(shù)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(dǎo)入期加氫站網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)地區(qū)，所在地區(qū)或城市未必有經(jīng)濟(jì)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(chǎn)品時，化工廠需增加氫氣儲存和提純設(shè)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(chǎn)是連續(xù)性的，二者可能會出現(xiàn)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(yùn)難度和儲運(yùn)費(fèi)用，宜考慮選用加氫站現(xiàn)場制氫設(shè)施。天然氣制氫或甲醇制氫甚至氨分解制氫均可以實現(xiàn)小型化，適用于加氫站制氫能力；“運(yùn)成熟原料”代替“運(yùn)氫”，有利于改善儲運(yùn)經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)然，電解水制氫也適用于加氫站現(xiàn)場制氫，盡管目前不能做到綠電現(xiàn)場制氫，但作為試驗示范、提高現(xiàn)場制氫技術(shù)水平，有利于為將來“分布式”制氫做好技術(shù)準(zhǔn)備。現(xiàn)場制氫仍需要有關(guān)政策的支持，突破制氫設(shè)施的屬性管理等制約。

3 結(jié)語

工業(yè)是我國氫氣生產(chǎn)利用的主要領(lǐng)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(yīng)方式，未來發(fā)展中綠氫對促進(jìn)工業(yè)脫碳將會具有更加積極的作用。綠氫工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵點在于協(xié)調(diào)綠氫供應(yīng)穩(wěn)定性、擴(kuò)大綠氫供應(yīng)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(shù)進(jìn)步水平和速度尚難以考量。我國發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，應(yīng)結(jié)合我國的資源、能源、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)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(guān)基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化，特別要注意避免一哄而上、急于求成、技術(shù)不成熟時大建工程而造成投資浪費(fèi)。氫能產(chǎn)業(yè)初期的高質(zhì)量發(fā)展，重點就是抓住主要矛盾，集中核心力量攻克關(guān)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。