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1、8变压吸附技术交流会2 0 0 6 年5 月威都 我国氢气生产现状和预测 陈霖新 1 氢的用途 我国目前氢的用途主要是：原料气或石油炼制过程加氢，用于合成氨生产化肥、合 成甲醇，各类油品炼制过程的加氢精制、净化、裂化等。各种工业产品生产过程以氢气 作为保护气体、还原气体等，广泛用于钢铁、电子、有色金属、浮法玻璃等行业的产品生 产。据不完全统计，目前国内各类氢用途的总用氢量约8 0 0 万吨年，其中用于合成氨、 合成甲醇的合成气的氢约占8 2 _ 8 7 ，用于石油炼制过程加氢的用氢量约占1 卜1 5 ，其 他用途的工业氢气用量约占3 左右。合成氨等的合成气主要是由煤、石油和天然气为原料 采用气
2、化、部份氧化、转化等方法制成C O + H 2 的合成气，经净化、变换、合成生产氨、甲 醇产品；为提高氢的利用率，国内许多合成氨厂、甲醇厂设有驰放气变压吸附提纯氢装置 或膜法提纯氢装置回收驰放气中的氢气，此类氢气混入合成气中提高氨产量或向社会出售 工业氢气供各行业使用。 石油炼制过程所需氢气，大部份由炼油工厂自身的含氢气体中提纯氢气，表l 是石油 炼制过程中含氢气体组成。目前国内许多石化工厂都设有变压吸附提纯氢装置、膜法分离 提氢装置，据了解大型P S A 装置均设在一些石化工厂中，如：浙江镇海石化公司设有 6 0 0 0 0 N m 3 h 、7 0 0 0 0 N m 3 h 的P S A
3、 装置多套：广东茂名石化工厂设有6 0 0 0 0 N m 3 h 的P S A 装置；山东齐鲁石化公司设有6 0 0 0 0 N m 3 h 的P S A 装置；大连石化公司设有1 0 万N m 3 h 等P S A 装置多套等。当从石油炼制过程的各类含氢气体中回收的氢气不能满足需要 时，尚需采用天然气转化制氢等制氢装置。 表1 石油炼制过程中含氢气体的类型和组成( 协) 组分催化重整尾气加氢精制尾气加氢裂化尾气催化裂化干气 H 2 8 0 8 57 0 8 06 0 7 02 0 5 0 N 2 2 0 5 0 C H 45 1 01 5 2 02 0 2 51 0 1 5 C 2 H 6
4、 5 1 03 52 33 5 C 3 H 8 2 52 33 41 2 C 4 + 2 55 6 C O1 2 C 0 2 2 3 H 2 0 1 31 31 3 2 0O 5 1 气体压力( M P a )0 8 。1 3 2 0 0 6 年5 月成都变压吸附技术交流会 9 2 氢气制取方法的现状 氢气是清洁能源，也是重要的化工原料。氢气的制取都是从一次能源转化而来，目前 我国制取氢气的方法主要有：煤、焦碳气化制氢，天然气或石油产品转化制氢，各种工业 生产的尾气回收或焦化厂、氯碱厂付产氢以及水电解制氢等。作为化工原料的含氢气体基 本采用化石燃料制取，而作为工业氢气、石化行业加氢用的氢气，基
5、本采用含氢气体或工 业生产的含氢尾气利用变压吸附法( P S A ) 或膜法分离或水电解法制取，这些制取方法国内外 均有成熟经验。 化石燃料煤、石油、天然气是我国目前生产氢气的主要原料。以煤为原料制取的 焦炉气、水煤气、半水煤气等是当前我国生产合成氨、甲醇等的主要氢源，以石油、天然 气转化制取的C O + H 。的合成气也是合成氨、甲醇的重要氢源。为获得纯度为9 9 的氢气， 需将上述的含氢气体( C O + H 。) ，经过水蒸汽变换( C O + H 。O - - * H ，+ C O 。) 获得H 。、C 0 。混合气，经过 变压吸收法、膜法分离等方法制取纯度 9 9 的氢气；其解吸气或
6、尾气可作为燃料气进行利 用。天然气、煤制气转化制取氢气的技术经济性，主要取决于装置的规模、转化炉的类型 以及整个系统的热利用状况等因素。我国目前变压吸附法制取纯度大于9 9 的装置能力可 达每小时数十万m 3 。 水电解制氢技术，设备简单、运行可靠、管理方便，不产生污染，制得的氢气纯度较 高、杂质含量少，可应用于各种使用氢气的场所。唯一的缺点是电能消耗较大，通常情况 下电解氢气的成本较高。目前商品化的水电解制氢装置的操作压力有常压、低压和中压， 国内批量生产的压力水电解制氢装置的压力为0 8 3 O M P a 。操作温度为8 p 固O ，氢气 纯度 9 9 7 ，氧气纯度为9 9 5 ，单位
7、制氢电能消耗最低可小于4 5 k w h N m 3 H ：。我国 每年有近百套氢气产量为3 5 0 N 一h 的水电解制氢装置投入使用。设备使用寿命2 0 - - 4 0 年。 近年来，由于“氢能”受到世界各国的关注，低电能消耗的水电解制氢装置正在研制中， 据报导日本的科技人员研制的水电解制氢装置( 实验型) ，单位制氢电能消耗仅 3 8 k w h N m 3 H 2 。 焦炉煤气中氢的回收利用，2 0 0 5 年我国焦炭年产量已超过2 亿吨，钢铁工业企业的焦 碳产量近半，其余为独立焦化厂和其他类型的焦炭生产。生产焦碳的同时可得到含氢气 量为5 0 “ - 6 0 的焦炉煤气，生产一吨焦碳
8、可获得4 2 0 N m 3 左右的焦炉煤气，年产焦炉煤气超 过8 0 0 亿S m 3 ；若以变压吸附法从焦炉煤气中提纯氢气将可得到4 0 0 亿N m 3 以上，这种提纯 氢气的装置在宝钢、武钢、太原钢厂、邯郸钢厂、攀枝花钢厂等的焦化厂以及石家庄焦化 厂、威远焦化厂、山西焦化厂等企业已经运行多年，具有成熟的经验。 l O变压吸附技术交流会2 0 0 6 年5 月成都 氯碱厂付产氢的回收，在氯碱工厂以食盐( N a C l ) 水溶液为原料，采用离子膜或石棉 隔膜电解槽生产烧碱( N a o H ) 、氯气( C 1 。) ，同时还得到付产氢气。若将此类氢气经过杂质 去除后可得到9 9 的氢
9、气，目前国内已有多家氯碱工厂的付产氢经过P S A 提纯等方法去除 杂质后获得9 9 9 9 9 9 9 的氢气供各行各业使用或生产双氧水。如四川鸿鹤化工厂( 自贡 市) 氯碱生产的副产氢提纯供邻厂使用多年；烟台氯碱厂将副产氢提纯供合成革生产用氢； 河南平顶山氯碱厂、陕西化工总厂等均具有生产实践经验，并取得较好经济效益：但是大 部份氯碱厂尚未将副产氢回收利用，表3 是部份氯碱厂产量。据了解我国的氯碱工厂的烧 碱生产能力约为8 0 0 万吨年：若按每生产一吨烧碱可付产氢气约2 7 0 N t 0 3 t N a O H 计，每 年可获得约2 1 亿N m 3 的氢气。现我国有年产2 万吨的氯碱厂
10、数十家，若能回收付产氢气， 一个年产2 万吨的氯碱厂可日产氢气约1 5 0 0 0 m 3 d 。 衰2 国内部份离子膜法氯碱厂能力 工厂产量( 万吨侔)工厂 产量( 万吨，年) 沈阳化工公司5 O青岛化工厂6 0 杭州电化公司2 O常州电化厂6 0 新疆化工厂2 0东营黄河氯碱厂1 0 保定电化厂2 0北京化工二厂1 2 0 太原化工厂2 O无锡化工集团3 0 江苏北方化工集团5 5苏州农药厂2 0 开封东大集团5 0烟台氯碱厂2 0 山东农药公司3 0浙江嘉化集团3 0 四平联化工厂2 0山东维坊亚星集团2 0 3 氢气供应的预测 国内已经成熟的、商业化的各种制氢方法，按照未来清洁能源的要
11、求，既要改善生态 环境，又要制氢成本低廉、数量巨大、来源丰富，可能至今还没有种制氢方法能被人 们认为是“满意”的。但是，国内外经济发展的需要，改善人类生存环境的需要，我们必 须寻求能够代替或部份代替日复一日污染人类生存环境且最终将会枯竭的化石燃料的清洁 能源。氢的资源极其丰富，但氢是存在于各种形态的化合物中，因此要获得用作氢能的数 量巨大、价格低廉、环境友好的氢源，氢气制取方法主要有： 2 0 0 6 年5 月成都变压吸附技术交流会 、3 ，1 含氢尾气( 驰放气) 、副产氢气的回收利用。如前所述，合成氨厂驰放气回收氢、焦 化厂副产焦炉煤气提纯氢、氯碱工厂副产氢提纯等回收的氢气作为氢能应用，只
12、要回收方 法合理，将会获得氢气数量可观、经济效益较好的实效。经过综合规划，采用合适的方式 将这类氢气进行汇集、储运，应用于天然气汽车掺混燃烧或燃料电池汽车。采取这种氢能 的实际应用，既可降低C 0 2 、N 0 x 等污染物的排放量，为改善城市大气环境状况作贡献； 还可以逐步提高公众对氢能作为清洁能源的了解和认知，为大规模推广应用氢能创造条件。 3 2 利用可再生能源一水力发电、风力发电、太阳能发电等生产的电能电解水制氢。 我国中、西部地区水力资源十分丰富，经过多年的开发建设，在中、西部地区已建成一批 大中型的水电站，我国水电资源为3 7 8 亿k W ，年发电量约为2 8 0 0 亿k W
13、h ；我国的水电 装机容量达8 0 0 0 万k W 。四川、云南、湖北、湖南和甘肃等省电力供应中水电供应量已占 1 3 1 ，2 。国家重点工程“西电东送”的建设将会提高水电利用率，但在每年的丰水期或调 峰的需要仍有大量的弃水损失发电量，据了解著名的三峡水电站建成后，平枯年都有弃水， 根据长江的天然水来水情况，弃水主要发生在每年的5 8 月，弃水电能多达4 5 亿k W h 。 即使建设一座装设1 8 0 万k W 的抽水蓄能电站联合运行，三峡电站的弃水电能还将有2 l 亿 k W h ，若将此电能利用于水电解制氢：可生产氢气4 - _ 4 5 亿N m 3 。四川地区水电资源丰富， 年发电
14、量约占全国2 5 ，2 0 0 0 年四川水电装机容量占总容量的6 0 ，季节性电能达3 6 亿 至3 9 亿度，利用水电解制氢，将可获得廉价氢气；四川地区中小型径流水电站能力数百万 仟瓦，季节性电能出路何在? 若能统规划、合理用于制氢，将是巨大的氢源。 我国风能利用技术发展很快，目前我国的风能发电的装机能力达数十万k W 。我国的仅 陆地可利用风能约2 5 3 亿k W ，沿海风力资源十分丰富，国家正筹备建设数个沿海风电厂， 发电能力达数百万千瓦，陆地风电资源相当于水力资源2 3 ，居世界第三位。由于风能发电 量是随风力变化而变化，每天2 4 h 发电量都在随风力变化着，很难与用电负荷匹配，
15、所以 如何充分发挥风能设备的能力，仅靠电网调度是困难的，必须解决储能问题。国内外的学 者都在寻求解决的办法，据报导利用电解水制氢的燃料电池发电储存和平衡风能发电的开 发研究就是一例。若果利用风能发电的电力制氢，既解决风电的“储能”又可供给一定数 量的“氢能”，也是一个可行的方式，着手进行“利用风能发电用于水电解制氢一燃料电池 进行储能”的开发研究。 近年太阳能光伏电池发电技术发展迅速，国内已建成几个批量生产企业，太阳能发电 与风电一样具有间歇性和随机性，所以利用太阳能发电用于水电解制氢的开发研究正受到 世人关注。 1 2变压吸附技术交流会2 0 0 6 年5 月成都 3 3 利用化石燃料多联产
16、制氢，我国煤和煤层气资源丰富，我国的能源政策必须要充 分利用我国的煤和煤层气资源，尤其是我国长江以北地区。根据国内外煤化工技术的发展 和改善人类生存环境的要求，煤制氢或天然气制氢一定要采取综合利用的途径，即将煤层 气或天然气制氢与化学品一甲醇、醋酸等生产相结合。如在煤矿或煤层气矿邻近建立水煤 浆气化装置或煤层气转化装置获得H 2 、C O 、C 0 2 混合气，经P S A 装置、膜分离装置提纯 氢气，同时也生产甲醇、醋酸、化肥等化学品。如上海焦化厂那样的综合煤化工工厂。 我国天然气储量已探明达2 7 亿万m 3 ，气田主要分布在西南、西北，西气东送工程的 启动，采用天然气制氢是目前尚未找到无污染、低成本的规模制氢方法前的一种可行的规 模制氢方式，但如前所述必须同生产化学品、城市燃料气等综合规划、统筹安排：以达到 充分利用资源和二氧化碳减排
