中国氢气的生产和应用现状与前景

中国氢气的生产和应用—现状与前景

朱起明魏俊梅徐柏庆

清华大学碳化工国家重点实验室 100084

1.前言

氢是公认的最洁净的燃料，也是重要的化工合成原料。但它不是一次能源，它是要从一次能源通过转换生产出来的能量载体。它又是一种气体燃料，在输送分配方面相对地存在着一定困难。中国又是一个以煤为主要一次能源的国家，所以，就要应用“环境、能效、经济”的生命周期研究方法，结合国情和地区的实际，用系统工程的眼光来全面地评估中国氢的生产和应用；要结合地区的实际，选择先进的技术，合理的方法来生产和应用氢，以获得最大的经济和环境效益。

出于此目的，我在这里对目前中国氢气的生产和应用的状况进行初步剖析，并对今后的发展提出很粗浅的看法，供大家研讨。

2.中国生产氢气和利用氢的基本状况：

1．氢的主要生产方法

目前氢气主要是作为一种中间产品而生产的。它是进一步化工合成加氢的重要原料。

它主要是由化石能源天然气（CH

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）、原油（烃）和煤作为原料和水蒸汽在高温下重整、

气化或烃类部分氧化转化生成。在转化过程中，化石能源中的碳首先变为CO（或CO

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）。

为了多得到氢，又通过水汽变换反应CO+H

2O＝H

2

+CO

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, 把把CO进一步转化为CO

2

。所

以，由化石能制氢就会排放CO

2。其CO

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排放量：煤>油>天然气，这是由原料的碳氢比

所决定的。氢也可由电解水（盐水）生产，但这是一种较昂贵的方法，一般是在特殊的生产目的下的副产品，例如氯碱工业；或是为了获得特殊需要的氢（如火箭燃料）。电解法制氢只有在利用水电或太阳能光解水时，才可以说是合理的。炼油厂和一些化工过程也会副产一些氢气，但这些都不是最主要的生产氢的方法。

2．氢的利用

在中国氢主要是作为化工合成的中间产品或原料，目前在中国氢作为直接产品或燃料的量是较少的。当前在中国氢是较贵和较缺的（相对于其它国家来说），主要是因为我国一次能源是以煤为主，煤比石油，天然气含氢量少，制氢过程就需要用更多的蒸汽，要消耗较多的能量。氢最大量的用处是在合成氨，世界上~60%的氢是用在合成氨上（~6´ 1012立方英尺）中国的比例更高。下一节将具体列出中国合成氨的产量和以煤、天然气和轻油为原料的比例。

为了改善环境的要求，目前对汽、柴油的质量要求在不断提高，炼油过程的加氢裂化和加氢精制过程，也需要应用大量的氢气，炼油厂重整等过程副产的氢气是远不够用的。有加氢裂化和加氢精制装置的厂，都需另加轻油蒸汽重整（或部分氧化）的制氢装置。

另一项较大量的氢气用处是利用合成气（CO/H

）合成甲醇。在一些技术发达的国家，

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烯烃的量有限，合成MTBE 甲醇主要是用来生产MTBE作为汽油的添加剂。在中国由于C

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消耗甲醇量的比例不是很高。甲醇既是重要的化工原料，本身也是一种很好的发动机

化工产品。开辟甲醇的应用范围和其下游产品，将对燃料。因此，甲醇是最重要的C

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优化利用化石能源起到重要作用。

/CO）的重要方面。例如OXO反应可以从烯烃生一碳化工过程将是利用氢气（合成气H

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产醛和进一步加氢生产醇（重要的增塑剂）。从合成气也可直接或间接合成液体燃料、烯烃和其它重要的含氧化合物（除了甲醇以外的其它醇、醋酸、醋酐、二甲醚、甲酸、甲酸甲酯等等）。

氢气也是其它有机化合物加氢过程的原料。煤的直接液化过程就需要大量的氢作为中间原料。煤的间接液化（F-T合成）、甲烷化反应，也都需要大量的氢气。

液氢是中国火箭推进的主要燃料。

由于燃料电池技术新的发展，氢气作为燃料电池的燃料，展现了极广泛的和潜在的市场。如何从规划及技术上准备和迎接这一必然要到来的发展，将是一项极为重大的事情。

3．中国氢气生产和应用的一些具体数字和分析

(1)化肥生产中氢的生产利用

表一合成氨产量（万吨）

1995年中国化肥生产达历史最好水平，全国生产化肥2481.1万吨（折纯）其中氮肥1857.3万吨；磷肥601.5万吨；钾肥22.3万吨。由于进口化肥的影响，1996、1997年产量略减。

由表二可见，氮肥中主要是尿素和碳酸氢铵（小型厂生产为主）。尿素和碳酸氢铵的生产过程，都可以部分（50%左右）回收利用造气过程所产生的CO

，中国在生产化肥

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的回收利用的。

的过程，历来都是比较重视 CO

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由中国合成氨的生产量，我们可以粗略估计出，用在~27´ 106t/a合成氨上的氢量，约在5´ 106t/a。

表三给出了中国不同原料合成氨产品的构成; 表四给出了中国氮肥生产一次能源成。从表中可见，目前以煤和焦炭为原料占了大部分，天然气只占18.6%左右。氮肥行业1995年消耗天然气量为52.6亿立方米，主要集中在一些年产量急30万吨合成氨的大型厂。

表二 1995年氮肥品种的构成（万吨）

表三中国不同原料合成氨产品构成

表四氮肥生产一次能源构成

而在此期间化肥的产需比约在65~70%之间，1995年仍进口了1080万吨化肥。

中国目前合成氨厂平均单位产品的能耗是比较高的。相对比较，以天然气为原料的大型厂，能耗较低，而且建厂投资较低。它的能耗为煤头的0.6~0.7倍。

表五不同原料合成氨厂的平均单位产品能耗值

而目前新建大型合成氨厂能耗设计值。应该是，天然气为原料的28GJ/t；渣油为

新建大型氮肥厂（30´ 104t/a氨,52´ 104t/a尿素）投资38.1GJ/t；煤48.15 GJ/t NH

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大体为，天然气24亿元，渣油 32亿元, 水煤浆42亿元。单纯从投资看，是以天然气为原料最低。但如再考虑到原料价格，将对生产成本产生新的影响，其初步分析结果如表六。

表六原料价格对生产成本的影响

从表六可见，如果天然气价格比较低时，生产成本则最低，由于中国某些富煤地区，煤价较低，煤头的生产成本还是比较有竞争力的。