氢能源行业专题研究.docx

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1、氢能源行业专题研究1.氢能供应体系重塑氢的制取主要有三种较为成熟的技术路线。一是以煤炭、天然气为代表的化石能源重整制氢；二是以焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢为代表的工业副产气制氢；三是电解水制氢，主要包括碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢和固体氧化物电解水制氢。生物质直接制氢和太阳能光催化分解水制氢等技术路线仍处于实验和开发阶段，产收率有待进一步提升，尚未达到工业规模制氢要求。据中国氢能联盟，氢能产业发展初期（至2025年），作为燃料增量有限，工业副产制氢因成本较低，且接近消费市场，将以工业副产氢就近供给为主，同时积极推动可再生能源发电制氢规模化、生物制氢等多种技术研发示范;中期（2030年）

2、，将以可再生能源发电制氢、煤制氢配合CCS等大规模集中稳定供氢为主，工业副产氢为补充手段；远期（2050年），将以可再生能源发电制氢为主，煤制氢配合CCS技术、生物制氢和太阳能光催化分解水制氢等技术成为有效补充。氢能供应体系将逐步以绿氢为基础进行重塑。2023年，我国氢气产能约为4100万吨，产量约为3300万吨，其中化石能源制氢和工业副产氢为主，而绿氢在氢能供应结构中占比很小（电解水制氢占比仅为1%）。在消费侧，氢气主要作为原料用于化工（如合成甲醇、合成氨）、炼油等工业领域。着眼中长期，预计2060年我国氢气需求量1.3亿吨,氢能占终端能源消费的比重约为20%。在碳中和情景下，若基于目前以化

3、石能源制氢为主体的氢能供应体系，氢气生产的碳排放量预计为10亿吨/年，远高于碳汇所能中和的碳排放量。因此，在推动实现碳中和目标的过程中，氢能供应体系需逐步以绿氢为基础进行重塑，辅以加装碳捕集装络的化石能源制氢方式，才能改变氢能生产侧的高碳格局。图1当前氢流图(万吨)50(1%)氧C生产E(如介成甲也生产合计：3342J介成气、煤油)12810(841%):交通2(f0%)Ij53O(15Q.)II-:2 .国内外氢能制备的历程煤制氢历史悠久，通过气化技术将煤炭转化为合成气，再经水煤气变换分离处理以提取高纯度的氢气，是制备合成氨、甲醇、液体燃料、天然气等多种产品的原料。天然气制氢技术中，蒸汽重整

4、制氢较为成熟，也是国外主流制氢方式。工业副产氢气主要分布在钢铁、化工等行业，提纯利用其中的氢气，既能提高资源利用效率和经济效益，又可降低大气污染，改善环境。电解水技术来自于航天科技，最早是为了生产航空燃料。煤化工。煤气化制氢技术已有一百余年发展历史,可分为三代技术：第一代技术是德国在20世纪20-30年代开发的常压煤气化工艺，典型工艺包括碎煤加压气化1urgi炉的固定床工艺、常压Wink1er炉的流化床和常压KT炉的气流床等，这些工艺都以氧气为气化剂，实行连续操作，气化强度和冷煤气效率得到较大提高。第二代技术是20世纪70年代由德国、美国等国家在第一代技术的基础上开发的加压气化工艺。我国煤气化

5、制氢工艺主要用于合成氨的生产，多年来开发了一批具有自主知识产权的先进煤气化技术，如多喷嘴水煤浆气化技术、航天炉技术、清华炉技术等。第三代技术主要有煤催化气化、煤等离子体气化、煤太阳能气化和煤核能余热气化等,目前仍处于实验室研究阶段。天然气化工。世界上约有50个国家不同程度地发展了天然气化工。天然气化工比较发达的国家有美国、俄罗斯、加拿大等。美国发展天然气化工最早，产品品种和产量目前居首位。在世界合成氨产量中，约80%以天然气为原料。世界甲醇（甲醇生产以合成气为原料，合成气成分为H2和Co）生产中70%以天然气为原料。天然气为原料的乙烯装珞生产能力约占世界乙烯生产能力的32%o中国天然气化工始于

6、20世纪60年代初，现已初具规模，主要分布四川、黑龙江、辽宁等地。我国天然气制氢主要用于生产氮肥，其次是生产甲醇、甲醛、乙快等。电解水制氢。碱性水电解在20世纪前后开始实现碱性水电解制氢技术的工业化应用，在经历了单极性到双极性、小型到大型、常压型到加压型、手动控制到全自动控制的发展历程后，碱性水电解制氢技术已逐步进入成熟的工业化应用阶段。20世纪70年代起,质子交换膜（PEM）水电解制氢技术开始获得发展，并以其制氢效率高、设备集成化程度高及环境友好等特点成为水电解技术的研究重点，逐步实现从小型化到兆瓦级的发展。未来电解水制氢技术将成为主流。美国、日韩和欧洲均将电解水制氢技术视为未来的主流发展方

7、向，聚焦碱水制氢技术规模化和PEM制氢技术产业化，重点围绕“电解效率”、“耐久性”和“设备成本三个关键降本性能指标推进整体技术研发，电解水制氢成本结构与关键技术分析。目前，PEM制氢技术的瓶颈在于设备成本较高、寿命较低，且实际的电解效率还远低于理论效率（其制氢效率潜力有望超出碱水制氢技术），因此欧美发达国家正重点开展技术攻关以突破技术瓶颈，实现PEM制氢技术的更大发展。固体氧化物制氢技术采用水蒸气电解，高温环境下工作，理论能效最高，但该技术尚处于实验室研发阶段。3 .化石能源制氢向清洁低碳转型3.1 合成气+变换反应是化石能源制氢的核心基理合成气（CO+H2）是有机原料之一，也是氢气和一氧化碳

8、的来源。合成气（SyngaS）系指一氧化碳和氢气的混合气。合成气中H2与CO的比值随原料和生产方法的不同而异，其H2/C0的摩尔比为1/2至3/1。合成气是有机合成原料之一，也是氢气和一氧化碳的来源，在化学工业中有着重要作用。制造合成气的原料多样，许多含碳资源如煤、天然气、石油锵分、农林废料、城市垃圾等均可用来制造合成气。利用合成气可以转化成液体和气体燃料、大宗化学品和高附加值的精细有机合成产品，实现这种转化的重要技术是CI化工技术（凡包含一个碳原子的化合物，如CH4、CO、CO2、HCN、CHOH等参与反应的化学，称为C1化学，涉及C1化学反应的工艺过程和技术称为C1化工）。自从20世纪70

9、年代后期以来，C1化工得到世界各国较大重视，以天然气和煤炭为基础的合成气转化制备化工产品的研究广泛开展。变换反应进一步调节合成气（CO+H2）中的碳氢比，是工业制氢的重要反应。水煤气变换反应（WatergaSShift,英文缩写WGS）,是以CO和H20为原料，在催化剂的作用下生成H2和C02的过程。该反应是工业制氢过程中的一个重要反应，亦可用于调节合成气加工过程中的H2/C0比例，在合成氨、合成甲醇等传统工业领域及燃料电池领域均有广泛应用。一氧化碳变换反应是可逆放热反应，而且反应热随温度升高而减小。变换过程要看对合成气具体使用目的来决定取舍。变换是CO和H20反应生成H2和C02的过程，可增

10、加H2量，降低CO量，当需要CO含量高时，应取消变换过程，当需要Co含量低时，则要设辂变换过程。如果只需要H2而不需要Co时，需设路高温变换和低温变换以及脱除微量CO的过程。4116合成令/I一委看机修所卡要的H,ACO摩尔比*4J1tAHCO摩尔比*4J1MAHCOCOOCHCH2HQSMS2CO3HCHHOHiOV22CO*2H-CH1COOHV1乙2CO*3HHOCHjCHQH3/24CO4Hj-褐煤烟煤无烟煤。煤的综合利用可同时为能源、化工和冶金提供有价值的原料。煤化工加工路线主要有以下几种。(1)煤干储(coa1carbonization)o是在隔绝空气条件下加热煤,使其分解生成焦炭

11、、煤焦油、粗苯和焦炉气的过程。煤干馈过程又分为煤的高温干储和煤的低温干储两类。煤的高温干储(炼焦)：在炼焦炉中隔绝空气于900-1100进行的干馈过程。产生焦炭、焦炉气、粗苯、氨和煤焦油等。煤的低温干馈：在较低终温(500-600oC)下进行的干储过程，产生半焦、低温焦油和煤气等产物。煤干储也是工业副产氢的来源。(2)煤气化(coa1gasification)Q是指在高温(900-1300)下使煤、焦炭或半焦等固体燃料与气化剂反应，转化成主要含有H2、CO等气体的过程。生成的气体组成随固体燃料性质、气化剂种类、气化方法、气化条件的不同而有差别。气化剂主要是水蒸气、空气或氧气。煤干憎制取化工原料

12、只能利用煤中一部分有机物质，而气化则可利用煤中几乎全部含碳、氢的物质。煤气化生成的H2和CO是合成氨、合成甲醇以及C1化工的基本原料，还可用来合成甲烷，称为替代天然气(SNG),可作为城市煤气。煤气化是化石能源制氢的主要来源之一。(3)煤液化(COa11iqUefaCtion)。可分为直接液化和间接液化两类过程。煤的直接液化是采用加氢方法使煤转化为液态烧，所以又称为煤的加氢液化。液化产物亦称为人造石油，可进一步加工成各种液体燃料。加氢液化反应通常在高压高温下，经催化剂作用而进行。氢气通常用煤与水蒸气汽化制取。煤的直接液化氢耗高、压力高，因而能耗大，设备投资大，成本高。煤的间接液化是预先制成合成气，然后通过催