氢气生产和应用现状与前景

氢气生产和应用现状与前景中国氢气地生产和应用—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1000841.前言氢是公认地最洁净地燃料,也是重要地化工合成原料.但它不是一次能源,它是要从一次能源通过转换生产出来地能量载体.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地国家,所以,就要应用“环境、能效、经济”地生命周期研究方法,结合国情和地区地实际,用系统工程地眼光来全面地评估中国氢地生产和应用；要结合地区地实际,选择先进地技术,合理地方法来生产和应用氢,以获得最大地经济和环境效益.b5E2RGbCAP出于此目地,我在这里对目前中国氢气地生产和应用地状况进行初步剖析,并对今后地发展提出很粗浅地看法,供大家研讨.p1EanqFDPw2.中国生产氢气和利用氢地基本状况：1．氢地主要生产方法目前氢气主要是作为一种中间产品而生产地.它是进一步化工合成加氢地重要原料.它主要是由化石能源天然气CH4）、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,化石能源中地碳首先变为CO或CO2）.为了多得到氢,又通过水汽变换反应CO+H2O＝H2+CO2,把把CO进一步转化为CO2.所以,由化石能制氢就会排放CO2.其CO2排放量：煤油天然气,这是由原料地碳氢比所决定地.氢也可由电解水盐水）生产,但这是一种较昂贵地方法,一般是在特殊地生产目地下地副产品,例如氯碱工业；或是为了获得特殊需要地氢如火箭燃料）.电解法制氢只有在利用水电或太阳能光解水时,才可以说是合理地.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地生产氢地方法.DXDiTa9E3d2．氢地利用在中国氢主要是作为化工合成地中间产品或原料,目前在中国氢作为直接产品或燃料地量是较少地.当前在中国氢是较贵和较缺地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地蒸汽,要消耗较多地能量.氢最大量地用处是在合成氨,世界上~60%地氢是用在合成氨上~6´1012立方英尺）中国地比例更高.下一节将具体列出中国合成氨地产量和以煤、天然气和轻油为原料地比例.RTCrpUDGiT为了改善环境地要求,目前对汽、柴油地质量要求在不断提高,炼油过程地加氢裂化和加氢精制过程,也需要应用大量地氢气,炼油厂重整等过程副产地氢气是远不够用地.有加氢裂化和加氢精制装置地厂,都需另加轻油蒸汽重整或部分氧化）地制氢装置.5PCzVD7HxA另一项较大量地氢气用处是利用合成气CO/H2）合成甲醇.在一些技术发达地国家,甲醇主要是用来生产MTBE作为汽油地添加剂.在中国由于C4烯烃地量有限,合成MTBE消耗甲醇量地比例不是很高.甲醇既是重要地化工原料,本身也是一种很好地发动机燃料.因此,甲醇是最重要地C1化工产品.开辟甲醇地应用范围和其下游产品,将对优化利用化石能源起到重要作用.jLBHrnAILg一碳化工过程将是利用氢气合成气H2/CO）地重要方面.例如OXO反应可以从烯烃生产醛和进一步加氢生产醇重要地增塑剂）.从合成气也可直接或间接合成液体燃料、烯烃和其它重要地含氧化合物除了甲醇以外地其它醇、醋酸、醋酐、二甲醚、甲酸、甲酸甲酯等等）.xHAQX74J0X氢气也是其它有机化合物加氢过程地原料.煤地直接液化过程就需要大量地氢作为中间原料.煤地间接液化F-T合成）、甲烷化反应,也都需要大量地氢气.LDAYtRyKfE液氢是中国火箭推进地主要燃料.由于燃料电池技术新地发展,氢气作为燃料电池地燃料,展现了极广泛地和潜在地市场.如何从规划及技术上准备和迎接这一必然要到来地发展,将是一项极为重大地事情.Zzz6ZB2Ltk3．中国氢气生产和应用地一些具体数字和分析(1化肥生产中氢地生产利用表一合成氨产量万吨）厂型19931994199519961997大型510.0549.3604.3中型459.0665.6840.5小型1237.61227.31319.5合计2206.62442.22764.82710略减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.由于进口化肥地影响,1996、1997年产量略减.dvzfvkwMI1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）.尿素和碳酸氢铵地生产过程,都可以部分50%左右）回收利用造气过程所产生地CO2,中国在生产化肥地过程,历来都是比较重视CO2地回收利用地.rqyn14ZNXI由中国合成氨地生产量,我们可以粗略估计出,用在~27´106t/a合成氨上地氢量,约在5´106t/a.EmxvxOtOco表三给出了中国不同原料合成氨产品地构成。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M,主要集中在一些年产量急30万吨合成氨地大型厂.SixE2yXPq5表二1995年氮肥品种地构成万吨）品种产量占化肥总产量%占氮肥产量%化肥总量2481.1100氮肥总量1857.374.9100尿素805.743.4碳酸氢铵899.748.5硝酸铵47.62.6氯化铵51.82.8氨水4.60.3硫酸铵11.20.6折氮硝酸磷肥14.50.8折氮硝酸铵17.91.0其它4.20.2表三中国不同原料合成氨产品构成工程199119941995合成氨产量104t）2201.62442.22746原料构成煤,焦合计%）67.064.065.4液体合计%）13.715.314.4气体合计%）19.220.419.9其中天然气）(17.5(18.9(18.6其它%）0.10.20.4表四氮肥生产一次能源构成原煤焦炭原油燃料油天然气总计用量占总量104t）104t）104t）104t）108m3）%104t标煤）1994年3410.5329.223.061.947.718.334791995年4299.6404.523.467.552.618.783725.5而在此期间化肥地产需比约在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地能耗是比较高地.相对比较,以天然气为原料地大型厂,能耗较低,而且建厂投资较低.它地能耗为煤头地0.6~0.7倍.6ewMyirQFL表五不同原料合成氨厂地平均单位产品能耗值年份大型厂合成氨能耗(MJ/t中、小型厂合成氨能耗气头油头中型煤头）小型煤头）199037510419006378566323199437639411816430361429199537850404106315659291而目前新建大型合成氨厂能耗设计值.应该是,天然气为原料地28GJ/t；渣油为38.1GJ/t；煤48.15GJ/tNH3新建大型氮肥厂30´104t/a氨,52´104t/a尿素）投资大体为,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地影响,其初步分析结果如表六.kavU42VRUs表六原料价格对生产成本地影响天然气(元/M3渣油(元/吨煤(元/吨0.50.80.96009001000100200300合成氨7801100121010701430155092010601200尿素71090096088010901160790870950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,煤头地生产成本还是比较有竞争力地.y6v3ALoS892）合成甲醇生产中地用氢状况：中国这几年甲醇地生产能力增长比例是比较高地,生产量比生产能力增长得稍慢.1993年精甲醇产量为92.7万吨；1994年为125.5万吨；1995年为146.9万吨.约150万吨地甲醇产量,大约需消耗氢气20万吨,比起合成氨地耗氢量,它只占很小部分.M2ub6vSTnP3）合成氨和合成甲醇生产中地气化技术：以煤为原料地中、小型厂,煤地气化主要使用固定床水煤气和半水煤气气化炉.在中国已有大型地以煤为原料地合成氨厂和合成甲醇厂使用德士古水煤浆气化炉地成功经验鲁南化肥厂,渭河化肥厂和上海焦化厂等）.由天然气造气合成气）和水汽变换催化技术,气体净化技术也都是成熟地.今后进一步发展煤和煤层气地综合利用,在气化技术方面中国已有较好地基础.0YujCfmUCw4）大约500万t/a地烧碱生产,将副产约13.5万t/a氢气,作为产品或加氢地原料.此氢是食盐水电解法生产地.eUts8ZQVRd5）中国炼油厂主要副产氢气地是催化重整工艺.1997年全国催化重整47套生产能力1238万t/a,副产氢气约37.14万t/a.但有地炼油厂为了改进油品地质量,设有加氢裂化或加氢脱硫、脱氮装置,副产地氢气还是很不够用地,通常还要自建制氢装置.其它工艺过程产生地含氢气体如催化裂化气含40%H2）一般都在厂里作为燃料烧掉.sQsAEJkW5T6）一碳化学合成工艺利用氢前面已介绍到一碳化学最主要地产品甲醇,甲醇地进一步发展将依赖于其在代用燃料方面地应用和下游产品地开发.二甲醚是非常有希望发展地另一碳化学较大宗地产品.它作为柴油地代用燃料,有很高地十六烷值,可以大大改善柴油发动机地排放.合成气化学一氧化碳加氢反应）最有利地发展方向就是合成含氧化合物,它可以使CO分子中地氧进入到产品分子中,而不使或少使O去消耗宝贵地氢而生成水.因此合成甲醇、二甲醚等含氧化合物,并在最佳地条件下大量利用它,是有效、洁净利用煤地重点方向之一.也是现期最易在某些地区实施地“绿色”代用燃料.这也是我们多年来组织研究实施和建议推广地工程.但目前由于油价地低迷和尚未引起有关人士地重视,实际地燃料应用量尚是微乎其微地.GMsIasNXkA合成气合成含氧化合物地另一项重要产品就是合成醋酸和醋酐地工艺,它是甲醇羰基合成地产品.目前在上海吴泾和江苏镇江都已成功地实现了大型化地生产³10´104t/a.在镇江地厂还成功地利用CO2转化成羰基合成所需地CO,大大降低了CO2地排放.TIrRGchYzg甲酸、甲酸甲酯、碳酸二甲酯、草酸等氧化合物也是一碳化学地重要优势产品.目前在中国都已开发出一些先进地催化工艺.这些产品今后地效益是很好地.当然在量上尚赶不上甲醇等产品.7EqZcWLZNX合成气合成汽油,煤地直接液化,也都是一些利用氢地工艺,在中国有些适合发展地地区,也还是有可能得到发展地.但在经济上地竞争力会遇到更多地困难.lzq7IGf02E7）综上所述,可对中国氢地生产和利用概括地得到以下主要结果?在中国目前最大地用氢量是在合成氨生产上,而其制氢地原料,目前主要部分是煤和焦.?由煤、天然气煤层气）制氢地技术是成熟地.CO2地回收利用在某些方面也已积累了经验.?目前中国地氢还是缺少地,价格偏贵,但生产氢地潜力应该是很大地.?汽车代用燃料地研究开发在中国还是很活跃和有技术基础地,在中国目前地背景下它应该成为应用煤和煤层气制氢或CO/H2地一个重要领域.但目前还等待着如何根据技术地发展国情和各地区地特定条件,选择一条最合理地、现实地发展路线.我想,这也是今天我们在研讨地目地.?开发质子膜燃料电池技术地研究工作,中国也一直在进行,也已取得不少技术成果.显然,这是今后利用煤和煤层气地一个十分重要地方向.如何把燃料电池技术地发展、应用与煤地洁净利用,煤层气地利用、以至于整个化石能地优化利用规划掀接好,这应是今天研讨地重点之一.zvpgeqJ1hk3.对今后发展地设想中国是一次能源以煤为主地能源消耗大国,目前原煤年产量已超过14亿吨,使用煤炭所造成地污染,是主要大气污染源.目前,CO2排放量已在世界上位居第二,占14%.而在一些大城市如北京）,汽车尾气造成地大气污染已上升为第一位.随着经济地高速发展,能源消耗还会增