我国氢气生产和利用现状及展望

韩红梅，杨 铮，王 敏，刘思明，温 倩，田桂丽，王宇博

(石油和化学工业规划院，北京市东城区，100013)

0 引言

氢是宇宙中最丰富的元素之一，在地球上主要以水、碳氢化合物和各类有机化合物等化合态的形式存在。氢的赋存形态多样且密度较低，不能直接得到有效利用，必须通过加工、提取，使其成为能量密度更高的二次能源载体，才能应用于现代文明社会。目前氢气已经广泛应用于化工、电子、冶金、能源、航空航天以及交通等诸多领域[1]，当今经济社会主要利用化石能源作为原料制备氢，再作为化工、冶金等生产过程物料加以利用。面向21世纪，氢气作为人类可持续发展的清洁可再生能源，将同时具有工业原料和能源产品的双重属性。当用作工业原料时，氢气将广泛应用于化工、冶金等行业；当作为能源产品时，氢气将以替代石油、天然气等化石能源为最终目标，广泛应用于交通运输、民用、航空航天、储能等领域，可作为全球降低二氧化碳排放、尽早实现碳中和的重要能源载体。

当前工业领域氢气生产利用的主要特点为：一是利用化石燃料制氢；二是主要用于生产化工产品或钢铁；三是不需长期储存或对外运输(极少数需求情景除外)；四是低成本；五是产品质量依下游需求而定。

相比于工业氢气生产利用的方式，氢能生产利用的主要特点为：一是要求可再生能源制氢，以绿氢来实现来源无碳化；二是能源利用路线以氢燃料电池路线为主，追求过程高效化；三是应用领域广泛，可以用于移动交通领域，可以用于固定用能场景，可以作为工业生产脱碳的工具，还可以作为储能介质；四是基于其制用场景分离、应用广泛分散的特点，需要考虑的问题是氢的近、中、远途储运；五是用于移动交通领域时，需要建设加氢基础设施；六是基于可再生能源本身受自然条件影响大、波动性大等特点，需要考虑绿氢生产与电源、电网、储能、用户需求等多方面的衔接；七是燃料电池路线的氢气质量要求高，水、总烃、氧、氦、总氮、氩、二氧化碳、一氧化碳、总硫、甲醛、甲酸、总卤化物等单质杂质的最大浓度要求非常严格；八是应用初期成本较高，需要通过大幅的技术进步促进成本降低。

基于上述氢能利用的新特点和新要求，氢能应用必须以技术创新为引领，攻克质量要求高、储运难、成本高、应用市场需培育等诸多难关，才能真正为能源革命作出贡献。我国氢能利用刚刚起步，既有化石燃料制氢的产业基础，也面临绿氢供应、氢储运路径选择、相关基础设施建设、氢燃料电池技术装备突破等诸多挑战。我国发展氢能产业必须实事求是、客观冷静、积极创新，以氢能技术创新突破为引领，稳妥推进产业化应用。氢能产业发展初期，依托现有氢气产能就近提供便捷廉价的氢源，支持氢能中下游产业的发展，降低氢能产业的起步难度具有积极的现实意义。面向未来的发展，当绿氢逐渐成为稳定、足量且低价的氢源时，其在推进工业脱碳过程技术应用中将会发挥更好的作用。

因此，笔者重点分析了我国石化化工行业氢气生产利用现状，简要分析了我国车用氢能的生产利用现状。结合我国氢能利用前景展望，提出工业氢气与氢能相互协作、共同发展的建议。

1 我国氢气生产利用现状

1.1 石化化工行业氢气生产利用现状

当前国内外氢气主要是在石化化工行业得到较为广泛的生产和利用，氢气作为中间原料，用于生产多种化工产品。我国石化化工行业主要涉氢的行业包括煤化工、天然气化工、石油化工、焦炉气化工、氯碱化工、精细化工等，主要产品有合成氨、过氧化氢(双氧水)等无机化工产品，甲醇、烯烃、乙二醇等有机化工产品，成品油、合成天然气等能源化工产品，还有多种精细化工、化工新材料等产品。根据对石化化工行业主要涉氢产品生产能力的统计，当前我国石化化工行业氢气总产能约为4 000万t，氢气产量约3 300万t。

1.1.1氢气用途

从氢气的用途来看，最大应用领域是作为生产合成氨中间原料，氢气产能占比约为30%；二是生产甲醇(包括煤经甲醇制烯烃)的中间原料，氢气产能占比约为28%；三是焦炭和兰炭副产氢的综合利用，占比约为15%(已扣除制氨醇，避免重复计算)；四是炼厂用氢，占比约为12%；五是现代煤化工范畴内的煤间接液化、煤直接液化、煤制天然气、煤制乙二醇的中间原料氢气，占比约为10%；其他方式氢气利用占比约为5%。

1.1.2生产原料

从氢气的生产原料构成来看，我国氢源以煤为主，占比约为59%；其次是高温焦化和中低温焦化(兰炭、半焦)副产煤气中的氢，占比约为20%；三是天然气制氢和炼厂干气制氢，占比约为16%；其余是甲醇制氢、烧碱电解副产氢、轻质烷烃制烯烃副产尾气含氢等。

1.1.3生产形式

从生产形式来看，独立的制氢装置主要存在于炼油、煤焦油加工等生产过程中，炼油厂内主要采用煤制氢、天然气(或炼厂干气)制氢或甲醇制氢，煤焦油加工厂一般为焦炉气制氢。部分综合型化工厂采用变压吸附(PSA)制氢装置，为生产下游产品提供氢气。对于煤、天然气或焦炉气制合成氨或制甲醇，煤(甲醇)制烯烃、煤制乙二醇、煤制油品、煤制合成天然气等，氢气作为生产过程的中间原料而存在，而不是由独立的制氢装置生产。氨合成装置或甲醇合成装置可以根据需要配套氢回收装置，回收副产氢气。烧碱的生产过程产生大量氢气，对于下游配套聚氯乙烯装置的工厂，氢气与氯气生成氯乙烯、继而再生产聚氯乙烯；对于独立的烧碱装置，副产氢气一般配套双氧水或精细氯加工产品，需要消耗一部分氢气，且少量副产氢气未得到有效利用。

1.1.4工业副产氢

从工业副产氢的角度来看，除上述提到的合成氨装置、甲醇合成装置、烧碱装置等以外，最大量的工业副产氢存在于高温焦化副产焦炉气和兰炭副产荒煤气中。焦化副产焦炉气的氢含量达55%～60%，目前焦炉气制合成氨、甲醇、LNG(直接提取LNG)、乙二醇或氢气等产品及焦炉气发电已得到广泛应用，少量焦炉气作为工业燃气利用。兰炭副产荒煤气的氢含量约为23%～25%，目前部分提氢用于中低温焦油加工，部分用于发电，部分用作工业燃气。

1.1.5生产成本

从生产成本的角度来看[2]，工业氢气的价格与生产氢气主要原材料的价格水平、生产规模、生产过程消耗以及项目投资等均有直接关系。按照我国典型的制氢技术水平，在保证基准收益的前提下，煤制氢对应的原煤价格为300～800元/t，氢气价格约为10～15元/kg；天然气制氢对应天然气价格为1～2元/Nm3，氢气价格约为15～20元/kg；甲醇制氢对应的甲醇价格为2 000～3 000元/t，氢气价格约为15～18元/kg；副产焦炉气制氢价格一般不高于12元/kg，烧碱副产氢等价格一般不高于18元/kg。总体上，工业氢气价格相对较低，以满足工业生产大宗基础产品的成本控制要求。

1.2 钢铁行业氢气生产利用现状

在钢铁工业中[3]，副产的焦炉煤气中含氢为55%～60%，高炉煤气含氢为1%～4%，转炉煤气含氢为0.2%～0.3%，另外利用COREX技术(熔融还原法)在生产铁水过程中产生的煤气含氢为10%～30%。上述焦炉煤气的含氢量已与焦化合并统计。目前我国钢铁行业每年生产约1 400万t的含氢副产品，其中高炉炼铁使用约为900万t/a，电炉炼铁消耗约为400万t/a。

1.3 车用氢能生产利用现状

现阶段我国氢能利用以车用氢能为主，处于刚刚起步的初期示范阶段。据不完全统计，截至2020年底，我国燃料电池车约有8 000辆，车型以公交大巴车、轻卡、物流车为主；已建成加氢站约120座，已投入运营约86座；初步估计，车用氢能用量不足1万t。

车用氢能供应方式多样，为保证氢气质量要求，大多来自于电解水制氢，以高压氢气的方式运送至加氢站。部分加氢站依托石化氢气，就近由管道运至加氢站，例如上海中石化加氢站、兖矿济宁综合能源补给站。由于用量少、运输距离远、高压氢气运费高等多种原因，车用氢气价格在加氢站一般不低于60元/kg。

2 我国氢气生产利用展望

2.1 化工氢气生产利用仍将持续稳步增长

石化化工行业是与国民经济密切相关的基础性行业，其产品需求随全社会国民经济发展而发展。面向未来10年，石化化工行业的产品需求总体上仍将稳步增长，但生产结构和产品结构会有一定调整，对氢气需求产生一定影响。例如炼化行业“减油增化”、成品油生产比例下降将降低氢气需求，化工产品生产比例提高将促进氢气需求；农用氮肥需求稳中有降，工业氮肥需求稳中有升，预计对氢气需求相对稳定或有小幅变化；甲醇化工和甲醇燃料应用仍将增长，中间氢气产能产量相应增长；其它大多数用氢产品(己内酰胺、过氧化氢、精细化工等)产能仍将增长，对氢气的需求相应增长。上述变化对氢气需求的影响不同，总体上预计将会促进氢气需求增长。

2.2 钢铁行业氢气需求结构面临调整

根据国家有关“钢铁行业去产能”“确保粗钢产量同比下降”的要求、以及废钢回收和氢气直接还原铁等技术逐步推广，预计未来基于传统高炉炼铁所需要的焦化产能将有所下降，焦化副产氢相应下降；基于氢气直接还原铁技术的氢气需求或将得到突破性增长。

2.3 “工业+绿氢”将在石化和钢铁行业开展示范

石化工业和钢铁工业是氢气最大的应用领域，现在是未来也是。绿氢促进工业脱碳意义重大，效果也将更加明显。

随着我国光伏发电和风力发电成本不断下降，西北“绿电”价格已低于0.2元/(kW·h)，初步具备提供“工业绿氢”的经济性。西北地区落实“碳减排、碳中和”使命，率先开展“绿氢+煤化工”示范具有积极意义。当前已有煤化工项目积极谋划以绿氢作为原料，加入煤化工生产过程、提高碳原子经济利用、降低二氧化碳排放的技术方案；还有绿氢制合成氨而生产“绿氨”、绿氢制甲醇而生产“绿醇”等技术方案也在开展。预计未来10年，上述技术示范将获得突破。

基于氢气的直接还原技术是用氢替换碳作为炼铁还原剂，使炼铁工序中产生水，而不是二氧化碳，从而大幅减少温室气体排放，被视为钢铁工业的绿色生产方法。据公开资料报道，2019年，中核集团与清华大学、宝武集团等国内主要相关单位启动开展核能制氢与氢能冶金结合的前期合作。多位专家认为，核能制氢与氢能冶金已经具备基础条件[4]，预计未来钢铁行业将联合核能制氢开展行业融合示范。

2.4 车用氢能示范性应用将小幅促进氢气需求增长

车用氢能作为解决移动交通脱碳的方式，是氢能利用的热点和焦点。基于该方向的复杂性和众多条件要求[5]，《节能与新能源汽车技术路线图2.0版》中提出，2035年氢燃料电池汽车保有量将达到100万辆左右，商用车实现氢动力转型。因此，预计到2035年，车用氢能应用仍处于起步示范阶段；按照商用车为主预测，车用氢能需求量将不超过400万t。

考虑到车用氢能对氢气储运、氢气加注基础设施(加氢站)建设、氢燃料电池性能和氢燃料电池车的成本造价等存在的诸多要求，尤其是燃料电池核心技术装备和经济性与商业化要求差距非常大，这才是车用氢能是否可行的最重要因素。建议在车用氢能起步、氢气用量较少的阶段，不必过于强调氢气“颜色”，无论是“灰氢”“蓝氢”还是“绿氢”，只要满足氢燃料电池的质量要求，都可以作为氢源利用。就近获得氢气、构建极简氢能供应路径，是车用氢能初期发展的适宜方式。

依托现有工厂制氢作为氢源，也需要考虑众多影响因素。一是必须重视工业氢的纯化质量，工业氢必须纯化、达到燃料电池氢质量标准要求，否则杂质含量高，将影响燃料电池的性能和寿命，为此需要进行燃料电池氢质量检测攻关，提高检测设备的技术水平。二是要考虑工业氢的供应稳定可靠性，需要落实具体的工业氢主体企业的可持续性，协调现有工厂连续性生产和车用氢能间歇性需求的关系。三是要考虑空间位置限制和运输半径限制，例如我国化工企业有数千家，化工园区(或以化工为主的开发区、高新区等)600余个，化工厂空间位置固定而车辆要移动，导入期加氢站网络尚未形成时，化工厂对车用氢能的支撑范围受限，支撑效果受到制约；有的化工厂地处偏远地区，所在地区或城市未必有经济实力或有意愿发展车用氢能；四是要考虑合作意愿，以化工为例，增加车用氢能产品时，化工厂需增加氢气储存和提纯设备投资，必然有部分出于各种原因不愿意投资，车用氢是间歇性需求，而化工生产是连续性的，二者可能会出现不同步的情况。因此，如果车用氢能需求量过小，将影响化工企业投资意愿。

为降低氢气储运难度和储运费用，宜考虑选用加氢站现场制氢设施。天然气制氢或甲醇制氢甚至氨分解制氢均可以实现小型化，适用于加氢站制氢能力；“运成熟原料”代替“运氢”，有利于改善储运经济性。当然，电解水制氢也适用于加氢站现场制氢，尽管目前不能做到绿电现场制氢，但作为试验示范、提高现场制氢技术水平，有利于为将来“分布式”制氢做好技术准备。现场制氢仍需要有关政策的支持，突破制氢设施的属性管理等制约。

3 结语

工业是我国氢气生产利用的主要领域，氢气用量大且成本低，目前是以化石能源制氢作为主要供应方式，未来发展中绿氢对促进工业脱碳将会具有更加积极的作用。绿氢工业化应用的关键点在于协调绿氢供应稳定性、扩大绿氢供应量、降低绿氢成本。

以车用氢能为主的氢能利用正在兴起，但发展初期阶段定位尚不明确，技术进步水平和速度尚难以考量。我国发展氢能产业，应结合我国的资源、能源、经济、技术等国情特点，从易到难、由点到面，抓住分阶段重点，分层次、有序开展氢能相关基础研究和产业化，特别要注意避免一哄而上、急于求成、技术不成熟时大建工程而造成投资浪费。氢能产业初期的高质量发展，重点就是抓住主要矛盾，集中核心力量攻克关键问题，打通瓶颈，以尽可能少的代价探索出真正适合我国的氢能发展之路。