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长期以来，氢气主要在炼油及化工行业作为原料使用。1839年英国的Grove发明了燃料电池，用氢气与氧气发生电化学反应，产生电流。从此以后，燃料电池技术不断进步，现在氢燃料电池汽车已投放市场，兆瓦级燃料电池发电的工业示范项目已在计划中，氢气作为重要的二次能源的潜力开始逐步被人们认知。 但氢气能否真正成为未来重要的二次能源，持怀疑态度的人仍然很多。因此有必要从氢能对化石能源和可再生能源等一次能源的高效利用、氢能的环保效益和减排二氧化碳效果、氢能开发利用对产业结构调整的带动作用、氢能使用中的安全风险控制等方面深化对氢能的认识，促进氢能的开发和利用，加强氢能开发利用技术的创新，使我国氢能的开发利用跟上世界先进水平。氢气的能量密度为140ＭＪ／ｋｇ，是汽油能量密度（43ＭＪ／ｋｇ）的3.25倍，固体燃料能量密度（50ＭＪ／ｋｇ）的2.80倍。氢气可来自化石能源，包括煤（含高硫煤等劣质煤）制氢、石油焦和渣油（含高硫石油焦、劣质渣油、石油沥青）制氢、天然气制氢等。虽然这些技术仍在不断改进，但已经相当成熟。氢气也可来自可再生能源，自然界大量存在的生物质可气化制氢，水力发电、风力发电、太阳能发电产生的电可电解水制氢。风电、太阳能发电是不稳定电源，为保证电网安全，有上网比例限制，利用弃风的风电、弃光的光伏电电解水制氢，将氢气压缩或液化后储存，有利于解决“弃风、弃光”问题。大型电厂可利用峰谷电电解水制氢，将氢气储存起来，作为燃料电池汽车的动力源。氢气还可以来自工业过程排放的含氢尾气，如钢铁厂的焦炉煤气。 美国能源部提出了煤制氢－燃料电池发电工厂的生产流程：采用煤气化－高温脱硫－高温陶瓷膜分离制氢－固体氧化物燃料电池发电方案，工厂的总热效率（高热值基准）可达65.2％。 采用煤制氢、氢气燃气透平发电、氢分离器尾气（含CO，CO2，H2）燃气透平发电的煤制氢－联产电力流程，包括CO2回收系统的整体热效率（高热值基准）可达到59％。 日本电力（J－power）公司正在开发IGFC（煤气化和固体氧化物燃料电池集成发电）技术，其能源效率有望达到55％。这些研究表明，以煤为原料的IGFC技术及氢－电联产技术的能源效率都可明显高于正在研究开发的能源效率达到48％的新一代超临界发电技术。在我国经济社会发展过程中，受发展阶段及发展方式、人口及消费模式等诸多因素的影响，能源消费总量快速增长，环境污染问题日益突出，许多地区雾霾天气经常出现，二氧化碳排放总量跃升至世界首位，调整我国能源结构是解决问题的重要措施。控制能源消费总量、调整能源消费结构成为我国必须着力解决的问题。面向未来，我国的能源结构中，可再生能源及核电的比例会逐步上升，然而国情决定在很长的时间内，化石能源仍是主要能源，且化石能源中煤炭是主要的一次能源的格局不会改变。必须高度重视化石能源的高效清洁利用，尤其是煤炭的高效清洁利用。通过转化成氢能不仅可实现煤炭等化石能源的高效利用，而且利用过程的清洁环保程度高于电能、油品等二次能源。 从化石能源制氢过程分析，煤炭（包括劣质煤炭）、石油产品（包括高硫渣油、石油焦或石油沥青）、天然气采用如下图的非催化部分氧化气化制氢：原料中的碳和氧气在高温气化炉内发生反应，生成合成气，合成气的主要组成为一氧化碳、氢气、二氧化碳，还含有原料中硫化物转化成的硫化氢，原料中的重金属会聚集到气化炉排出的灰渣中。 对于天然气制氢过程，因天然气本身清洁，合成气不会含硫化氢，也没有重金属排放，其流程更简单。合成气经过水煤气变换，脱除硫化氢、二氧化碳后，通过变压吸附即可得到高纯氢气，硫化氢经过脱硫制硫装置可转化成硫磺加以回收利用。整个过程不产生氧化氮，氧化硫排放量也很低。 中国华能绿色煤电示范工程 ▼ 2012年中国华能集团公司在天津建成ＩＧＣＣ示范电站，装机容量265ＭＷ，采用２台干式粉煤加氢气化炉，生成的合成气净化后进燃气轮机发电，长周期运行结果显示，粉尘排放量为0.6ｍｇ／ｍ３，ＳＯ２排放量为0.9ｍｇ／ｍ３，ＮＯｘ排放量为50ｍｇ／ｍ３，其中ＮＯｘ排放由燃气轮机发电过程产生。
天然气制氢采用下图的水蒸气重整工艺，某天然气蒸汽重整制氢装置的工艺数据如下表所示。
该工艺技术成熟，工业化生产经验丰富，高热值当量热效率可达83.9％。该过程中，蒸汽重整反应在并列管式反应炉中进行，反应温度850℃，压力1.5～3.0ＭＰａ，反应炉烟气中含有ＮＯｘ，虽然与天然气气化制氢工艺相比有一定量的ＮＯｘ排放，但也是清洁的制氢工艺。 从作为能源利用的过程看，氢气在燃料电池中与氧气反应产生电，生成水，没有任何污染物排放。综合化石能源制氢与氢能利用的全过程，氢能是最清洁、最环境友好的二次能源。从全寿命周期看，氢燃料电池汽车才是最接近零污染排放和最低二氧化碳排放的汽车，并且氢能利用方式具有高能源利用效率，因此氢能是化石能源高效清洁利用的最佳方式。正因为如此，世界上一些知名的汽车公司和能源公司都十分重视氢能及燃料电池技术开发，如戴姆勒奔驰汽车公司始终将燃料电池汽车视为可持续交通的终极解决方案；壳牌公司认为氢能将成为未来汽车的主要动力之一。美国加州对机动车排放的管控世界领先，2011年12月加州环保局空气资源董事会发布的“先进清洁汽车”报告提出了“先进清洁汽车计划”，明确在满足环境空气质量标准和减少温室气体排放上继续担任领先角色，要协调低排放汽车、零排放汽车和清洁燃料的销售，期望的目标如下图，到2040年新车销售中零排放汽车销量接近100％，2050年道路行驶汽车中氢燃料电池汽车约占６０％，与电动汽车合计占道路行驶汽车的８７％。加州“先进清洁汽车计划”也印证了氢能是最清洁和高效的二次能源。 发展氢能可以实现化石能源的高效清洁利用，可以成为风电、光电等不稳定电能的大容量储能手段，是能源利用上的一项重大变革，这项变革是一个逐步推进的过程。目前处于市场起步阶段的燃料电池汽车成本高，加氢站建设、氢气的储存运输投入大、运行费用高，暂时难以被市场接受并大规模推广，但是随着技术的进步及市场规模的扩大，其经济性会明显改善。如丰田汽车公司２０１４年１２月开始向市场发售Ｍｉｒａｉ燃料电池汽车，其２０１４年电池堆的成本是２００８年的１／２０。从事燃料电池汽车研究的专家预计，未来燃料电池汽车的成本将与同级别的电动汽车、混合动力汽车、内燃机汽车相当。燃料电池是氢能利用的最佳方式，燃料电池汽车的开发与推广将使传统内燃机汽车、汽油、柴油逐步失去市场，传统汽车产业、炼油业是受到直接冲击的产业，与其相关的一批产业会间接受到冲击。与炼油业相关的产业就有石油开采、石油与成品油运输、石油与炼油工程、石油与炼油装备制造等等，涉及面非常广。顺应氢能的发展，将石油加工、油品销售转变成制氢、储氢、氢气销售，炼油行业将会在转型中获得新生；将内燃机汽车制造转变成燃料电池汽车制造，内燃机行业也将从产业创新中得到新的发展。充分认识氢能的开发利用将会给已有产业带来冲击以及给产业转型、产业创新带来的机遇，应对冲击、把握机遇、未雨绸缪，积极参与科技创新、产业创新，适时实施产业转型才是正确的选择。氢气是一种易燃易爆气体，在空气中的爆炸极限是４％～７５％（φ），发展氢能时人们最担心的是氢能使用的安全性问题。国内外物理危险性类似氢气的气体利用及制氢用氢实践证明，氢气利用中的安全风险是可以控制的。乙炔俗称电石气，相对分子质量为２６．０４，气体密度为１．１６ｋｇ／ｍ３，熔点为－８０．８℃，沸点为－８４℃，易燃易爆，在空气中的爆炸极限是２．３％～７２．３％。因分子中有不饱和的炔键，化学性质活泼，在液态和固态下，或在气态和一定压力下就有猛烈爆炸的危险。可是利用其在氧气中燃烧可达３６００℃的特性，将其广泛应用于气焊和气割。氢气在空气中的爆炸极限与乙炔相近，但其密度小，仅为0.0899ｋｇ／ｍ３，密度仅为空气密度的１／１４，轻微泄漏很容易在空气中向上逸散，乙炔的密度是空气密度的９０％，泄漏到空气中时其扩散比氢气要困难得多，与乙炔气相比氢气发生着火爆炸的危险性要小，应该可以像乙炔那样广泛应用。关于氢气的安全风险控制，国内外已积累了丰富的经验。炼油厂内一般都有制氢装置和采用加氢工艺的油品加工装置，而且采用高温高压加氢工艺进行油品深度加工的装置越来越多，制氢用氢超过５０ｋｔ／ａ的炼油厂越来越多；中国神华集团１Ｍｔ／ａ直接法煤制油项目中煤制氢装置的产氢量约为１２０ｋｔ／ａ，用氢装置都是高温高压装置。大量制氢、用氢的炼油及现代煤化工工厂极少发生制氢用氢系统的着火爆炸事故。为开发和推广燃料电池汽车，全球已建成运行的加氢站超过２００座，还没有发生过加氢站着火爆炸事故的报道。２０１６年７月笔者专门赴日本进行氢能考察，其中一项重要的内容是考察日本开发利用氢能的安全规范标准和安全风险防控措施。所接触的日本专家都介绍，他们的做法就是严格执行日本政府２０世纪５０年代发布的“高压气体法”，没有另立其它安全规范与标准。日本岩谷产业制氢工厂有两条3000Ｌ／ｈ的液氢生产线，两条600ｍ３／ｈ（标准状态）的高压压缩氢生产线，产生的氢气全部外销，液氢用专用液氢罐车，20ＭPa高压压缩氢气用集装压缩气瓶车送到客户处，该工厂已投运11年，严格执行“高压气体法”，没有发生过安全事故。参观考察了３个公司、６座加氢站，除丰田汽车厂试验车厂加氢站以外，都建在居民稠密区（如图６所示），与居民住宅的距离只有一墙之隔，站内有储存压力为７０ＭＰａ的氢气瓶、小型氢气高压压缩机、向燃料电池汽车注氢的加氢机。采用集装高压气瓶车将氢气送到加氢站，通过管线转移到站内的储气瓶中，是一个完整的接、卸、储、加系统；还有一个加氢站用站内的以丙烷为原料的小型制氢工厂供氢，不需要外供氢气。在北九州八幡市氢能示范社区，用家用燃料电池为家庭和公用设施供电、供热水，从新日铁工厂向社区供氢的管线如图７所示，这些管线穿过ＪＲ高速铁路和北九州都市高速路，离管线５ｍ处有员工宿舍，离管线１０ｍ处有居民住宅。为了及时发现管线泄漏，在氢气中注入质量分数为１０－６数量级的有臭味的环己烯，同时在管线上铺设了光缆，对氢气管线运行过程中的异常情况及时进行报警处理。对于燃料电池汽车在意外情况下的安全性问题，丰田汽车公司展示了燃料电池车碰撞实验的视频，在外力撞击致车辆彻底破坏的情况下，储氢的高压气瓶完好无损；并且在车辆遭遇突发事故时，氢气罐可采用快速卸压等安全措施以保障安全。在日本进行氢能开发利用的商业示范中，认为安全距离只要符合“高压气体法”的规定，控制氢气安全风险的措施就是严格执行“高压气体法”。 氢气作为能源使用有明显的优势，但是由于氢气的特殊性质和使用过程的特点，也面临一系列的挑战，既有技术性问题，也有经济性问题。比如氢气是世界上已知的密度最小的气体，沸点为－252.8℃，熔点为－259.2℃，可压缩成高压气体或转化成液体储存运输，工程技术问题都可以解决，但各有难度、成本高；汽车是随机变速的移动机械，燃料电池作为汽车动力，电池的电能输出要与随机的动力需求契合，技术上可以找到解决方案，但动力系统必将复杂化，同时导致成本增加。由于技术和经济性上一直面临挑战，因此提出燃料电池原理117年后的1955年，燃料电池才开始商业应用于美国的双子星计划（ProjectGemini），1991年才发明首个应用于汽车的氢氧燃料电池。经过一代又一代科学家和工程师坚持不懈的努力，燃料电池汽车商业化的条件逐步成熟。我国进行燃料电池的研究开发已经有四十多年的历史，经过努力国内已掌握了燃料电池汽车整车、动力系统和关键部件的集成技术。但是我国开发的燃料电池汽车的性能数据与国外已在市场销售的燃料电池汽车的性能数据相比，电池的功率密度、寿命、低温环境适应性等都存在明显的差距。围绕氢能的开发利用，国际上除了燃料电池汽车研究外，还在进行新一代高效化石能源制氢技术、高效低成本电解水制氢技术、多孔材料储氢技术、化学储氢技术、家庭用燃料电池技术、工业及商业用燃料电池技术等的研究与开发。在日本家用燃料电池２００９年就开始进入市场，预计２０２０年、２０３０年家用燃料电池的销量将分别达到１４０万台和５３０万台，２０１７年工业及商业用燃料电池也将进入市场。我国在上述方面的差距也很大。在氢能利用中，氢气的压缩、液化、储存及运输过程，加氢站氢气接卸、压缩、氢气加注过程对工艺操作及设备、材料及仪器仪表都有很高的技术要求。国外都进行过相关技术研究，我国的研究则比较迟后。我国已制定的加氢站设计规范及标准与国外标准规范也有不小的差距，要通过研究论证修改完善。我国氢气长距离管道运输还没有设计规范及标准，要尽快研究制定。这些问题解决不好，都会成为氢能开发利用的制约因素。总之，氢能开发利用是一项系统工程，必须有完整的、系统的技术支持，要针对我国存在的问题和差距，加大研发投入，开展协同创新，组织联合攻关，形成支持氢能开发利用的系列技术。在氢能开发方面，要开展化石能源高效制氢及水电解低成本高效制氢技术研究。化石能源高效制氢技术包括化石能源高效制合成气技术、合成气脱硫脱碳与水蒸气变换制氢集成新工艺、低成本提纯生产高纯度氢气新技术等。水电解低成本高效制氢技术包括新型电极及隔膜技术、电解质改性技术。面向未来的技术还包括热化学制氢、光催化制氢、光电化学制氢、太阳能直接制氢技术。在储氢技术与装备研究方面，压缩储氢、液化储氢是近中期可行的储氢和氢气运输方式，其技术与装备研究的重点是承压70MPa和90MPa氢气瓶用的低成本碳纤维材料生产技术和氢气瓶制造工艺及装备技术，高压氢气瓶及液氢储罐使用寿命检测评估技术。着眼长期的储氢技术有化学储氢技术、多孔材料吸附储氢技术。加氢站装备制造技术研究的重点是新型防爆单电机驱动小型多缸氢气高压压缩机设计及制造技术，加氢枪批量制造装备及工艺技术，加氢枪使用安全性监测检验寿命评测技术。操作工艺技术研究的重点是氢气接卸及车辆注氢全过程生热与温度控制技术。车用燃料电池研究包括高功率密度、高效燃料电池研究，无铂高效高功率密度燃料电池研究，低成本燃料电池汽车整车集成技术研究。其它用途燃料电池研究包括工业用大功率高效燃料电池技术研究，燃料电池与化石能源气化制氢发电集成（ＩＧＦＣ）技术研究；家用高效燃料电池技术研究，燃料电池与家庭供热、制冷集成技术研究。在氢能开发利用的规范标准研究与制定方面，要致力形成氢能安全高效开发利用的国家标准体系，重点是借鉴国外的规范标准，围绕加氢站、氢气液化运输及氢气高压压缩运输专用设备、氢气长距离管道输送，研究建立相应的达到国际先进水平的系列标准，如：充分利用土地资源并可保证安全的加氢站的规划设计、建设、使用、维修标准系列；液氢储罐和高压储氢瓶的设计、制造、使用、维修、检验、监测、寿命评估技术标准系列；液氢和高压压缩氢运输车辆的设计、使用、维修标准系列；氢气长输管线的设计、施工、检验标准系列。氢能是实现一次能源高效利用的最有效途径，是最清洁的二次能源，发展氢能将有力推动产业创新和产业转型，氢能开发利用中的安全风险是可以控制的，系统完整的技术支持是实现氢能开发利用的关键。我国要针对氢能开发利用技术与国外的差距，开展化石能源高效制取高纯度氢气及水电解高效低成本制氢技术、储氢技术、储氢装备和加氢站装备材料及制造技术、高功率密度低成本车用燃料电池技术、家庭和工业用燃料电池技术等的研究与开发，同时建立氢能安全高效开发利用的国家技术标准体系。作者： 中国石油化工集团公司：曹湘洪； 参考文献： [1] 日本新能源产业技术综合开发组织．ＮＥＤＯ 氢能白皮书（日文版）［Ｒ］．2015. [2] 陈俊武，李春年，陈香生．石油替代综论［Ｍ］．北京：中国石化出版社，2009：570－579. [3] ＧａｒｙＤ，Ｔｏｍｌｉｎｓｏｎ Ｇ．Ｈｙｄｒｏｇｅｎｆｒｏｍ Ｃｏａｌ［Ｒ］．ＭｉｔｒｅｔｅｋＴｅｃｈｎｉｃａｌＰａｐｅｒ，ＭＴＲ２００２－３１. [4] Ｊ－ＰＯＷＥＲＧｒｏｕｐ．ＨａｒｍｏｎｉｚｉｎｇＥｎｅｒｇｙＳｕｐｐｌｙｗｉｔｈｔｈｅＥｎ－ｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ［Ｒ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｐｏｗｅｒ．ｃｏ．ｊｐ／ｅｎｇｌｉｓｈ／ｃｏｍｐａｎｙ＿ｉｎｆｏ／ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ／ｐｄｆ／ｅｒ２０１６ｐｄｆ／１６－ａｌｌ．ｐｄｆ. [5] 许世森，刘练波．火电厂燃烧后和燃烧前 ＣＯ２捕 集 技 术 研 发与示范［Ｊ］．基石，２０１６，４（４）：５０－５５. [6] ＨｅｌｌｅｎｉｃＳｈｉｐｐｉｎｇ Ｎｅｗｓ．Ｂｉｇ ＯｉｌＲｅｐｌａｃｅｓＲｉｇｓｗｉｔｈ ＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅｓ ［Ｒ／ＯＬ ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｉｎｔｅｒｓｔｅｌｌａｒ．ｃｏｍ／ａ／ａｒｔｉｃｌｅ／５８. [7] ＣａｌｉｆｏｒｎｉａＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ａｇｅｎｃｙ ＡｉｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓＢｏａｒｄ．ＡｄｖａｎｃｅｄＣｌｅａｎＣａｒｓ［Ｒ］．２０１２ｐｅｓ－４. [8] 経済産業省．「水素·燃料電池戦略ロードマップ」を と り まと め ま し た ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｅｔｉ．ｇｏ．ｊｐ／ｐｒｅｓｓ／２０１４／０６／２０１４０６２４００４／２０１４０６２４００４．ｈｔｍｌ. 在积极关心我国煤炭深加工产业发展、煤炭清洁利用的领导和专家以及广大读者的大力支持下，又和大家见面了。第六版《报告》紧密结合“十四五”国家对产业发展和环境质量提出的要求，重点分析了：2019年我国煤炭深加工产业发展现状、“十三五”取得的成绩；“十四五”产业发展重点和技术方向；产业竞争力技术途径；“十四五”产业关键技术创新，包括现代煤气化技术、大型气体净化及甲醇合成技术、现代煤化工产业链技术、现代煤化工环保节能节水技术、现代煤化工大型装备国产化技术等的创新以及创新体系研究等。对煤制天然气、煤制烯烃、煤制乙二醇、甲醇制烯烃的国内外技术研究动态，技术运用情况，存在问题，投产项目、在建项目、前期项目简况等进行了报道；对当前一些颇受关注的催化剂技术和煤气化技术比选评价方法进行了研究; 对近40个重点煤基化工产品性能、应用及2019年以来的市场和趋势进行了分析预测。总之，第六版《报告》，不仅详细分析总结了现代煤化工产业发展及技术现状，还注重了“十四五”的发展研究。提出了一些适应“十四五”我国高质量发展的产品。对“十四五”我国煤炭深加工产业发展、技术、标准的创新，加重了研究份量，突出了《报告》的引导性。《报告》是我国煤炭清洁高效利用、现代煤化工产业发展不可多得的参考资料。欢迎订阅！ 定价1680元/册。订购2册以上，并于春节前汇款，按85折优惠！目 录 煤炭深加工/现代煤化工产业发展现状及“十四五”发展趋势和发展重点1.6 煤制天然气投产项目、在建项目、前期项目概览4.1 兖矿集团流化床高温费托合成沉淀法铁基催化剂开发与放大研究项目4.2 上海兖矿能源科技研发有限公司铁基浆态床低温费托合成催化剂项目4.3中科合成油技术有限公司内蒙古准格尔旗大路煤化工基地中科合成油一期1.2万t/a催化剂项目4.4 北京大学马丁课题组、张亚文课题组、中国科学技术大学李微雪课题组合作项目4.5 日本富山大学教授椿范立团队和厦门大学教授王野团队联合项目6 中煤图克200万t/a合成氨350万t/a尿素项目7 中煤榆横煤制180万t/a甲醇转制60万t/a烯烃项目煤炭深加工升级示范“十三五”规划 重大项目评估工作细则关注公众号，获取更多信息 
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