國內(nèi)外氫氣的生產(chǎn)和消費(fèi)分析報(bào)告

國內(nèi)外氫氣(H2)的生產(chǎn)和消費(fèi)分析報(bào)告白雪松1

氫氣的生產(chǎn)及利用概述1.1

氫氣性質(zhì)及技術(shù)指標(biāo)1.1.1

氫氣的性質(zhì)氫氣是無色無味的氣體，密度0.0695g/cm3,相對分子量2.0158。能燃燒，并能與許多非金屬和金屬直接化合。在常溫下不活潑，但在高溫時(shí)或催化劑存在時(shí)則十分活潑。用于制造合成氨、鹽酸、硬化油、合成甲醇、有機(jī)化合物加氫等工業(yè)，也用作金屬礦的還原劑和作氫氣球等。氫是公認(rèn)的最潔凈的燃料，也是重要的化工合成原料。但它不是一次能源，它是要從一次能源通過轉(zhuǎn)換生產(chǎn)出來的能量載體。它又多以高壓氣態(tài)形式作為燃料或原料，在長距離輸送分配方面相對地存在著一定困難。因此，多數(shù)氫氣用戶建有制氫裝置，而較小規(guī)模的用戶則采用外購氫氣或液氫(一般為鋼瓶)。1.1.2

氫氣的技術(shù)指標(biāo)我國現(xiàn)行《氫氣》國家標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)國家技術(shù)監(jiān)督局批準(zhǔn)發(fā)布并于1996年8月1日開始實(shí)施，定義純度99.99%以下的氫氣為工業(yè)氫，大于或等于99.99%的為純氫，大于或等于99.999%的為高純氫，大于或等于99.9999%的為超純氫，各類氫氣的技術(shù)指標(biāo)見以下各表：表1工業(yè)氫標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目指標(biāo)優(yōu)等品一級品合格品氫純度10-2≥99.9099.5099.00氧含量10-2≤0.010.200.40氮含量10-2≤0.040.300.60氯

堿

水分露點(diǎn)/℃≤-43--

游離水/(ml/瓶)≤-無100注：①中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)氫》GB/T3634-1995②含量與純度均為體積比③水電解氫不規(guī)定氯含量表2純氫、高純氫和超純氫質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目指標(biāo)超純氫高純氫純氫氫純度10-2≥99.999999.99999.99氧含量10-6≤0.215氮含量10-6≤0.4560一氧化碳含量10-6≤0.115二氧化碳含量10-6≤0.115甲烷含量10-6≤0.2110水分10-6≤1.0330注：①中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《純氫、高純氫和超純氫》GB/T3634-1995

1.2

氫氣的貯存與運(yùn)輸通常，所有需要連續(xù)和大量使用氫氣的地方，都是采用現(xiàn)場生產(chǎn)，就地使用，如果需要的話，其貯氫量也不會很大，一般采用中低壓貯罐貯存，主要用于應(yīng)急、緩沖或調(diào)峰，其運(yùn)輸方式不言而喻，均為管道輸送。只有用氫量不大或不需要連續(xù)使用氫氣的地方，才涉及到氫的貯運(yùn)問題。氫的貯運(yùn)有四種方式可供選擇，即氣態(tài)貯運(yùn)、液態(tài)貯運(yùn)、金屬氫化物貯運(yùn)和微球貯運(yùn)。目前，實(shí)際應(yīng)用的只有前三種，微球貯運(yùn)方式尚在研究中。

(一)氣態(tài)氫由于氣態(tài)氫密度低，比容大，只有高壓貯運(yùn)才可能有效率。高壓貯氫容器為普通鋼瓶或管束式拖車。對用氫量少而分散的眾多用戶，采用高壓氣體鋼瓶貯運(yùn)的形式是比較經(jīng)濟(jì)的。這種方式的特點(diǎn)是可以在恒定的壓力下獲得氫氣，簡單而迅速，且易于移動(dòng)。氣體壓縮的經(jīng)濟(jì)性也很顯著，如假定壓縮效率為100%，所需的能量僅比壓縮氫的低燃燒熱值高5%。但這種方式僅能貯存和運(yùn)輸少量的氫氣。高壓氣體鋼瓶的使用溫度范圍為-50~60℃，中國常用的鋼瓶容積多為40L(水容積)，工作壓力多為15MPa。國外常用鋼瓶多為50L(水容積)，典型工作壓力范圍15~40MPa，常用工作壓力20MPa。我國充裝氫氣的鋼瓶應(yīng)符合GB5099的規(guī)定，高壓氫氣瓶顏色規(guī)定為：外表深綠色，字樣為紅色“氫”，當(dāng)額定工作壓力為15MPa時(shí)不加色環(huán)，20MPa時(shí)，加黃色環(huán)一道，30MPa時(shí)，加黃色環(huán)二道。按有關(guān)規(guī)定，所有可燃?xì)怏w鋼瓶的閥門接口均應(yīng)有別于惰性氣體，為反絲(逆時(shí)針方向進(jìn))螺紋接口。用鋼瓶貯運(yùn)氫效率低，以水容積40L，質(zhì)量50kg的鋼瓶計(jì)，氫氣充裝壓力15MPa時(shí)，約可貯存氫氣0.485kg，貯氫質(zhì)量不足鋼瓶自身質(zhì)量的1%。較大量的氫氣允許在高壓(16550kPa)管束式拖車中運(yùn)輸，在美國，管束式拖車設(shè)計(jì)容量為708~5100m3。將來，超大規(guī)模貯存氣態(tài)氫的方法可以考慮利用枯竭的天然氣氣井作地下貯存。雖然按單位體積熱值計(jì)的貯氫成本高于天然氣，但卻可以借用現(xiàn)成的天然氣管道系統(tǒng)來輸送氫氣。美國得克薩斯州休斯敦/阿瑟港地區(qū)正在使用的一條225km長的輸氫管道就是這樣的氫氣貯存和輸送系統(tǒng)。盡管氫的液化是一項(xiàng)成熟技術(shù)，但由于氫的一些特殊物理性質(zhì)，如存在焦耳－湯姆遜轉(zhuǎn)變溫度，沸點(diǎn)低(20.4K)，液態(tài)正－仲自發(fā)轉(zhuǎn)化放熱等，使氫的液化成本高，且貯存和運(yùn)輸都有一定困難。要液化氫，首先得將氫預(yù)冷到焦耳－湯姆遜轉(zhuǎn)變溫度以下，然后經(jīng)制冷循環(huán)獲得液氫。貯存液氫時(shí)必須注意到氫液化時(shí)會生成兩種變體：正氫和仲氫，其比例約為3∶1，氫液化時(shí)必須進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化，將正氫轉(zhuǎn)化為比較穩(wěn)定的仲氫形式，直至平衡狀態(tài)(含99.8%的仲氫)。為避免液氫自發(fā)建立正－仲平衡時(shí)放出熱量，并強(qiáng)烈地蒸發(fā)液氫，運(yùn)輸槽車或倉庫中應(yīng)裝入仲氫含量高(>95%)的液氫。出于人類太空研究計(jì)劃的需要，液氫的貯存和運(yùn)輸量逐漸增大。目前已能建造貯存量1000m3以上容積的大型液氫絕熱貯槽。例如，美國原子能委員會(現(xiàn)能源部)在內(nèi)華達(dá)州的試驗(yàn)基地建有一個(gè)1893m3的大型液氫球罐。液氫遠(yuǎn)距離運(yùn)輸通常采用鐵路槽罐車，槽罐之液氫容量為36～107m3，采用專門設(shè)計(jì)的高真空低溫絕熱系統(tǒng)，以保證真空絕熱層的絕壓低于133MPa(1μmHg)，傳熱系數(shù)達(dá)到0.1163W/(m2·K)的要求。絕熱系統(tǒng)除高真空夾套外，還包括多層輻射屏蔽層。設(shè)計(jì)良好的液氫槽罐，能在20K溫度下較長時(shí)間內(nèi)貯存液態(tài)氫，液氫日蒸發(fā)率小于0.3%。由于液氫密度低(70kg/m3)，一個(gè)107m3的液氫槽罐，載重不到7.5t，完全可以用槽車運(yùn)輸。同時(shí)，由于氫的氣液體積比大，100m3液氫相當(dāng)于78800m3氣態(tài)氫，因此，液氫貯罐亦可作為需要大量使用氫氣工藝的工作貯備罐。(三)金屬氫化物比較有前途的一種氫貯存方式是用金屬氫化物法進(jìn)行氫氣的貯存與運(yùn)輸。這種工藝極其簡單，與壓縮氣體和低溫液化形成鮮明的對比，只要選擇一種適合的金屬氫化物，就能使氫在室溫和不太高的壓力下貯存于金屬氫化物中。用金屬氫化物貯氫的突出優(yōu)點(diǎn)在于：安全——?dú)涫翘幱诘蛪合?，與另一種物質(zhì)(貯氫合金)結(jié)合成準(zhǔn)化合物態(tài)而存在，不需要高壓，也不需要低溫；緊湊—貯氫密度高，即在一給定體積的氫化物中貯存的氫比相同體積的液氫重；高純度—從氫化物中加熱釋放出的氫具有極高的純度，通?？梢赃_(dá)到99.999%以上(對某些應(yīng)用須除去隨氫帶出的固體顆粒)。然而，到目前為止，真正將金屬氫化物貯氫用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的并不多，究其原因，主要有四個(gè)方面，①貯氫合金太貴；②由于貯氫過程中有大量熱量釋放出來，貯存器內(nèi)必須增加換熱設(shè)備，以除去放出的熱量；③氫化物自身很不穩(wěn)定，易受有害雜質(zhì)組分的毒害，多次使用之后，性能明顯下降；④貯氫密度雖高，但貯氫質(zhì)量比太低，即以質(zhì)量計(jì)，僅能貯存2%～4%的氫氣。作為金屬氫化物貯氫的應(yīng)用研究，較多的是作汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獾难芯?。例如，日本鈴木汽車公司研制出一種用Mg作粘結(jié)劑的Ti—Zr貯氫復(fù)合材料用于燃?xì)淦?，?jīng)受1000次循環(huán)而無衰退現(xiàn)象，它利用一臺貯氫量為37m3(標(biāo))的貯氫裝置(重約280kg)，驅(qū)動(dòng)車輛行駛200km。(四)微球貯氫有人提出用玻璃微球來貯存氫氣。球體直徑是200～500μm，壁厚是0.2～0.5μm，加熱到300～400℃，在高氫氣壓力(80MPa)下，氫氣透過球壁進(jìn)入球體，冷卻到室溫時(shí)，由于擴(kuò)散速度顯著降低而捕集到高壓氣體，通過加熱可回收氫氣。微球吸氫量較高，按質(zhì)量計(jì)約為5%~10%，但存在的問題是當(dāng)壓力太高時(shí)常會產(chǎn)生球體破裂，在環(huán)境溫度下球內(nèi)吸收的氫會緩慢泄漏。另外的研究還表明，鋁硅酸鹽沸石晶體也具有適合氫分子大小的通道和孔隙，但與玻璃微球貯氫一樣，也必須在極高的壓力下操作。目前微球貯氫技術(shù)仍在探索階段。國內(nèi)外氫氣生產(chǎn)和消費(fèi)的最大應(yīng)用領(lǐng)域是合成氨、甲醇或煉廠，這些領(lǐng)域均由現(xiàn)場供應(yīng)，通過管道輸送。商品氫的主要用戶有電子、玻璃、化工產(chǎn)品及直接液氫用戶如火箭燃料。國外商品氫主要是專業(yè)工業(yè)氣體公司供應(yīng)，包括氣態(tài)和液態(tài)形式，多數(shù)是以氣態(tài)氫的單用戶或多用戶管線供應(yīng)，也有以液氫或氣態(tài)氫的鋼瓶、汽車槽車、鐵路槽車等方式供應(yīng)，但這些業(yè)務(wù)只占?xì)錃馐袌龅暮苄∫徊糠?。氣態(tài)氫的供應(yīng)基本上是區(qū)域性的，管線供應(yīng)半徑很少超過200公里，液氫可以進(jìn)行長距離運(yùn)輸，供應(yīng)半徑很大，達(dá)到1000公里或更遠(yuǎn)。隨著能源價(jià)格的上升和人們對環(huán)保的日益關(guān)注，氫作為可再生能源或者重要的能源載體受到更多重視，氫氣貯運(yùn)技術(shù)是今后氫能利用的關(guān)鍵，也是氫能技術(shù)開發(fā)的重要方向，還需要更多工作。1.3

氫的主要生產(chǎn)方法氫氣主要是由化石能源天然氣（CH4）、原油（烴）或煤等原料，與水蒸汽在高溫下經(jīng)蒸汽轉(zhuǎn)化法、部分氧化法、煤氣化法等工藝生成。在轉(zhuǎn)化過程中，化石能源中的碳首先變?yōu)镃O（或CO2）。為了得到更多氫，又通過水汽變換反應(yīng)CO+H2O＝H2+CO2，把CO進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為CO2。所以，由化石能制氫就會排放CO2。其CO2排放量：煤>油>天然氣，這是由原料的碳?xì)浔人鶝Q定的。當(dāng)前在中國氫氣是較貴和較缺的（相對于其他國家來說），主要是因?yàn)槲覈淮文茉词且悦簽橹?，煤比石油，天然氣含氫量少，制氫過程就需要用更多的蒸汽，要消耗較多的能量。煉油廠和一些化工過程也會副產(chǎn)一些氫氣。氫也可由電解水（鹽水）生產(chǎn)，但這是一種較昂貴的方法，一般是在特殊的生產(chǎn)目的下的副產(chǎn)品，例如氯堿工業(yè)；或是為了獲得特殊需要的氫（如火箭燃料）。電解法制氫通常規(guī)模小、成本高，只有在利用水電或太陽能光解水時(shí)，才可以說是經(jīng)濟(jì)的。今后氫能利用技術(shù)的推廣也有賴于廉價(jià)氫氣的大規(guī)模生產(chǎn)。1.4

氫的利用氫氣的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，其中用量最大的是作為一種重要的石油化工原料，用于生產(chǎn)合成氨、甲醇以及石油煉制過程的加氫反應(yīng)。此外，在電子工業(yè)、冶金工業(yè)、食品加工、浮法玻璃、精細(xì)化工合成、航空航天工業(yè)等領(lǐng)域也有應(yīng)用。我國氫氣主要是作為化工合成的中間產(chǎn)品或原料，作為直接產(chǎn)品或燃料的量較少。氫氣用量最大的用處是合成氨，世界上~60%的氫是用在合成氨上，中國的比例更高。為了改善環(huán)境的要求，目前對汽、柴油的質(zhì)量要求在不斷提高，煉油過程的加氫裂化和加氫精制過程，也需要應(yīng)用大量的氫氣，煉油廠重整等過程副產(chǎn)的氫氣是遠(yuǎn)不夠用的。有加氫裂化和加氫精制裝置的廠，都需另加輕油蒸汽重整（或部分氧化）的制氫裝置。氫氣另一項(xiàng)較大量的用處是經(jīng)合成氣（CO/H2）合成甲醇。在一些技術(shù)發(fā)達(dá)的國家，甲醇主要是用來生產(chǎn)MTBE作為汽油的添加劑。在中國由于C4烯烴的量有限，合成MTBE消耗甲醇量的比例不是很高。甲醇既是重要的化工原料，本身也是一種很好的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料。因此，甲醇是最重要的C1化工產(chǎn)品。開辟甲醇的應(yīng)用范圍和其下游產(chǎn)品，將對優(yōu)化利用化石能源起到重要作用。一碳化工過程將是利用氫氣（合成氣H2/CO）的重要方面。例如OXO反應(yīng)可以從烯烴生產(chǎn)醛和進(jìn)一步加氫生產(chǎn)醇（重要的增塑劑）。從合成氣也可直接或間接合成液體燃料、烯烴和其他重要的含氧化合物（除了甲醇以外的其他醇、醋酸、醋酐、二甲醚、甲酸、甲酸甲酯等等）。氫氣也是其他有機(jī)化合物加氫過程的原料。煤的直接液化過程就需要大量的氫作為中間原料。煤的間接液化（F-T合成）、甲烷化反應(yīng)，也都需要大量的氫氣。氫氣在電子工業(yè)、冶金工業(yè)、浮法玻璃等行業(yè)中主要作為還原氣體，也在電子工業(yè)中用作燃料。在航天領(lǐng)域主要應(yīng)用的是液氫，作為火箭推進(jìn)的主要燃料。除以上常規(guī)用途之外，目前越來越多的科研機(jī)構(gòu)在著力于研究氫能的開發(fā)和利用。以氫為能源的燃料電池有希望解決我們所面臨的幾乎每一個(gè)能源問題。在住宅辦公室里，燃料電池會在電網(wǎng)無法辦到的時(shí)候使電燈保持明亮；由氫電池驅(qū)動(dòng)的汽車不會污染空氣；如果有一天，人類徹底放棄礦物燃料，以氫為基礎(chǔ)的能源將意味著全球變暖壓力的減輕，什么溫室現(xiàn)象、臭氧層破壞、厄爾尼諾現(xiàn)象等麻煩會立即減小到最低程度，甚至不會再出現(xiàn)。專家們樂觀的估計(jì)，到2010年末，燃料電池汽車將成為氫經(jīng)濟(jì)的主力軍。由于燃料電池技術(shù)新的發(fā)展，氫氣作為燃料電池的燃料，展現(xiàn)了極廣泛的和潛在的市場。如何從規(guī)劃及技術(shù)上準(zhǔn)備和迎接這一必然要到來的發(fā)展，將是一項(xiàng)極為重大的事情。2

國外氫氣的生產(chǎn)和消費(fèi)2.1

國外H2生產(chǎn)現(xiàn)狀世界上氫氣生產(chǎn)和消費(fèi)的最大應(yīng)用領(lǐng)域是合成氨、甲醇或煉廠，這些領(lǐng)域均由現(xiàn)場供應(yīng)，而且是采用烴類的蒸汽轉(zhuǎn)化工藝，如天然氣、石腦油等制氫。2.1.1

美國美國多數(shù)煉廠、石化廠等擁有制氫裝置，美國制氫裝置能力共計(jì)270萬噸/年(其中未包括合成氨和甲醇裝置，是由于合成氨和甲醇裝置中氫氣不是目的產(chǎn)品，故不統(tǒng)計(jì)氫氣能力)。美國是世界上主要的氫氣生產(chǎn)和消費(fèi)國，商品氫的供應(yīng)量較大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1999年美國氫氣產(chǎn)量(含合成氨、甲醇裝置氫氣)約為750萬噸/年，2002年美國氫氣的產(chǎn)量約為820萬噸/年，1999-2002年美國氫氣產(chǎn)量以3%左右的速度增長。由于油品質(zhì)量指標(biāo)提高，氫耗增加，多數(shù)煉廠制氫裝置開工率較高，同時(shí)，一些煉廠改變傳統(tǒng)的自建制氫裝置的做法，而由工業(yè)氣體公司供應(yīng)，因此，商品氫產(chǎn)量的增長更快。美國商品氫的生產(chǎn)以氣態(tài)氫為主，液氫只占很小部分。美國液態(tài)氫市場一部分由國內(nèi)裝置供應(yīng)，另外有一部分由加拿大的合資公司供應(yīng)，美國液氫市場主要供應(yīng)商如下表：表3美國液氫市場主要供應(yīng)商公司名稱能力(噸/天)備注美國液氫裝置

AirprouductsandChemicals，Inc.964套裝置Praxair，Inc.1094套裝置加拿大液氫裝置

AirprouductsCanadaLtd.271套BOCCanadaLimited141套HydrogenA1Inc.101套合計(jì)256

北美的液氫市場發(fā)展很快，第一個(gè)液氫裝置建于美國，用于美國的太空計(jì)劃，隨后在加拿大利用相對便宜的能源供應(yīng)建立了第二套裝置。目前有四家公司控制著北美的液氫市場，分別為空氣產(chǎn)品和化工公司、Praxair(普萊克斯)公司、BOC公司、美國液空公司。2.1.2

西歐西歐地區(qū)大部分氫氣的生產(chǎn)是供裝置自用。對于商品氫，僅占約2%，其中以鋼瓶或槽車運(yùn)輸?shù)膬H占?xì)錃庀M(fèi)的一小部分，大部分氫氣還是使用管輸?shù)臍鈶B(tài)氫。目前西歐的氫氣市場構(gòu)成如下圖：西歐主要液氫生產(chǎn)商是L’airLiquideAS，LindeGasAG、AirProductsNederlandBV，其生產(chǎn)能力如下表：表4西歐主要液氫生產(chǎn)商公司名稱裝置能力(噸/天)L'AirLiquideSA10.5LindeGasAG4.4AirProductsNederlandBV5.4

20.3西歐最大的氫氣供應(yīng)商是Linde-AGA，占36%的市場份額，L’airLiquide占31%，AirProuducts占13%，BOC占10%，MesserGriesheim占6%，Praxair占2%，其余占2%。2001年西歐氣態(tài)商品氫的生產(chǎn)能力約為70萬噸/年，主要裝置集中在丹麥、法國、德國、意大利、葡萄牙和英國等。西歐煉廠和石化企業(yè)自用氫裝置能力約106萬噸/年(不包括合成氨和甲醇裝置產(chǎn)氫能力)。2.1.3

日本日本主要液氫生產(chǎn)商是IwataniIndustrialGasesCorp.和PacifichydrogenCo.,Ltd.，生產(chǎn)能力分別為12.4噸/天和17.5噸/天。氣態(tài)商品氫的生產(chǎn)能力約為45610NM3/小時(shí)(折3.3萬噸/年)，西歐煉廠和石化企業(yè)自用氫裝置能力3461萬NM3/小時(shí)(折103.7萬噸/年)。2.2

國外H2消費(fèi)構(gòu)成及預(yù)測氫氣的主要消費(fèi)領(lǐng)域是石油化工產(chǎn)品的生產(chǎn)，包括合成氨、甲醇、石油煉制產(chǎn)品和其它石化產(chǎn)品等，三者占總消費(fèi)量的98%以上，另外還有食用油脂、金屬加工、電子、浮法玻璃、火箭等領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用，但用戶分散、用量小，約占總消費(fèi)量的1~1.5%。2002年世界氫氣產(chǎn)量達(dá)4100萬噸/年，美國、西歐和日本是氫氣生產(chǎn)和消費(fèi)的大戶，消費(fèi)量分別占世界總消費(fèi)量的20%、17.3%、3.7%，預(yù)計(jì)2007年世界氫氣的消費(fèi)量約達(dá)4850萬噸/年，2002~2007年世界氫氣消費(fèi)增長速度約為3.4%/年。3

國內(nèi)H2的生產(chǎn)和消費(fèi)情況3.1

國內(nèi)氫氣生產(chǎn)利用概況我國工業(yè)氫氣的來源主要有烴類水蒸汽轉(zhuǎn)化制氫、煉廠重整裝置副產(chǎn)氫、乙烯廠、燒堿廠等回收氫，較小規(guī)模的還有電解水制氫、合成氨分解制氫等。氫的生產(chǎn)和供應(yīng)多以氣態(tài)形式，液氫應(yīng)用多用于與國防航天事業(yè)有關(guān)的領(lǐng)域。我國氫氣最大用戶是合成氨工業(yè)，約占總消費(fèi)量的80%以上。但是隨著我國環(huán)保要求日益嚴(yán)格，及加入WTO以后產(chǎn)品與國際接軌的要求，國內(nèi)汽、煤、柴和潤滑油的質(zhì)量指標(biāo)大幅度提高，因此，作為油品質(zhì)量改善的主要手段，煉油過程的加氫裂化、加氫精制近年增長最快，也需要應(yīng)用大量的氫氣。另一較大氫氣用戶是利用合成氣（CO/H2）合成甲醇，近年我國甲醇產(chǎn)能增長很快。其它方面如OXO反應(yīng)生產(chǎn)除了甲醇以外的其他醇、醋酸、醋酐、二甲醚、甲酸、甲酸甲酯等等，在我國都有較快的發(fā)展。以煤為原料，從合成氣直接或間接合成液體燃料的項(xiàng)目也在研討和開發(fā)過程中，如神華煤液化項(xiàng)目已開始進(jìn)行項(xiàng)目基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。3.2

國內(nèi)H2資源生產(chǎn)消費(fèi)現(xiàn)狀及預(yù)測3.2.1

合成氨l

合成氨的生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展預(yù)測合成氨是我國第一大耗氫產(chǎn)品。我國作為農(nóng)業(yè)大國，也是化肥生產(chǎn)大國，合成氨生產(chǎn)大國。最近十多年來我國合成氨生產(chǎn)能力大幅增長，2002年我國合成氨總生產(chǎn)能力達(dá)約4500萬噸/年，產(chǎn)量3654萬噸/年，能力和產(chǎn)量己居世界第一位。國內(nèi)氮肥消費(fèi)量經(jīng)過了近二十年的高速增長，目前己進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展階段，根據(jù)國家“十五”化肥發(fā)展規(guī)劃，預(yù)測2000~2010年我國化肥需求增長率約為1.5%，化肥用氨稍有增長，而工業(yè)用氨變化不大，預(yù)計(jì)同期國內(nèi)合成氨產(chǎn)量將達(dá)到3700萬噸/年左右。2002年我國合成氨的生產(chǎn)量3654萬噸，合成氨氫氣消費(fèi)量約645萬噸/年，預(yù)計(jì)2005~2007年我國合成氨產(chǎn)量達(dá)到3700萬噸/年，屆時(shí)氫氣需求量約653萬噸/年。3.2.2

甲醇八十年代末，我國甲醇能力達(dá)86萬噸/年。進(jìn)入九十年代，國內(nèi)甲醇生產(chǎn)得到了較大的發(fā)展，2002年底全國生產(chǎn)能力已達(dá)380萬噸/年。近年來，受國外產(chǎn)品的沖擊，我國甲醇裝置的開工率較低。2002年甲醇產(chǎn)量210.9萬噸，進(jìn)口甲醇180萬噸，消費(fèi)甲醇約391萬噸，自給率54%。然而今后幾年中我國甲醇需求增長迅速，按照甲醇下游工業(yè)的發(fā)展預(yù)測，2007年我國甲醇需求量將達(dá)到550萬噸/年，屆時(shí)國內(nèi)產(chǎn)量將達(dá)310萬噸。與合成氨相比，我國甲醇裝置能力小得多，甲醇合成過程中耗氫量也要小得多。2002年甲醇產(chǎn)量210.9萬噸計(jì)，甲醇?xì)錃庀牧窟_(dá)24.8萬噸，預(yù)計(jì)近年內(nèi)甲醇產(chǎn)量增長率達(dá)8%，相應(yīng)氫氣消耗量年增幅也達(dá)8%。3.2.3

石油煉制石油煉制工業(yè)用氫量僅次于合成氨，氫氣主要用于石腦油加氫脫硫，精柴油加氫脫硫，改善航空燃油的無煙火焰高度，燃料油加氫脫硫，加氫裂化；加氫精制的目的是除掉有害化合物，例如硫化氫、硫醇、總硫、水、含氮化合物、芳香烴、酚類、環(huán)烷酸、炔烴、烯烴、金屬和準(zhǔn)金屬等。催化重整原料的加氫精制目的是除去石腦油中的硫化物、氮化物、鉛和砷等雜質(zhì)。加氫裂化是在氫氣存在條件下進(jìn)行的催化過程，反應(yīng)主要特征是C-C鍵的斷裂。所用氫量大，壓力高，空速低。選擇性加氫主要用于高溫裂解產(chǎn)物。在石油煉制下游領(lǐng)域，氫氣主要用于C3、C4餾份加氫，汽油加氫，C6～C8餾份加氫脫烷基，生產(chǎn)環(huán)己烷。在石油煉制工業(yè)中，氫氣的消耗是由加工的原料和加工工藝所決定的。一是原油中含硫量較高，會對下游生產(chǎn)裝置造成腐蝕，或?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此，需要更多的加氫裝置并消耗更多氫氣。再者，煉廠生產(chǎn)過程中有催化裂化、催化裂解等裝置，造成汽油、柴油或其它成品油中烯烴含量過高，影響產(chǎn)品的氧化安定性，造成產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)不合格。而且近年環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，油品質(zhì)量指標(biāo)日益提高，煉油廠氫氣的消耗量大幅度增加，因此，近年我國多數(shù)煉新建了制氫裝置。中國是煉油大國，原油一次加工能力居世界第三位。2002年原油一次加工能力2.73億噸，原油加工量2.2億噸，四大類成品油產(chǎn)量已達(dá)13223萬噸。根據(jù)國家經(jīng)濟(jì)研究部門預(yù)測，2000-2010年國民經(jīng)濟(jì)(GDP)增長率將保持在7%左右，預(yù)測到2005年中國原油加工量為24000萬噸左右，成品油(汽煤柴油)需求量達(dá)到13300萬噸左右，年均增長率約為4.0%。預(yù)測到2010年中國成品油(汽煤柴油)需求量達(dá)到17000萬噸左右，年均增長率約為5.0%，預(yù)計(jì)中國原油需求量將達(dá)到34500萬噸。由于中國原油產(chǎn)量不足，供需矛盾將越來越突出，中國會更多的進(jìn)口國外原油，特別是高含硫原油。隨著我國高硫油加工比例的增加，特別隨著近兩年的清潔油品指標(biāo)的發(fā)布和實(shí)施，企業(yè)多采用加氫工藝，對汽油、柴油和潤滑油進(jìn)行改質(zhì)和精制，促使國內(nèi)煉油廠加氫裝置比例增加。2001年國內(nèi)煉廠制氫裝置能力為99.5萬M3/h。全國煉廠制氫裝置的氫氣產(chǎn)量約68萬M3/h，折48.89萬噸/年，制氫裝置開工率為68.3%。重整裝置氫氣一般氫氣含量為80%左右，全國重整裝置氫氣產(chǎn)量約為33萬M3/h，折23.73萬噸/年。煉廠主要耗氫裝置耗氫量如下表：表5石油煉制加氫工藝耗氫量裝置名稱進(jìn)料氫氣耗量(NM3/噸)備注加氫精制直餾石腦油3

FCC石腦油56

煤油8

脫硫裝置

低于0.2%S含量(W)低硫柴油8

低于0.05%S含量(W)低硫柴油12

低于0.2%S含量(W)高硫柴油25

低于0.05%S含量(W)高硫柴油29

FCC柴油83

常壓渣油143

脫芳烴裝置

低于20%芳烴含量脫硫柴油21

低于10%芳烴含量脫硫柴油48

加氫裂化減壓蠟油171~214

常壓渣油171~429

2002年原油加工量為21955萬噸，較2001年增加4.6%，且含硫原油的加工量增加，估計(jì)氫氣消費(fèi)量為110.8萬M3/h，折72.8萬噸/年，氫氣的產(chǎn)量則達(dá)116.6萬M3/h，折76.6萬噸/年。根據(jù)我國煉油行業(yè)的發(fā)展規(guī)劃，“十五”期間我國現(xiàn)有裝置能力增幅不大，但加氫裂化、加氫精制、脫硫脫芳等加工裝置總能力及其比例都將大大提高，預(yù)計(jì)2007年我國煉油行業(yè)氫氣的需求量將以5%左右的速度增長。3.2.4

燒堿燒堿是通過電解食鹽水來生產(chǎn)的，生產(chǎn)過程中副產(chǎn)一定量的氫氣。對于大中型燒堿裝置和企業(yè)，這部分副產(chǎn)氫氣量也很可觀，我國是燒堿生產(chǎn)大國，多數(shù)燒堿廠均配套建設(shè)鹽酸、聚氯乙烯裝置，以平衡氯氣并回收利用副產(chǎn)氫氣。2002年我國燒堿生產(chǎn)能力達(dá)到約850萬噸/年，產(chǎn)量823萬噸，均居世界第二位，凈出口量約達(dá)到22萬噸。預(yù)計(jì)“十五”期間國內(nèi)新增離子膜燒堿能力128萬噸/年。預(yù)計(jì)2007年國內(nèi)燒堿需求量在870萬噸左右，化工、冶金和紡織等行業(yè)耗堿數(shù)量和比例則呈明顯上升趨勢。2002年國內(nèi)燒堿副產(chǎn)氫氣量約20.57萬噸，多數(shù)燒堿企業(yè)配套建設(shè)了鹽酸和聚氯乙烯裝置，以利用副產(chǎn)氫，燒堿企業(yè)副產(chǎn)氫的平均利用率約達(dá)60%。2007國內(nèi)燒堿副產(chǎn)氫氣量增長不大，估計(jì)利用率有小幅提高，總體上講，燒堿廠的氫氣利用率較低，隨著氫氣用戶的增加，燒堿廠氫氣回收還有較大的發(fā)展空間。3.2.5

其它化工產(chǎn)品化工產(chǎn)品生產(chǎn)中采用加氫工藝的還很多，但用量較小，一般附屬于合成氨廠、煉油廠或燒堿廠，我國主要耗氫的化工產(chǎn)品有苯胺、己內(nèi)酰胺、過氧化氫等，另外有部分食用油脂生產(chǎn)采用加氫工藝。從主要化工產(chǎn)品分析，目前我國化工產(chǎn)品耗氫量約3.9萬噸/年，預(yù)計(jì)今后這方面的氫氣消費(fèi)年增長率達(dá)10%。3.2.6

焦碳行業(yè)隨著我國鋼鐵生產(chǎn)的穩(wěn)步發(fā)展，自1996年鋼產(chǎn)量突破1億噸大關(guān)以來，我國已連續(xù)五年成為世界第一產(chǎn)鋼大國，2002年我國鋼產(chǎn)量達(dá)1.8億噸，相當(dāng)于美國和日本鋼產(chǎn)量的總和，占世界的五分之一。有關(guān)研究顯示：預(yù)計(jì)中國全年鋼材表觀消費(fèi)量將超過2.4億噸。其中全年進(jìn)口鋼材將超過3000萬噸，成為世界第一大鋼材進(jìn)口國；預(yù)計(jì)今年鋼產(chǎn)量將超過2.1億噸，穩(wěn)居世界各國鋼鐵產(chǎn)量首位。焦碳是鋼鐵工業(yè)所必須的原材料，隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，焦碳產(chǎn)量隨之增加，目前我國焦碳產(chǎn)量超過1.2億噸/年，居世界第一。全國有各類機(jī)械化焦?fàn)t約750座以上，年設(shè)計(jì)煉焦能力約9000萬t/a，其中炭化室高度為4m～5.5m以上的大、中型焦?fàn)t產(chǎn)量約占80%。中國大容積焦?fàn)t（炭化室高~6m）已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，煤氣凈化技術(shù)已達(dá)世界先進(jìn)水平，干熄焦、地面煙塵處理站、污水處理等已進(jìn)入實(shí)用化階段，焦炭質(zhì)量顯著提高，其主要化工產(chǎn)品的精制技術(shù)已達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平。我國焦碳主要消費(fèi)于鋼鐵工業(yè)，其中鋼鐵工業(yè)年產(chǎn)消耗在6500萬噸以上，其他工業(yè)消耗2700~3000萬噸，近年出口增長較快，焦炭成為我國的主要出口產(chǎn)品之一，出口量逐年上升，2000年達(dá)到1500t/a，已成為全球最大的焦炭出口國。據(jù)報(bào)導(dǎo)，目前國內(nèi)鋼鐵行業(yè)的飛速發(fā)展和焦炭市場的緊張局面引起焦炭供需關(guān)系發(fā)生變化，今后兩年國內(nèi)將新增焦化能力5000萬噸。焦?fàn)t氣是焦碳生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品，通常生產(chǎn)1噸焦碳可副產(chǎn)420Nm3焦?fàn)t氣。一般焦?fàn)t氣的組成為：氫氣52.2~55.6%，氮?dú)?.9%，甲烷27.1~30.4%，CO

7.5%，O2

0.1%，CO2為2.0%，重烷烴為2.8%，其余為飽和水蒸汽。以年產(chǎn)100萬噸的焦碳企業(yè)為例，可副產(chǎn)焦?fàn)t氣4.2億Nm3，按2.5Nm3焦?fàn)t氣提1.0Nm3氫氣計(jì)，可制取1.68億Nm3氫氣。據(jù)此推算，我國作為焦碳生產(chǎn)大國，煉焦行業(yè)可提純副產(chǎn)氫氣量超過180萬噸/年。作為鋼鐵生產(chǎn)廠配套建設(shè)的焦化廠，其焦?fàn)t氣一般作為聯(lián)合企業(yè)的氣體燃料，只有少數(shù)企業(yè)經(jīng)變壓吸附裝置提純氫氣，作為冷軋廠等生產(chǎn)過程的保護(hù)氣或作為商品氣出售，如寶鋼、武鋼等企業(yè)。非冶金配套企業(yè)主要作為城市煤氣或企業(yè)自身燃料，目前多數(shù)焦?fàn)t氣未提純氫氣，僅作為企業(yè)燃料。氫氣資源非常寶貴，僅作燃料是非常可惜的，因此，很多企業(yè)在尋找氫氣新的利用途徑，氫氣的化工利用仍是目前多數(shù)企業(yè)的首選，隨著氫能技術(shù)的發(fā)展，將為氫氣利用開辟新的渠道。3.2.7

浮法玻璃氫氣在浮法玻璃生產(chǎn)中應(yīng)用于浮法玻璃成形設(shè)備(即錫槽)中，錫槽需密封并連續(xù)地送入純凈的氮、氫混合氣，維持錫槽內(nèi)微正壓與還原氣氛，保護(hù)錫液不被氧化。保護(hù)氣體中氮、氫氣量比為10:1，要求含氧量不高于(5～10)×10-6，露點(diǎn)-60℃以下。國內(nèi)玻璃行業(yè)氫氣消費(fèi)均由現(xiàn)場供應(yīng)，還沒有外購氫氣。近年來我國玻璃產(chǎn)量飛速增長，已建成300多家大、中、小型平板玻璃企業(yè)，到2002年末，全國浮法玻璃生產(chǎn)線已近90條，總產(chǎn)量超過2億重量箱，位居世界第一。根據(jù)對建筑、交通、電子信息等相關(guān)行業(yè)“十五”發(fā)展規(guī)劃分析，2002年全社會玻璃需求量為1.93～2.10億重量箱，2007年預(yù)計(jì)全社會玻璃需求量為2.8億重量箱左右。今后我國玻璃行業(yè)應(yīng)向規(guī)?；?、集中化發(fā)展，預(yù)計(jì)將新建15~20條左右700~800噸/日大型浮法玻璃生產(chǎn)線。3.2.8

電子工業(yè)氫氣在電子工業(yè)中主要用于半導(dǎo)體、電真空材料、硅晶片、光導(dǎo)纖維生產(chǎn)等領(lǐng)域。在電子工業(yè)中，氫和氧作為熱處理氣氛氣和過程氣而廣泛使用。這些氣體的純度對產(chǎn)品的好壞影響很大，需要高純氫和氧。一般情況下，氫氣是通過一次純化食鹽電解或石油化工精制副產(chǎn)氣，然后高壓充入鋼瓶等而供給的。氧氣是在液化空氣狀態(tài)下，經(jīng)深冷分離后供給的，在用戶工廠經(jīng)汽化后使用。由于這些生產(chǎn)方法所生產(chǎn)的氫和氧氣中的氮、二氧化碳、一氧化碳、碳?xì)浠衔锏入s質(zhì)不能完全除掉，在半導(dǎo)體等工廠中，還設(shè)置幾十立方米/小時(shí)的終端純化裝置，進(jìn)行2次終端純化后才能使用。近年來我國集成電路市場持續(xù)快速增長。去年，在全球芯片零增長的形勢下，我國集成電路產(chǎn)量為96.3億塊，同比增長51.4％；產(chǎn)值達(dá)到1470億元，比上年增長22.5％。中國集成電路市場已成為僅次于美、日的世界第三大市場。據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)芯片企業(yè)達(dá)651家（不含集成電路設(shè)備材料企業(yè)），其中集成電路制造業(yè)49家。這些主流企業(yè)主要分布在“珠三角”、“長三角”、京津等地區(qū)。集成電路是信息產(chǎn)業(yè)的核心和國民經(jīng)濟(jì)信息化的基礎(chǔ)。鎢鉬等金屬廣泛應(yīng)用于電真空材料和合金制品中。在鎢和鉬的生產(chǎn)過程中，用氫氣還原氧化物得到粉末，再加工制成線材和帶材。氫氣純度越高，特別是水含量越低，還原溫度就越低，所得鎢、鉬粉末粒度就越細(xì)。我國鎢鉬生產(chǎn)企業(yè)較多，主要大型企業(yè)有陜西金堆城鉬業(yè)公司、江西贛南鎢鉬制品有限公司、株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)公司等。另外還有大量的合金制品生產(chǎn)企業(yè)，如江門恒杰粉末冶金公司、廣東信宜粉末冶金制品廠等。光導(dǎo)纖維石英光纖的制造主要包括玻璃體預(yù)制棒制備及拉絲兩道工序，在制棒工藝中采用氫氧焰加熱(1200～1500℃)，經(jīng)沉積，可獲得所需沉積層厚度，再經(jīng)燒灼，制成光纖預(yù)制棒。對氫氧焰氣體要求無固體粒子，否則棒上會有黑斑產(chǎn)生。預(yù)制棒直徑約為130mm，長度為900mm，它可拉制長為200km以上的玻璃光纖。目前我國己有大大小小300多個(gè)光纜生產(chǎn)企業(yè)，成為世界第三大光纖制造國，目前國內(nèi)光棒生產(chǎn)能力約150噸，2002年產(chǎn)量100噸，進(jìn)口量180噸。預(yù)計(jì)2005年以后，國內(nèi)光棒生產(chǎn)能力還將大幅增長，據(jù)報(bào)道除現(xiàn)有企業(yè)擴(kuò)大生產(chǎn)能力外，己有20多個(gè)準(zhǔn)備申報(bào)光棒項(xiàng)目。綜上所述，電子工業(yè)用氫多為純氫或高純氫，用量小，一般企業(yè)用量從幾十立方米~幾百立方米/小時(shí)。3.2.9

商品H2由于氫氣在貯存和運(yùn)輸?shù)确矫娴囊筝^為特殊，且多數(shù)商品氫氣用戶為用量較小，因此，國內(nèi)商品氫氣的供應(yīng)量很小，目前國內(nèi)主要商品氫氣的生產(chǎn)廠家如下：表6我國主要商品氫氣生產(chǎn)廠序號生產(chǎn)商序號生產(chǎn)商1