国内外氢气的生产和消费分析报.docx
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国内外氢气的生产和消费分析报
国内外氢气（H2）的生产和消费分析报告
白雪松
1 氢气的生产及利用概述
1.1 氢气性质及技术指标
1.1.1 氢气的性质
氢气是无色无味的气体，密度0.0695g/cm3,相对分子量2.0158。
能燃烧，并能与许多非金属和金属直接化合。
在常温下不活泼，但在高温时或催化剂存在时则十分活泼。
用于制造合成氨、盐酸、硬化油、合成甲醇、有机化合物加氢等工业，也用作金属矿的还原剂和作氢气球等。
氢是公认的最洁净的燃料，也是重要的化工合成原料。
但它不是一次能源，它是要从一次能源通过转换生产出来的能量载体。
它又多以高压气态形式作为燃料或原料，在长距离输送分配方面相对地存在着一定困难。
因此，多数氢气用户建有制氢装置，而较小规模的用户则采用外购氢气或液氢（一般为钢瓶）。
1.1.2 氢气的技术指标
我国现行《氢气》国家标准经国家技术监督局批准发布并于1996年8月1日开始实施，定义纯度99.99%以下的氢气为工业氢，大于或等于99.99%的为纯氢，大于或等于99.999%的为高纯氢，大于或等于99.9999%的为超纯氢，各类氢气的技术指标见以下各表：
表1工业氢标准
项目
指标
优等品
一级品
合格品
氢纯度
10-2
≥
99.90
99.50
99.00
氧含量
10-2
≤
0.01
0.20
0.40
氮含量
10-2
≤
0.04
0.30
0.60
氯
碱
水分
露点/℃
≤
-43
-
-
游离水/（ml/瓶）
≤
-
无
100
注：
①中华人民共和国国家标准《工业氢》GB/T3634-1995
②含量与纯度均为体积比
③水电解氢不规定氯含量
表2纯氢、高纯氢和超纯氢质量技术指标
项目
指标
超纯氢
高纯氢
纯氢
氢纯度
10-2
≥
99.9999
99.999
99.99
氧含量
10-6
≤
0.2
1
5
氮含量
10-6
≤
0.4
5
60
一氧化碳含量
10-6
≤
0.1
1
5
二氧化碳含量
10-6
≤
0.1
1
5
甲烷含量
10-6
≤
0.2
1
10
水分
10-6
≤
1.0
3
30
注：
①中华人民共和国国家标准《纯氢、高纯氢和超纯氢》GB/T3634-1995
1.2 氢气的贮存与运输
通常，所有需要连续和大量使用氢气的地方，都是采用现场生产，就地使用，如果需要的话，其贮氢量也不会很大，一般采用中低压贮罐贮存，主要用于应急、缓冲或调峰，其运输方式不言而喻，均为管道输送。
只有用氢量不大或不需要连续使用氢气的地方，才涉及到氢的贮运问题。
氢的贮运有四种方式可供选择，即气态贮运、液态贮运、金属氢化物贮运和微球贮运。
目前，实际应用的只有前三种，微球贮运方式尚在研究中。
（一）气态氢
由于气态氢密度低，比容大，只有高压贮运才可能有效率。
高压贮氢容器为普通钢瓶或管束式拖车。
对用氢量少而分散的众多用户，采用高压气体钢瓶贮运的形式是比较经济的。
这种方式的特点是可以在恒定的压力下获得氢气，简单而迅速，且易于移动。
气体压缩的经济性也很显著，如假定压缩效率为100%，所需的能量仅比压缩氢的低燃烧热值高5%。
但这种方式仅能贮存和运输少量的氢气。
高压气体钢瓶的使用温度范围为-50~60℃，中国常用的钢瓶容积多为40L（水容积），工作压力多为15MPa。
国外常用钢瓶多为50L（水容积），典型工作压力范围15~40MPa，常用工作压力20MPa。
我国充装氢气的钢瓶应符合GB5099的规定，高压氢气瓶颜色规定为：
外表深绿色，字样为红色“氢”，当额定工作压力为15MPa时不加色环，20MPa时，加黄色环一道，30MPa时，加黄色环二道。
按有关规定，所有可燃气体钢瓶的阀门接口均应有别于惰性气体，为反丝（逆时针方向进）螺纹接口。
用钢瓶贮运氢效率低，以水容积40L，质量50kg的钢瓶计，氢气充装压力15MPa时，约可贮存氢气0.485kg，贮氢质量不足钢瓶自身质量的1%。
较大量的氢气允许在高压（16550kPa）管束式拖车中运输，在美国，管束式拖车设计容量为708~5100m3。
将来，超大规模贮存气态氢的方法可以考虑利用枯竭的天然气气井作地下贮存。
虽然按单位体积热值计的贮氢成本高于天然气，但却可以借用现成的天然气管道系统来输送氢气。
美国得克萨斯州休斯敦/阿瑟港地区正在使用的一条225km长的输氢管道就是这样的氢气贮存和输送系统。
尽管氢的液化是一项成熟技术，但由于氢的一些特殊物理性质，如存在焦耳－汤姆逊转变温度，沸点低（20.4K），液态正－仲自发转化放热等，使氢的液化成本高，且贮存和运输都有一定困难。
要液化氢，首先得将氢预冷到焦耳－汤姆逊转变温度以下，然后经制冷循环获得液氢。
贮存液氢时必须注意到氢液化时会生成两种变体：
正氢和仲氢，其比例约为3∶1，氢液化时必须进行催化转化，将正氢转化为比较稳定的仲氢形式，直至平衡状态（含99.8%的仲氢）。
为避免液氢自发建立正－仲平衡时放出热量，并强烈地蒸发液氢，运输槽车或仓库中应装入仲氢含量高（>95%）的液氢。
出于人类太空研究计划的需要，液氢的贮存和运输量逐渐增大。
目前已能建造贮存量1000m3以上容积的大型液氢绝热贮槽。
例如，美国原子能委员会（现能源部）在内华达州的试验基地建有一个1893m3的大型液氢球罐。
液氢远距离运输通常采用铁路槽罐车，槽罐之液氢容量为36～107m3，采用专门设计的高真空低温绝热系统，以保证真空绝热层的绝压低于133MPa（1μmHg），传热系数达到0.1163W/（m2·K）的要求。
绝热系统除高真空夹套外，还包括多层辐射屏蔽层。
设计良好的液氢槽罐，能在20K温度下较长时间内贮存液态氢，液氢日蒸发率小于0.3%。
由于液氢密度低（70kg/m3），一个107m3的液氢槽罐，载重不到7.5t，完全可以用槽车运输。
同时，由于氢的气液体积比大，100m3液氢相当于78800m3气态氢，因此，液氢贮罐亦可作为需要大量使用氢气工艺的工作贮备罐。
（三）金属氢化物
比较有前途的一种氢贮存方式是用金属氢化物法进行氢气的贮存与运输。
这种工艺极其简单，与压缩气体和低温液化形成鲜明的对比，只要选择一种适合的金属氢化物，就能使氢在室温和不太高的压力下贮存于金属氢化物中。
用金属氢化物贮氢的突出优点在于：
安全——氢是处于低压下，与另一种物质（贮氢合金）结合成准化合物态而存在，不需要高压，也不需要低温；紧凑—贮氢密度高，即在一给定体积的氢化物中贮存的氢比相同体积的液氢重；高纯度—从氢化物中加热释放出的氢具有极高的纯度，通常可以达到99.999%以上（对某些应用须除去随氢带出的固体颗粒）。
然而，到目前为止，真正将金属氢化物贮氢用于大规模工业生产的并不多，究其原因，主要有四个方面，①贮氢合金太贵；②由于贮氢过程中有大量热量释放出来，贮存器内必须增加换热设备，以除去放出的热量；③氢化物自身很不稳定，易受有害杂质组分的毒害，多次使用之后，性能明显下降；④贮氢密度虽高，但贮氢质量比太低，即以质量计，仅能贮存2%～4%的氢气。
作为金属氢化物贮氢的应用研究，较多的是作汽车发动机燃气的研究。
例如，日本铃木汽车公司研制出一种用Mg作粘结剂的Ti—Zr贮氢复合材料用于燃氢汽车，经受1000次循环而无衰退现象，它利用一台贮氢量为37m3（标）的贮氢装置（重约280kg），驱动车辆行驶200km。
（四）微球贮氢
有人提出用玻璃微球来贮存氢气。
球体直径是200～500μm，壁厚是0.2～0.5μm，加热到300～400℃，在高氢气压力（80MPa）下，氢气透过球壁进入球体，冷却到室温时，由于扩散速度显著降低而捕集到高压气体，通过加热可回收氢气。
微球吸氢量较高，按质量计约为5%~10%，但存在的问题是当压力太高时常会产生球体破裂，在环境温度下球内吸收的氢会缓慢泄漏。
另外的研究还表明，铝硅酸盐沸石晶体也具有适合氢分子大小的通道和孔隙，但与玻璃微球贮氢一样，也必须在极高的压力下操作。
目前微球贮氢技术仍在探索阶段。
国内外氢气生产和消费的最大应用领域是合成氨、甲醇或炼厂，这些领域均由现场供应，通过管道输送。
商品氢的主要用户有电子、玻璃、化工产品及直接液氢用户如火箭燃料。
国外商品氢主要是专业工业气体公司供应，包括气态和液态形式，多数是以气态氢的单用户或多用户管线供应，也有以液氢或气态氢的钢瓶、汽车槽车、铁路槽车等方式供应，但这些业务只占氢气市场的很小一部分。
气态氢的供应基本上是区域性的，管线供应半径很少超过200公里，液氢可以进行长距离运输，供应半径很大，达到1000公里或更远。
随着能源价格的上升和人们对环保的日益关注，氢作为可再生能源或者重要的能源载体受到更多重视，氢气贮运技术是今后氢能利用的关键，也是氢能技术开发的重要方向，还需要更多工作。
1.3 氢的主要生产方法
氢气主要是由化石能源天然气（CH4）、原油（烃）或煤等原料，与水蒸汽在高温下经蒸汽转化法、部分氧化法、煤气化法等工艺生成。
在转化过程中，化石能源中的碳首先变为CO（或CO2）。
为了得到更多氢，又通过水汽变换反应CO+H2O＝H2+CO2，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，这是由原料的碳氢比所决定的。
当前在中国氢气是较贵和较缺的（相对于其他国家来说），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的蒸汽，要消耗较多的能量。
炼油厂和一些化工过程也会副产一些氢气。
氢也可由电解水（盐水）生产，但这是一种较昂贵的方法，一般是在特殊的生产目的下的副产品，例如氯碱工业；或是为了获得特殊需要的氢（如火箭燃料）。
电解法制氢通常规模小、成本高，只有在利用水电或太阳能光解水时，才可以说是经济的。
今后氢能利用技术的推广也有赖于廉价氢气的大规模生产。
1.4 氢的利用
氢气的应用领域很广，其中用量最大的是作为一种重要的石油化工原料，用于生产合成氨、甲醇以及石油炼制过程的加氢反应。
此外，在电子工业、冶金工业、食品加工、浮法玻璃、精细化工合成、航空航天工业等领域也有应用。
我国氢气主要是作为化工合成的中间产品或原料，作为直接产品或燃料的量较少。
氢气用量最大的用处是合成氨，世界上~60%的氢是用在合成氨上，中国的比例更高。
为了改善环境的要求，目前对汽、柴油的质量要求在不断提高，炼油过程的加氢裂化和加氢精制过程，也需要应用大量的氢气，炼油厂重整等过程副产的氢气是远不够用的。
有加氢裂化和加氢精制装置的厂，都需另加轻油蒸汽重整（或部分氧化）的制氢装置。
氢气另一项较大量的用处是经合成气（CO/H2）合成甲醇。
在一些技术发达的国家，甲醇主要是用来生产MTBE作为汽油的添加剂。
在中国由于C4烯烃的量有限，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，本身也是一种很好的发动机燃料。
因此，甲醇是最重要的C1化工产品。
开辟甲醇的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。
一碳化工过程将是利用氢气（合成气H2/CO）的重要方面。
例如OXO反应可以从烯烃生产醛和进一步加氢生产醇（重要的增塑剂）。
从合成气也可直接或间接合成液体燃料、烯烃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）。
氢气也是其他有机化合物加氢过程的原料。
煤的直接液化过程就需要大量的氢作为中间原料。
煤的间接液化（F-T合成）、甲烷化反应，也都需要大量的氢气。
氢气在电子工业、冶金工业、浮法玻璃等行业中主要作为还原气体，也在电子工业中用作燃料。
在航天领域主要应用的是液氢，作为火箭推进的主要燃料。
除以上常规用途之外，目前越来越多的科研机构在着力于研究氢能的开发和利用。
以氢为能源的燃料电池有希望解决我们所面临的几乎每一个能源问题。
在住宅办公室里，燃料电池会在电网无法办到的时候使电灯保持明亮；由氢电池驱动的汽车不会污染空气；如果有一天，人类彻底放弃矿物燃料，以氢为基础的能源将意味着全球变暖压力的减轻，什么温室现象、臭氧层破坏、厄尔尼诺现象等麻烦会立即减小到最低程度，甚至不会再出现。
专家们乐观的估计，到2010年末，燃料电池汽车将成为氢经济的主力军。
由于燃料电池技术新的发展，氢气作为燃料电池的燃料，展现了极广泛的和潜在的市场。
如何从规划及技术上准备和迎接这一必然要到来的发展，将是一项极为重大的事情。
2 国外氢气的生产和消费
2.1 国外H2生产现状
世界上氢气生产和消费的最大应用领域是合成氨、甲醇或炼厂，这些领域均由现场供应，而且是采用烃类的蒸汽转化工艺，如天然气、石脑油等制氢。
2.1.1 美国
美国多数炼厂、石化厂等拥有制氢装置，美国制氢装置能力共计270万吨/年（其中未包括合成氨和甲醇装置，是由于合成氨和甲醇装置中氢气不是目的产品，故不统计氢气能力）。
美国是世界上主要的氢气生产和消费国，商品氢的供应量较大。
据统计，1999年美国氢气产量（含合成氨、甲醇装置氢气）约为750万吨/年，2002年美国氢气的产量约为820万吨/年，1999-2002年美国氢气产量以3%左右的速度增长。
由于油品质量指标提高，氢耗增加，多数炼厂制氢装置开工率较高，同时，一些炼厂改变传统的自建制氢装置的做法，而由工业气体公司供应，因此，商品氢产量的增长更快。
美国商品氢的生产以气态氢为主，液氢只占很小部分。
美国液态氢市场一部分由国内装置供应，另外有一部分由加拿大的合资公司供应，美国液氢市场主要供应商如下表：
表3美国液氢市场主要供应商
公司名称
能力（吨/天）
备注
美国液氢装置
AirprouductsandChemicals，Inc.
96
4套装置
Praxair，Inc.
109
4套装置
加拿大液氢装置
AirprouductsCanadaLtd.
27
1套
BOCCanadaLimited
14
1套
HydrogenA1Inc.
10
1套
合计
256
北美的液氢市场发展很快，第一个液氢装置建于美国，用于美国的太空计划，随后在加拿大利用相对便宜的能源供应建立了第二套装置。
目前有四家公司控制着北美的液氢市场，分别为空气产品和化工公司、Praxair（普莱克斯）公司、BOC公司、美国液空公司。
2.1.2 西欧
西欧地区大部分氢气的生产是供装置自用。
对于商品氢，仅占约2%，其中以钢瓶或槽车运输的仅占氢气消费的一小部分，大部分氢气还是使用管输的气态氢。
目前西欧的氢气市场构成如下图：
西欧主要液氢生产商是L’airLiquideAS，LindeGasAG、AirProductsNederlandBV，其生产能力如下表：
表4西欧主要液氢生产商
公司名称
装置能力（吨/天）
L'AirLiquideSA
10.5
LindeGasAG
4.4
AirProductsNederlandBV
5.4
20.3
西欧最大的氢气供应商是Linde-AGA，占36%的市场份额，L’airLiquide占31%，AirProuducts占13%，BOC占10%，MesserGriesheim占6%，Praxair占2%，其余占2%。
2001年西欧气态商品氢的生产能力约为70万吨/年，主要装置集中在丹麦、法国、德国、意大利、葡萄牙和英国等。
西欧炼厂和石化企业自用氢装置能力约106万吨/年（不包括合成氨和甲醇装置产氢能力）。
2.1.3 日本
日本主要液氢生产商是IwataniIndustrialGasesCorp.和PacifichydrogenCo.,Ltd.，生产能力分别为12.4吨/天和17.5吨/天。
气态商品氢的生产能力约为45610NM3/小时（折3.3万吨/年），西欧炼厂和石化企业自用氢装置能力3461万NM3/小时（折103.7万吨/年）。
2.2 国外H2消费构成及预测
氢气的主要消费领域是石油化工产品的生产，包括合成氨、甲醇、石油炼制产品和其它石化产品等，三者占总消费量的98%以上，另外还有食用油脂、金属加工、电子、浮法玻璃、火箭等领域有较广泛的应用，但用户分散、用量小，约占总消费量的1~1.5%。
2002年世界氢气产量达4100万吨/年，美国、西欧和日本是氢气生产和消费的大户，消费量分别占世界总消费量的20%、17.3%、3.7%，预计2007年世界氢气的消费量约达4850万吨/年，2002~2007年世界氢气消费增长速度约为3.4%/年。
3 国内H2的生产和消费情况
3.1 国内氢气生产利用概况
我国工业氢气的来源主要有烃类水蒸汽转化制氢、炼厂重整装置副产氢、乙烯厂、烧碱厂等回收氢，较小规模的还有电解水制氢、合成氨分解制氢等。
氢的生产和供应多以气态形式，液氢应用多用于与国防航天事业有关的领域。
我国氢气最大用户是合成氨工业，约占总消费量的80%以上。
但是随着我国环保要求日益严格，及加入WTO以后产品与国际接轨的要求，国内汽、煤、柴和润滑油的质量指标大幅度提高，因此，作为油品质量改善的主要手段，炼油过程的加氢裂化、加氢精制近年增长最快，也需要应用大量的氢气。
另一较大氢气用户是利用合成气（CO/H2）合成甲醇，近年我国甲醇产能增长很快。
其它方面如OXO反应生产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，在我国都有较快的发展。
以煤为原料，从合成气直接或间接合成液体燃料的项目也在研讨和开发过程中，如神华煤液化项目已开始进行项目基础设计。
3.2 国内H2资源生产消费现状及预测
3.2.1 合成氨
l 合成氨的生产现状及发展预测
合成氨是我国第一大耗氢产品。
我国作为农业大国，也是化肥生产大国，合成氨生产大国。
最近十多年来我国合成氨生产能力大幅增长，2002年我国合成氨总生产能力达约4500万吨/年，产量3654万吨/年，能力和产量己居世界第一位。
国内氮肥消费量经过了近二十年的高速增长，目前己进入平稳发展阶段，根据国家“十五”化肥发展规划，预测2000~2010年我国化肥需求增长率约为1.5%，化肥用氨稍有增长，而工业用氨变化不大，预计同期国内合成氨产量将达到3700万吨/年左右。
2002年我国合成氨的生产量3654万吨，合成氨氢气消费量约645万吨/年，预计2005~2007年我国合成氨产量达到3700万吨/年，届时氢气需求量约653万吨/年。
3.2.2 甲醇
八十年代末，我国甲醇能力达86万吨/年。
进入九十年代，国内甲醇生产得到了较大的发展，2002年底全国生产能力已达380万吨/年。
近年来，受国外产品的冲击，我国甲醇装置的开工率较低。
2002年甲醇产量210.9万吨，进口甲醇180万吨，消费甲醇约391万吨，自给率54%。
然而今后几年中我国甲醇需求增长迅速，按照甲醇下游工业的发展预测，2007年我国甲醇需求量将达到550万吨/年，届时国内产量将达310万吨。
与合成氨相比，我国甲醇装置能力小得多，甲醇合成过程中耗氢量也要小得多。
2002年甲醇产量210.9万吨计，甲醇氢气消耗量达24.8万吨，预计近年内甲醇产量增长率达8%，相应氢气消耗量年增幅也达8%。
3.2.3 石油炼制
石油炼制工业用氢量仅次于合成氨，氢气主要用于石脑油加氢脱硫，精柴油加氢脱硫，改善航空燃油的无烟火焰高度，燃料油加氢脱硫，加氢裂化；加氢精制的目的是除掉有害化合物，例如硫化氢、硫醇、总硫、水、含氮化合物、芳香烃、酚类、环烷酸、炔烃、烯烃、金属和准金属等。
催化重整原料的加氢精制目的是除去石脑油中的硫化物、氮化物、铅和砷等杂质。
加氢裂化是在氢气存在条件下进行的催化过程，反应主要特征是C-C键的断裂。
所用氢量大，压力高，空速低。
选择性加氢主要用于高温裂解产物。
在石油炼制下游领域，氢气主要用于C3、C4馏份加氢，汽油加氢，C6～C8馏份加氢脱烷基，生产环己烷。
在石油炼制工业中，氢气的消耗是由加工的原料和加工工艺所决定的。
一是原油中含硫量较高，会对下游生产装置造成腐蚀，或对产品质量产生影响，因此，需要更多的加氢装置并消耗更多氢气。
再者，炼厂生产过程中有催化裂化、催化裂解等装置，造成汽油、柴油或其它成品油中烯烃含量过高，影响产品的氧化安定性，造成产品质量指标不合格。
而且近年环保要求越来越严格，油品质量指标日益提高，炼油厂氢气的消耗量大幅度增加，因此，近年我国多数炼新建了制氢装置。
中国是炼油大国，原油一次加工能力居世界第三位。
2002年原油一次加工能力2.73亿吨，原油加工量2.2亿吨，四大类成品油产量已达13223万吨。
根据国家经济研究部门预测，2000-2010年国民经济（GDP）增长率将保持在7%左右，预测到2005年中国原油加工量为24000万吨左右，成品油（汽煤柴油）需求量达到13300万吨左右，年均增长率约为4.0%。
预测到2010年中国成品油（汽煤柴油）需求量达到17000万吨左右，年均增长率约为5.0%，预计中国原油需求量将达到34500万吨。
由于中国原油产量不足，供需矛盾将越来越突出，中国会更多的进口国外原油，特别是高含硫原油。
随着我国高硫油加工比例的增加，特别随着近两年的清洁油品指标的发布和实施，企业多采用加氢工艺，对汽油、柴油和润滑油进行改质和精制，促使国内炼油厂加氢装置比例增加。
2001年国内炼厂制氢装置能力为99.5万M3/h。
全国炼厂制氢装置的氢气产量约68万M3/h，折48.89万吨/年，制氢装置开工率为68.3%。
重整装置氢气一般氢气含量为80%左右，全国重整装置氢气产量约为33万M3/h，折23.73万吨/年。
炼厂主要耗氢装置耗氢量如下表：
表5石油炼制加氢工艺耗氢量
装置名称
进料
氢气耗量（NM3/吨）
备注
加氢精制
直馏石脑油
3
FCC石脑油
56
煤油
8
脱硫装置
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
常压渣油
143
脱芳烃装置
低于20%芳烃含量
脱硫柴油
21
低于10%芳烃含量
脱硫柴油
48
加氢裂化
减压蜡油
171~214
常压渣油
171~429
2002年原油加工量为21955万吨，较2001年增加4.6%，且含硫原油的加工量增加，估计氢气消费量为110.8万M3/h，折72.8万吨/年，氢气的产量则达116.6万M3/h，折76.6万吨/年。
根据我国炼油行业的发展规划，“十五”期间我国现有装置能力增幅不大，但加氢裂化、加氢精制、脱硫脱芳等加工装置总能力及其比例都将大大提高，预计2007年我国炼油行业氢气的需求量将以5%左右的速度增长。
3.2.4 烧碱
烧碱是通过电解食盐水来生产的，生产过程中副产一定量的氢气。
对于大中型烧碱装置和企业，这部分副产氢气量也很可观，我国是烧碱生产大国，多数烧碱厂均配套建设盐酸、聚氯乙烯装置，以平衡氯气
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