文/黃格省 李錦山 魏壽祥 楊延翔 周笑洋，中石油石油化工研究院，化工進(jìn)展
近年來，隨著世界各國環(huán)保法規(guī)的日趨嚴(yán)格和對清潔、可再生能源的日益重視，新能源汽車產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展，尤其是氫燃料電池汽車，由于其以氫氣為動力燃料，具有能量密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高、車輛行駛里程長且無CO2和污染物排放等諸多優(yōu)勢，被公認(rèn)為比電動汽車發(fā)展前景更好的一種新能源汽車形式。
目前，從制氫、儲氫輸氫、燃料電池開發(fā)、整車開發(fā)、加氫站建設(shè)整個產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展進(jìn)程來看，氫能發(fā)展總體上已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化的導(dǎo)入期。氫氣是一種清潔的二次能源，在氫燃料電池汽車的發(fā)展中，氫氣來源是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的首要問題，因此制氫技術(shù)備受行業(yè)關(guān)注。
目前業(yè)內(nèi)研究提出的制氫方式很多，包括采用化石資源（煤、石油、天然氣） 和可再生資源（水、生物質(zhì)、太陽能等） 生產(chǎn)氫氣，但在工業(yè)上能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；?、具有經(jīng)濟(jì)性、占據(jù)主導(dǎo)地位的制氫原料仍是煤和天然氣等化石原料，如何利用我國現(xiàn)有的化石資源稟賦條件，研究開發(fā)工業(yè)上切實可行的制氫工藝技術(shù)，為氫燃料電池汽車發(fā)展提供充足動力燃料來源，具有十分重要的現(xiàn)實意義。
1 化石原料制氫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
工業(yè)制氫生產(chǎn)技術(shù)有煤氣化法、甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化法、重油部分氧化法、甲醇蒸汽轉(zhuǎn)化法、水電解法、副產(chǎn)含氫氣體回收法以及生物質(zhì)氣化制氫等。目前，大規(guī)模制氫仍以煤和天然氣為主，全球氫氣生產(chǎn)92%采用煤和天然氣，約7%來自于工業(yè)副產(chǎn)物，只有1%來自于電解水。近年來由于煤制氫、天然氣制氫技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，基于石油替代及經(jīng)濟(jì)性方面的原因，重油（常、減壓渣油及燃料油等） 部分氧化制氫技術(shù)在工業(yè)上已經(jīng)很少采用。各種制氫工藝采用原料、技術(shù)成熟度、工業(yè)應(yīng)用情況詳見表1。
1.1 煤制氫
煤氣化制氫是工業(yè)大規(guī)模制氫的首選方式之一，其具體工藝過程是煤炭經(jīng)過高溫氣化生成合成氣（H2+CO）、CO與水蒸氣經(jīng)變換轉(zhuǎn)變?yōu)镠2+CO2、脫除酸性氣體（CO2+SO2）、氫氣提純等工藝環(huán)節(jié)，可以得到不同純度的氫氣。典型煤制氫工藝流程見圖1。傳統(tǒng)煤氣化制氫工藝具有技術(shù)成熟、原料成本低、裝置規(guī)模大等特點，但其設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運轉(zhuǎn)周期相對短、配套裝置多、裝置投資成本大，而且氣體分離成本高、產(chǎn)氫效率偏低、CO2 排放量大。與煤氣化工藝一樣，煉廠生產(chǎn)的石油焦也能作為氣化制氫的原料，這是石油焦高附加值利用的重要途徑之一。煤/石油焦制氫工藝還能與煤整體氣化聯(lián)合循環(huán)工藝（IGCC） 有效結(jié)合，實現(xiàn)氫氣、蒸汽、發(fā)電一體化生產(chǎn)，提升煉廠效益。
煤氣化制氫技術(shù)已有一百余年發(fā)展歷史，可分為三代技術(shù)：第一代技術(shù)是德國在20世紀(jì)20~30年代開發(fā)的常壓煤氣化工藝，典型工藝包括碎煤加壓氣化Lurgi爐的固定床工藝、常壓Winkler爐的流化床和常壓KT爐的氣流床等，這些工藝都以氧氣為氣化劑，實行連續(xù)操作，氣化強(qiáng)度和冷煤氣效率得到極大提高。第二代技術(shù)是20世紀(jì)70年代由德國、美國等國家在第一代技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)的加壓氣化工藝，典型工藝包括Shell、Texaco、BGL、HTW、KRW氣化工藝等。我國煤氣化制氫工藝主要用于合成氨的生產(chǎn)，多年來開發(fā)了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)煤氣化技術(shù)，如多噴嘴水煤漿氣化技術(shù)、航天爐技術(shù)、清華爐技術(shù)等。第三代技術(shù)主要有煤催化氣化、煤等離子體氣化、煤太陽能氣化和煤核能余熱氣化等，目前仍處于實驗室研究階段。
近年來，隨著我國成品油質(zhì)量升級步伐加快，國內(nèi)新建煉油廠大多選擇了全加氫工藝路線，以滿足輕質(zhì)油收率、產(chǎn)品質(zhì)量、綜合商品率等關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要求，極大促進(jìn)了煉油行業(yè)對氫氣的需求和制氫技術(shù)的發(fā)展。據(jù)初步統(tǒng)計，目前我國在建/擬建的15個煉化一體化項目中，已確定采用煤制氫（包括石油焦） 的項目有11個，其中包括恒力石化公司2000萬噸/年、浙江石化公司4000萬噸/年、盛宏石化公司2600萬噸/年、中國石油天然氣集團(tuán)公司廣東石化公司2000萬噸/年等新建煉油項目以及中國海洋石油總公司惠州煉化公司2200 萬噸/年、中國石化集團(tuán)公司燕山石化公司1200 萬噸/年、洛陽石化公司1800萬噸/年等均采用煤制氫工藝生產(chǎn)氫氣。而采用天然氣制氫的只有中國石油天然氣集團(tuán)公司云南石化公司1300 萬噸/年煉油項目。
1.2 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫
天然氣制氫是北美、中東等地區(qū)普遍采用的制氫路線。工業(yè)上由天然氣制氫的技術(shù)主要有蒸汽轉(zhuǎn)化法、部分氧化法以及天然氣催化裂解制氫。
1.2.1 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫
蒸汽轉(zhuǎn)化法是在催化劑存在及高溫條件下，使甲烷等烴類與水蒸氣發(fā)生重整反應(yīng)，生成H2、CO等混合氣體，該反應(yīng)是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，需要外界供熱（天然氣燃燒），其主反應(yīng)如式(1)。
CH4 + H2O = CO + 3H2 ΔH = 206kJ/mol (1)
天然氣水蒸氣重整制氫技術(shù)成熟，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)合成氣、純氫和合成氨原料氣的生產(chǎn)，是工業(yè)上最常用的制氫方法。天然氣蒸汽重整反應(yīng)要求在750～920℃高溫下進(jìn)行，反應(yīng)壓力2～3MPa，催化劑通常采用Ni/Al2O3。工業(yè)生產(chǎn)過程中的水蒸氣和甲烷的摩爾比一般為3～5，生成的H2/CO比約為3，甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化制得的合成氣進(jìn)入水氣變換反應(yīng)器，經(jīng)過高低溫變換反應(yīng)將CO轉(zhuǎn)化為CO2和額外的氫氣，以提高氫氣產(chǎn)率?；竟に嚵鞒虉D如圖2所示。
早期的甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化過程是在常壓下進(jìn)行，但通過提高反應(yīng)壓力，可以提高熱效率和設(shè)備生產(chǎn)能力。甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化制得原料氣，經(jīng)過變換反應(yīng)，將CO轉(zhuǎn)化成CO2和氫氣，為了防止甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化過程析炭，反應(yīng)進(jìn)料中常加入過量的水蒸氣，工業(yè)中水碳比為3～5。全球甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化法主要工藝技術(shù)提供方有法國的德希尼布公司（Technip）、林德公司（Linde） 和伍德公司（Uhde） 以及英國的福斯特惠勒公司（Foster Wheeler） 等。
1.2.2 甲烷部分氧化法制氫
部分氧化法是由甲烷等烴類與氧氣進(jìn)行不完全氧化生成合成氣，見式(2)。
CH4 +1/2O2 = CO + 2H2 ΔH= -35.7kJ/mol (2)
該過程可自熱進(jìn)行，無需外界供熱，熱效率較高。但若用傳統(tǒng)的空氣液化分離法制取氧氣，則能耗太高，近年來國外開發(fā)出用富氧空氣代替純氧的工藝，其工藝流程見圖3。
如圖3所示，天然氣經(jīng)過壓縮、脫硫后，先與蒸汽混合預(yù)熱到約500℃，再與氧或富氧空氣（也預(yù)熱到約500℃） 分兩股氣流分別從反應(yīng)器頂部進(jìn)入反應(yīng)器進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，反應(yīng)器下部出轉(zhuǎn)化氣，溫度為900～1000℃，氫含量50%～60%。該工藝是利用反應(yīng)器內(nèi)熱進(jìn)行烴類蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)，因而能廣泛地選擇烴類原料并允許較多雜質(zhì)存在（重油及渣油的轉(zhuǎn)化大都采用部分氧化法），但需要配置空分裝置或變壓吸附制氧裝置，投資高于天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化法。天然氣部分氧化制氫的反應(yīng)器采用的是高溫?zé)o機(jī)陶瓷透氧膜，可在高溫下從空氣中分離出純氧，避免氮氣進(jìn)入合成氣，這與傳統(tǒng)的蒸汽重整制氫相比，工藝能耗顯著降低，可在一定程度上降低投資成本。
1.2.3 天然氣催化裂解制氫
天然氣催化裂解制氫是以天然氣為原料，經(jīng)對天然氣進(jìn)行脫水、脫硫、預(yù)熱后從底部進(jìn)入移動床反應(yīng)器，與從反應(yīng)器頂部下行的鎳基催化劑逆流接觸，天然氣在催化劑表面發(fā)生催化裂解反應(yīng)生成氫氣和碳，由于反應(yīng)是吸熱過程，除原料預(yù)熱外，還需要在移動床反應(yīng)器外側(cè)加熱補(bǔ)充熱量，反應(yīng)器頂部出口的氫氣和甲烷混合氣經(jīng)旋風(fēng)分離器分離碳和催化劑粉塵后回收熱量，然后去變壓吸附（PSA）分離提純，得到產(chǎn)品氫氣。未反應(yīng)的甲烷、乙烷等部分產(chǎn)物作為燃料循環(huán)使用。反應(yīng)得到的另一主產(chǎn)物碳隨著催化劑從底部流出反應(yīng)器，經(jīng)換熱后進(jìn)入氣固分離器分離殘余甲烷、氫氣，然后進(jìn)入機(jī)械振動篩將催化劑和碳分離，催化劑再生后循環(huán)使用，分離出的碳可用于制備碳納米纖維等高附加值產(chǎn)品。
天然氣催化裂解制氫反應(yīng)過程從反應(yīng)原理上看不產(chǎn)生任何CO2，在生產(chǎn)氫氣的同時，主產(chǎn)物碳可加工為高端化碳材料，該工藝與煤制氫和天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化法制氫相比，其制氫成本和CO2排放量均大大降低，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，市場前景好，目前該工藝仍在研究開發(fā)階段。
1.3 甲醇制氫
工業(yè)上通常使用CO和氫氣經(jīng)過羰基化反應(yīng)生產(chǎn)甲醇，甲醇制氫技術(shù)則是合成甲醇的逆過程，可用于現(xiàn)場制氫，解決目前高壓和液態(tài)儲氫技術(shù)存在的儲氫密度低、壓縮功耗高、輸運成本高、安全性差等弊端。按工藝技術(shù)區(qū)分，甲醇制氫技術(shù)包括甲醇裂解制氫、甲醇蒸汽重整制氫和甲醇部分氧化制氫3種。
（1） 甲醇裂解制氫 甲醇裂解是在300℃左右、催化劑存在下甲醇?xì)庀啻呋呀?，通常用于合成氣制備，或通過進(jìn)一步分離獲得高純CO和氫氣，氫氣純度可達(dá)99.999%。該技術(shù)成熟，適用于科研實驗小規(guī)模制氫場合使用。
（2） 甲醇水蒸氣重整制氫 在220～280℃、0.8～2.5MPa、催化劑存在下，甲醇和水轉(zhuǎn)化為約75%氫氣、24%CO2以及極少量的CO、CH4，可將甲醇和水中的氫全部轉(zhuǎn)化為氫氣，甲醇消耗0.5～0.65kg/m3 氫氣，甲醇儲氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到18.75%。其流程示意見圖4。該技術(shù)的使用條件溫和，產(chǎn)物成分少，易分離，制氫規(guī)模在10～10000m3/h內(nèi)均能實現(xiàn)，且產(chǎn)能可靈活調(diào)整，適用于中小型氫氣用戶現(xiàn)制現(xiàn)用。缺點是采用Cu/Zn/Al催化劑，催化劑易失活，需要進(jìn)一步開發(fā)活性高、穩(wěn)定性好的新型催化劑。
目前國內(nèi)已經(jīng)建成甲醇蒸汽重整制氫工業(yè)裝置。2018年7月，山東壽光魯清石化有限公司60000m3/h甲醇制氫裝置投產(chǎn)，是國內(nèi)最大規(guī)模的甲醇制氫裝置，采用華西化工科技有限公司先進(jìn)的甲醇制氫技術(shù)和PSA技術(shù)、四川蜀泰化工的催化劑等，由安徽華東化工醫(yī)藥工程有限公司承擔(dān)詳細(xì)設(shè)計。2019年1月，上海博氫新能源科技有限公司年產(chǎn)20萬臺套的甲醇?xì)淙剂想姵厣a(chǎn)基地項目在浙江寧波慈溪舉行項目奠基儀式。該項目總投資約30億元，將分期建設(shè)，其中項目一期年產(chǎn)能5萬臺套，將于2019年三季度投產(chǎn)，全部項目預(yù)計將于2020年建成投產(chǎn)。目前甲醇?xì)淙剂想姵仄囈褢?yīng)用于公交車、物流車、大巴車、冷鏈物流車等交通領(lǐng)域。
（3） 甲醇部分氧化制氫 通過甲醇的部分氧化（1分子甲醇和0.5分子的氧氣反應(yīng)生成2分子的氫氣和1分子的CO2） 實現(xiàn)系統(tǒng)自供熱，大幅提高能源利用效率，以期進(jìn)一步降低制氫成本。該技術(shù)目前仍在研究開發(fā)階段。
1.4 工業(yè)副產(chǎn)氫
工業(yè)副產(chǎn)氫是在工業(yè)生產(chǎn)過程中氫氣作為副產(chǎn)物，包括煉廠重整、丙烷脫氫、焦?fàn)t煤氣及氯堿化工等生產(chǎn)過程產(chǎn)生的氫氣，其中只有煉廠催化重整生產(chǎn)過程的氫氣用于煉油加氫精制和加氫裂化生產(chǎn)裝置，其他工業(yè)過程副產(chǎn)的氫氣大部分被用作燃料或放空處理，基本上都沒有被有效利用，這部分工業(yè)副產(chǎn)氫對于氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有很大的回收利用潛力。各種工業(yè)副產(chǎn)氫生產(chǎn)原理及利用情況詳見表2。
從表2可以看出，我國工業(yè)副產(chǎn)氫氣資源潛力大，每年產(chǎn)量約1048萬噸，其中煉廠重整產(chǎn)氫量大（136萬噸/年） 但全部用來滿足煉油生產(chǎn)，丙烷脫氫裝置產(chǎn)氫量少（18萬噸/年） 且資源分散，而鋼鐵工業(yè)和煉焦行業(yè)的焦?fàn)t煤氣氫氣含量高、數(shù)量大（721萬噸/年），焦?fàn)t煤氣與氯堿行業(yè)每年合計副產(chǎn)氫氣802萬噸，占全部副產(chǎn)氫總量的76.5%。若近期取副產(chǎn)氫氣（802萬噸/年） 的30%（240萬噸/年）、中期40%（320萬噸/年）、遠(yuǎn)期50%（400萬噸/年） 用于加氫站，按照1輛燃料電池乘用車年行駛里程20000km、消耗224kg氫氣計算，分別可供應(yīng)1071萬輛、1428萬輛和1785萬輛燃料電池乘用車。按1 輛燃料電池客車年行駛里程14400km、消耗882.32kg氫氣計算，可供應(yīng)氫燃料電池客車272萬輛、362萬輛和453萬輛。如果將副產(chǎn)氫氣的大部分用于加氫站為氫燃料電池汽車提供燃料，可以支持我國氫能運輸行業(yè)到2040年。
2 我國氫氣生產(chǎn)現(xiàn)狀與化石原料制氫經(jīng)濟(jì)性分析
2.1 我國氫氣生產(chǎn)現(xiàn)狀及制氫潛力分析
2015年，我國氫氣年產(chǎn)量為1800萬噸，2018年已增長到1980萬噸，居全球第一位。預(yù)計2019年、2020年分別達(dá)到2050萬噸、2100萬噸，年均增長分別為3.5%、4.8%，見圖5。2016年我國氫氣生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中，煤制氫占62%，天然氣制氫占19%，水電解制氫占1%，煉廠干氣、焦?fàn)t煤氣、甲醇、弛放氣等其他原料制氫占18%。由于目前制氫技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的限制，我國工業(yè)用氫氣中約97%由煤和天然氣原料直接生產(chǎn)以及工業(yè)副產(chǎn)，而工業(yè)副產(chǎn)氫氣上游原料也是煤、石油、天然氣三大化石原料，水電解及其他方式制氫占比不到3%。
根據(jù)我國煤田地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，全國煤炭資源累計探明儲量為2.01萬億噸，資源保有量為1.95萬億噸；如果將資源保有量的1%用于煤氣化制氫，按照制氫煤耗8kg/kg氫氣計，我國煤制氫潛力約為24.38億噸。根據(jù)國土資源部《全國油氣資源動態(tài)評價(2015)》統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國天然氣（包括常規(guī)和非常規(guī)天然氣） 地質(zhì)資源量90.3萬億立方米，可采資源量為50.1萬億立方米，假如將可采資源量的1%用于天然氣蒸汽重整制氫，按照制氫天然氣消耗量5m3/kg氫氣計，我國天然氣制氫潛力約為1億噸。2018年我國甲醇表觀消費量為5460萬噸，如果將其中的1%用于甲醇重整制氫，按照制氫甲醇消耗7.2kg甲醇/kg氫氣計，我國甲醇制氫潛力約為7.58萬噸/年?？傮w來看，我國煤炭、天然氣（包括非常規(guī)天然氣） 資源豐富，用以制氫其發(fā)展?jié)摿薮蟆?
氫氣既可作為化工原料和工業(yè)氣體，又可作為能量載體，不同應(yīng)用場合對氫氣的純度和雜質(zhì)含量要求也不同。例如GB/T 3634.1-2006《氫氣第1部分工業(yè)氫》對氫氣的純度要求為：優(yōu)等品≥99.95%，一級品≥99.5%，合格品≥99%。GB/T 3634.2-2011《氫氣第2部分純氫、高純氫和超純氫》對氫氣的純度要求為：純氫≥99.99%，高純氫≥99.999%，超純氫≥99.9999%。工業(yè)氫不能直接用作燃料電池氫能，必須進(jìn)行分離、純化，以進(jìn)一步脫除其中的雜質(zhì)、提高純度。2019年7月1日我國正式實施GB/T 37244-2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車燃料氫氣》標(biāo)準(zhǔn)，要求氫氣純度（摩爾分?jǐn)?shù)） 達(dá)到99.97%，但對總硫、甲醛、甲酸、氨氣、鹵化物等雜質(zhì)的要求非常苛刻，分別為0.004μmol/mol、 0.001μmol/mol、 0.2μmol/mol、0.1μmol/mol和0.5μmol/mol，這對開發(fā)具有經(jīng)濟(jì)性的工業(yè)化氫氣提純技術(shù)提出了更高的要求。
2.2 化石原料制氫經(jīng)濟(jì)性分析
根據(jù)行業(yè)相關(guān)氫氣成本模型數(shù)據(jù)，本文作者采用外推法作圖，對不同煤價、天然氣價格下的氫氣成本進(jìn)行測算，結(jié)果見圖6。由圖6可以看出，當(dāng)天然氣價格從1.24CNY/m3(對應(yīng)煤炭價格為250CNY/t)上升到2.95CNY/m3(對應(yīng)煤炭價格為1050CNY/t)時， 氫氣成本從0.73CNY/m3(折合8119CNY/t)上升到1.29CNY/m3 (折合14349CNY/t)。
根據(jù)2018年7月北京市《關(guān)于調(diào)整本市非居民用天然氣銷售價格的通知》，北京城六區(qū)外區(qū)縣工業(yè)用天然氣價格為2.75CNY/m3，以此測算天然氣制氫成本1.24CNY/m3(折合12796 CNY/t)，與煤價950CNY/t 的制氫成本相當(dāng)。以目前秦皇島2.3×104kJ/t動力煤價格(約580CNY/t)測算，其煤制氫成本為0.92CNY/m3(折合10233CNY/t)， 與氣價約1.8CNY/m3的天然氣制氫成本相當(dāng)，可見在目前的天然氣價格和煤炭價格下，煤制氫成本明顯低于天然氣制氫。
經(jīng)對煤制氫、天然氣制氫、甲醇制氫及水電解制氫成本進(jìn)行比較，煤價仍按580CNY/t、天然氣價格按2.75CNY/m3、甲醇價格按2280CNY/t、電價按0.55CNY/(kW·h)測算，結(jié)果見圖7。由圖7可以看出，煤氣化制氫的成本最低（10233CNY/t，折合0.92CNY/m3），天然氣制氫次之（12796CNY/t，折合1.15CNY/m3）， 甲醇裂解制氫位于第三（26900CNY/t，折合2.42CNY/m3），水電解制氫成本最高（35900CNY/t，折合3.23CNY/m3），甲醇裂解制氫的成本是煤制氫成本的2.6倍，是天然氣制氫的2.1倍，而水電解制氫成本則是煤制氫的3.5倍，是天然氣制氫的2.8倍。
制氫成本與制氫原料種類及其價格密切關(guān)聯(lián)，不同原料、不同價格以及不同的電價、水價等均對制氫成本有直接影響。以煤制氫為例，采用航天爐粉煤加壓氣化技術(shù)，據(jù)估算在煤價分別為470CNY/t、600CNY/t，電價0.42CNY/(kW·h)，新鮮水耗4CNY/t時，制氫成本分別為0.728CNY/t、0.9CNY/m3(折合8100CNY/t、10014CNY/t)；如果考慮建設(shè)碳捕獲、利用與封存設(shè)施（CCUS），則制氫成本勢必會相應(yīng)上升。再如電解水制氫成本，其與電力來源及其價格具有很大關(guān)系，采用棄風(fēng)、棄水、棄電等電力，電價最低可為0.1CNY/(kW·h)，氫氣成本只有1.16CNY/m3(折合13000CNY/t)；當(dāng)電價為0.65CNY/(kW·h)時，氫氣成本達(dá)到4.13CNY/m3 (折合46000CNY/t)。
總之，制氫成本與原料價格關(guān)系最大，控制氫能價格首先需要控制原料價格。目前煉廠制氫已經(jīng)實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，通過技術(shù)改進(jìn)降低成本的空間并不大。因地制宜，選擇合適的原料，可使氫氣成本控制在1.35CNY/m3(折合15000CNY/t)以下。
3 對化石原料制氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景的思考
通過對化石原料制氫技術(shù)路線與經(jīng)濟(jì)性的分析，可以看出各種化石原料制氫路線各有千秋，孰優(yōu)孰劣不能一言以蔽之。對于化石原料制氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前景，本文作者有以下幾點思考與看法。
煤制氫是發(fā)揮煤炭資源優(yōu)勢、實現(xiàn)大規(guī)模制氫的首選技術(shù)。
我國相對豐富的煤炭資源為發(fā)展氫能提供了制氫原料保障。前已述及，近幾年我國在建/擬建的煉化一體化項目中，大多數(shù)項目采用煤制氫。煤制氫工藝之所以受到國內(nèi)煉廠的青睞，主要原因有4個方面：①由于煉廠對氫氣的需求量大，煤制氫工藝能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模制氫，滿足煉廠用氫需求；②煤制氫成本較低，是煉廠降本增效、實現(xiàn)供氫平衡首選工藝；③煉廠采用煤制氫后可替代現(xiàn)有天然氣、干氣等制氫原料，為煉廠干氣資源綜合利用創(chuàng)造條件；④隨著近年氣流床加壓氣化工藝的普遍應(yīng)用和煤化工“三廢”處理技術(shù)水平的提高，煤制氫工藝能夠?qū)崿F(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。
近幾年國內(nèi)大型煤炭能源企業(yè)也在積極布局氫能產(chǎn)業(yè)鏈，2018年2月，由國家能源集團(tuán)牽頭，聯(lián)合17家國內(nèi)大型企業(yè)、高校、研究機(jī)構(gòu)共同發(fā)起，20家單位（現(xiàn)已增加到54家）加入的中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，將整合各方資源，吸納社會資本，共同推動以煤制氫為龍頭的產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新?？傮w而言，煤化工企業(yè)具有發(fā)展煤制氫的先天資源優(yōu)勢和技術(shù)優(yōu)勢，煤制氫是當(dāng)前實現(xiàn)大規(guī)模制氫的最可行技術(shù)。
天然氣制氫發(fā)展?jié)摿Υ?，但目前存在資源約束和成本較高的問題。
與煤制氫裝置相比，天然氣制氫投資低、CO2排放量、耗水量小、氫氣產(chǎn)率高，是化石原料制氫路線中理想的制氫方式。然而，我國化石資源稟賦特點是“富煤缺油少氣”，2018年原油對外依存度已經(jīng)超過70.5%， 天然氣對外依存度已經(jīng)超過40%，在此能源供給現(xiàn)狀的大背景下，采用基于石油資源的重油制氫已經(jīng)不具經(jīng)濟(jì)性，實際生產(chǎn)中也很少采用；采用天然氣制氫更存在氣源供應(yīng)無法保障、天然氣價格高企的現(xiàn)實問題，但從長遠(yuǎn)來看，由于我國非常規(guī)天然氣資源（頁巖氣、煤層氣、可燃冰等） 十分豐富，隨著未來非常規(guī)天然氣開采技術(shù)進(jìn)步、開采成本降低，必將迎來天然氣大發(fā)展的時期，屆時采用天然氣制氫預(yù)計要比煤制氫更具優(yōu)勢。
工業(yè)副產(chǎn)回收氫氣是未來頗具發(fā)展?jié)摿Φ闹茪浞绞健?
我國含氫工業(yè)尾氣資源十分豐富，從石油化工角度來看，就有催化重整副產(chǎn)氫、煉廠干氣制氫、石腦油及乙烷裂解氣副產(chǎn)氫、丙烷脫氫副產(chǎn)氫等多種途徑，這些氫氣資源有些被利用（如催化重整制氫、干氣制氫），也有些被作為燃料低價值利用或直接排放，如果將這部分氫氣通過變壓吸附等分離技術(shù)加以回收利用，既可以實現(xiàn)資源的高附加值利用，也可以減少碳排放壓力，可謂一舉兩得。近幾年由于氫能的發(fā)展，對工業(yè)副產(chǎn)氫的利用已經(jīng)得到行業(yè)的高度重視，許多能源企業(yè)及化工企業(yè)與氫能開發(fā)投資商積極合作，探索高效利用工業(yè)副產(chǎn)氫以發(fā)展氫能的途徑，今后對于工業(yè)副產(chǎn)氫的利用具有良好的前景。
甲醇制氫規(guī)模靈活，但也存在設(shè)備成本高以及穩(wěn)定性較差等缺陷。
雖然甲醇制氫成本較石油制氫、天然氣制氫與煤制氫要高，但甲醇制氫裝置投資低，建設(shè)周期短，制氫裝置規(guī)模靈活，而且原料易獲取，另外甲醇制氫項目審批容易，對氫氣價格承受力較高的用戶，這種制氫方式是可以接受的。從氫能產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展現(xiàn)狀看，儲氫、運氫、加氫等環(huán)節(jié)均存在諸多技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面的瓶頸問題有待解決，利用甲醇制氫可以實現(xiàn)在加氫站周圍現(xiàn)場制氫，在此過程中，便于儲存運輸?shù)募状紝嶋H上充當(dāng)了氫氣載體的作用，避免了高壓氫或液體氫在儲存和運輸過程中對儲運材料技術(shù)要求高、安全風(fēng)險較大、儲運成本較高的問題，但也不能否認(rèn)，甲醇現(xiàn)場制氫結(jié)合燃料電池發(fā)電的電源系統(tǒng)在應(yīng)用方面目前還面臨設(shè)備成本高，穩(wěn)定性、可靠性差等缺陷。因此，開發(fā)能夠滿足用戶需求的高效、可靠的甲醇制氫系統(tǒng)是促進(jìn)以甲醇作為氫能載體的氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)關(guān)鍵。
電解水制氫也有望成為未來實現(xiàn)規(guī)模化制氫的途徑之一。
電解水制氫即通過水的電解生產(chǎn)氫氣同時副產(chǎn)氧氣。按照電解槽的不同，電解水制氫可分為堿性電解槽（采用KOH或NaOH為電解質(zhì)）、質(zhì)子交換膜（PEM） 電解槽（以純水為電解質(zhì)） 和固體氧化物（SOE） 電解槽3種電解方式。相比較而言，堿性電解技術(shù)是目前商業(yè)化程度最高、最為成熟的電解水技術(shù)，國外技術(shù)商主要有法國Mcphy公司、美國Teledyne公司和挪威Nel公司，國內(nèi)代表企業(yè)主要有蘇州競立制氫、天津大陸制氫和中船重工718所。
PEM純水電解在國外已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化，主要技術(shù)商有Proton公司、Hydrogenics公司等，國內(nèi)對于PEM純水電解技術(shù)研究主要有中船重工718所、中電豐業(yè)、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所等單位。PEM純水制氫過程無腐蝕性液體，運維簡單、成本低，是我國今后需要重點開發(fā)的純水電解制氫技術(shù)。目前電解水制氫技術(shù)的不足之處在于制氫成本較高、經(jīng)濟(jì)性欠佳，未來隨著電解水制氫技術(shù)的進(jìn)步和成本下降，可望成為化石能源制氫的重要補(bǔ)充。最近兩三年，借鑒國外經(jīng)驗，國內(nèi)開展的利用可再生能源（風(fēng)電、光伏發(fā)電、水電、地?zé)岚l(fā)電等） 生產(chǎn)的富裕電力與傳統(tǒng)電解水制氫的耦合路線（也稱“綠氫”路線），為氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展開辟了一條實現(xiàn)規(guī)?；?、低成本制氫的創(chuàng)新模式。
最后需要指出的是，無論采用哪種原料制氫，制氫裝置一般都要安裝在原料供應(yīng)比較方便的地方。由于制氫裝置（尤其是化石原料制氫） 一般占地面積大，為節(jié)約土地空間、減少碳排放，同時也從加氫站安全運營角度考慮，一般不允許采用現(xiàn)場制氫的方式?，F(xiàn)場制氫雖然節(jié)省了氫氣運輸環(huán)節(jié)，但只適用于對氫氣需求量不大的一些特定場合，必須達(dá)到規(guī)模靈活調(diào)整、控制系統(tǒng)先進(jìn)、運行可靠、安全環(huán)保等要求。
4 結(jié)語
隨著氫能產(chǎn)業(yè)的逐漸成熟和氫燃料電池汽車開始規(guī)?；l(fā)展，市場對氫氣的需求量將呈現(xiàn)快速增長，制氫技術(shù)進(jìn)步日新月異。傳統(tǒng)煤炭、天然氣等化石原料制氫（包括從工業(yè)副產(chǎn)物中回收氫氣） 技術(shù)成熟，仍將具有良好發(fā)展前景。太陽能制氫（包括光催化、光熱解）、生物質(zhì)制氫（生物質(zhì)熱解、氣化） 等新能源制氫技術(shù)可實現(xiàn)清潔化制氫，總體發(fā)展前景好，但受制于轉(zhuǎn)換效率低、制氫成本高等問題，預(yù)計短期內(nèi)很難實現(xiàn)規(guī)?；?。電解水制氫可以有效消納風(fēng)電、光伏發(fā)電等不穩(wěn)定電力以及其他富余波谷電力，有望成為未來工業(yè)氫氣的主要來源之一。
在當(dāng)前太陽能等新能源制氫技術(shù)尚未成熟的現(xiàn)實條件下，化石原料制氫必將擔(dān)當(dāng)主要角色，未來氫能產(chǎn)業(yè)必將是化石原料制氫與電解水制氫以及新能源制氫多種方式共存、多元化發(fā)展的供給格局。當(dāng)前，我國除了大力發(fā)展低成本制氫技術(shù)以外，開發(fā)氫能的安全、高效儲運技術(shù)、降低加氫站建設(shè)成本以及氫燃料電池汽車生產(chǎn)成本亦是氫能行業(yè)應(yīng)重點攻克的主要問題。相信在我國政府的統(tǒng)一規(guī)劃和大力推動下，經(jīng)過科研單位、能源企業(yè)、汽車生產(chǎn)、電池生產(chǎn)企業(yè)等的協(xié)同攻關(guān)和持續(xù)努力，氫能產(chǎn)業(yè)將會很快跨過產(chǎn)業(yè)導(dǎo)入期，進(jìn)入實質(zhì)性產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段，我國建設(shè)“氫能社會”的目標(biāo)不久將會變?yōu)楝F(xiàn)實。
