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氫能的能量密度高而且無污染，是一種理想的清潔能源。發(fā)展氫能經(jīng)濟，能夠減少溫室氣體和細顆粒物的排放，并實現(xiàn)能源供應多元化。
鞍山市作為全國重要的工業(yè)城市，氫能產業(yè)發(fā)展條件得天獨厚，充分利用氫能，必將有力支撐遼寧氫能產業(yè)的發(fā)展，助力東北老工業(yè)基地的振興。本文對氫能的定義、來源、特性及氫能產業(yè)鏈等基本概念、性質進行闡述，重點從化工產業(yè)的視角對氫能綜合應用的發(fā)展與趨勢進行論述，結合我市氫能的化工產業(yè)發(fā)展基礎現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢，適當對我市在氫能的化工產業(yè)應用提出建議和參考。
一、氫能及氫能產業(yè)鏈概述
（一）氫能概述
1.氫能的定義及產生。氫能通常是指氫在物理與化學變化過程中釋放的能量。氫能是一種二次能源，是通過一定的方法利用其他能源制取的，可以從化石原料中直接獲取，也可以由水電解制得。
2.氫能的主要化工特點。氫能是公認的清潔能源，是重要的低碳和零碳能源。氫位于元素周期表之首，原子序數(shù)為1。作為一種理想的新的合能體能源，它具有以下特點：①普遍元素，重量最輕，多種形態(tài)。據(jù)估計，氫構成了宇宙質量的75%，除氣體氫氣外，主要以化合物地形態(tài)貯存于水中?？梢詺鈶B(tài)、液態(tài)或固態(tài)的金屬氫化物出現(xiàn)，能適應貯運及各種應用環(huán)境的不同要求。②理想的發(fā)熱值，導熱性、燃燒性能好。除核原料外，氫的發(fā)熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，比大多數(shù)氣體的導熱系數(shù)高出10倍，具有點燃快，與空氣混合時有廣泛的可燃范圍，燃點高，燃燒速度快的特點。③利用形式多，利用率高。氣體通過燃燒產生熱能，在熱機中產生機械能，又可作為能源材料用于燃料電池，或轉化成固態(tài)氫用作結構材料。氫取消了內燃機噪聲源和能源污染隱患，利用率高。④無毒，減少溫室效應，廢物可回收利用。氫燃燒最清潔除生成水和少量氮化氫（適當處理不污染環(huán)境）外，不產生一氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物、鉛化合物和粉塵顆粒等對環(huán)境有害的污染物。產物水無腐蝕性，可以再次分解氫，回收利用。
（二）氫能的產業(yè)鏈概述
氫能產業(yè)鏈分為上游制氫、中游儲運氫和下游氫應用三大環(huán)節(jié)。
上游制氫基本有5種方式：天然氣制氫、生物制氫、甲醇制氫、富氫氣體制氫、水電解制氫。
中游儲運氫基本有4種方式：氫氣管車、液態(tài)儲氫、氫氣瓶組、 氫氣儲罐。
下游氫應用基本是2種方式：傳統(tǒng)：工業(yè)用氫（制藥、煉油等）、新興：燃料電池 （電源、軍用等）。
二、國內外現(xiàn)狀及趨勢
（一）國際氫能發(fā)展概況
20世紀70年代，中東第三次戰(zhàn)爭導致世界范圍內的能源危機后，美國通用汽車公司提出了氫經(jīng)濟概念，主要為描繪未來氫氣取代石油成為支撐全球經(jīng)濟的主要能源后，整個氫能源生產、配送、貯存及使用的市場運作體系。
隨著全球能源消費向低碳化轉型的進程加快，氫能逐步成為國內外能源及相關行業(yè)關注的焦點。能源轉型背景下，發(fā)展氫能已經(jīng)成為發(fā)達經(jīng)濟體的共識，日本、美國、歐盟和韓國等世界主要發(fā)達經(jīng)濟體均已將發(fā)展氫能產業(yè)作為國家能源戰(zhàn)略。氫能產業(yè)現(xiàn)階段是典型的政策推動型產業(yè)，產業(yè)鏈不具備經(jīng)濟性，需要依靠各國政府大規(guī)模補貼才能發(fā)展。
日本為推進氫能產業(yè)發(fā)展，日本政府制定相應支持政
策，對加氫站建設、家庭用燃料電池系統(tǒng)、燃料電池以及購買燃料電池車的消費者進行持續(xù)補貼。初步形成了相對完整的氫能產業(yè)鏈體系。
美國發(fā)展氫能較早，氫氣的生產、儲運、下游應用以及基礎設施方面，均布局完善。北美分布的68座加氫站僅一座位于加拿大，其余全部分布在美國。
在歐盟國家中，德國非常重視氫能產業(yè)發(fā)展。截至2017年底，德國共有56座加氫站；德國熱電聯(lián)產系統(tǒng)應用較為廣泛，擁有2000套微型熱電聯(lián)產系統(tǒng)。
經(jīng)過40年的發(fā)展，氫能利用方面取得了一定成就，氫燃料電池汽車等已經(jīng)開發(fā)并運用，但氫能產業(yè)整體上仍處于“示范”階段，各種氫能公共基礎設施建設仍不健全，氫能未進行大規(guī)模運用，與氫經(jīng)濟描繪場景相去甚遠。
（二）我國氫能發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
1.發(fā)展現(xiàn)狀。2019年，氫能首次寫進了國務院《政府工作報告》，要求“推動充電、加氫等設施建設”。在政策的引領下，多地規(guī)劃氫能產業(yè)發(fā)展提速。據(jù)中國氫能聯(lián)盟數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2012-2018年，我國氫能產量呈逐年遞增趨勢，其中，2018年中國氫氣產量約為2100萬噸，占全球總產量的比例超過30%，凸顯我國產氫大國地位，為我國開發(fā)利用新能源、加快邁進氫能經(jīng)濟時代創(chuàng)造了有利條件。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟預測，到2035年，中國氫能供給量將達到4000萬噸，在終端能源體系中占比5.9%。2019年4月，生態(tài)環(huán)境部等5部委聯(lián)合發(fā)布《關于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，意在進一步降低鋼鐵行業(yè)各生產環(huán)節(jié)的污染物排放。鋼鐵企業(yè)尤其是特大型鋼鐵企業(yè)為了適應國內國際形勢，也開始積極參與氫能利用項目。
經(jīng)過十余年的長足發(fā)展，我國氫氣年產量已逾千萬噸規(guī)模，位居世界第一大產氫大國；同時，我國金屬儲氫材料產銷量已超過日本，成為世界最大儲氫材料產銷國。氫氣產量和儲氫材料產銷量兩項世界第一，為我國開發(fā)利用新能源、加快邁入氫能經(jīng)濟時代創(chuàng)造了有力條件。
2.發(fā)展趨勢。氫能應用市場潛力大，在能源、交通、工業(yè)等領域具有廣闊的前景。作為能源體系的重要組成部分與未來發(fā)展方向，氫能已經(jīng)納入我國能源發(fā)展戰(zhàn)略，成為優(yōu)化能源消費結構，保證能源供應安全的戰(zhàn)略選擇。在此背景下，相關政策相繼發(fā)布，推動充電、加氫等設施建設。目前，江蘇、浙江、廣東等地發(fā)布了較完整的政策支持體系，山東、山西、遼寧等地也在加快推進。
三、化工產業(yè)中氫能綜合應用的發(fā)展與趨勢
（一）制氫產業(yè)發(fā)展與趨勢
氫氣用戶主要從氣體公司采購氫氣。制氫工藝不同，氫氣的純度和成本有差異，廣泛應用生產工藝有以下5種：
1.天然氣蒸汽轉化制氫。上世紀70 年代在合成氨的造原料氣階段應用。以天然氣為原料, 用水蒸氣轉化制取富氫混合氣,應用在合成氨生產領域成熟的一段爐造氣工藝。
2.甲醇蒸汽轉化制氫。1995年，以齊魯石化研究院開發(fā)出甲醇分解和一氧化碳變換功能的雙功能催化劑為標志，推廣迅速。目前國內已有約30 套裝置投入運行。
3.水電解制氫。上世紀50年代研制成功第一代水電解槽,水電解的工業(yè)生產裝置是電解槽，可以生產99.99999%的氫氣。該工藝的核心技術是質子交換膜技術，關鍵材料是鉑金。
4.PSA法焦爐煤氣制氫。鞍鋼焦爐煤氣制氫采用PSA工藝。PSA是變壓吸附簡稱，在焦化企業(yè)應用廣泛，從多組分的焦爐煤氣中分離出其中的氫氣,并使其質量達到生產要求。
5.生物制氫。生物制氫包括生物質通過熱化學轉化制氫和生物質微生物轉化制氫。生物制氫目前受技術所限發(fā)展緩慢，但因其原料廣、低成本、高效益的優(yōu)點，相信會成為未來的氫氣生產中的一個重要研究方向。
（二）氫氣的儲存和運輸
氫具有易燃易爆的特點，高壓下容易使材料發(fā)生氫脆，導致氫氣儲存、運輸存在問題。良好的氫氣運輸網(wǎng)絡是氫能產業(yè)發(fā)展的必要基礎條件。
1.氫氣儲氣罐運輸。當前主要的氫氣運輸主要通過儲氣罐汽車輸送為主。國內氫氣的儲存仍是以壓縮罐儲存為主，氫能汽車采用的是35MPa或70MPa的高壓氣儲氣罐。
2.氫氣管道化運輸。歐洲NaturalHy項目、荷蘭的VG2項目、德國的DVGW項目以及美國能源部實施的氫能管道研究發(fā)展工程等均研究了摻氫天然氣管道輸送的安全問題。據(jù)了解已有管道達到摻氫20%左右，仍能保證安全性。利用現(xiàn)有的天然氣管道進行改造升級，使其能夠輸送氫氣，是氫能快速推廣的一種捷徑。但是由于天然氣目前儲量還是比較豐富，現(xiàn)階段只需要支付開采成本，氫氣沒有價格優(yōu)勢，氫氣使用普及存在一定阻力。
3.氫氣液化儲氫。液化氫氣密度為常溫下的845倍，氫氣液化儲存需要達到超低溫-253℃，但氫氣液化成本高，能量損失大，也僅在一些特殊領域有所運用，如航天領域。當前也在研究運用合金儲存，或者芳烴類有機物進行儲存，但目前情況來看儲存的氫氣質量分數(shù)都在10%以下，還需要配套催化加氫脫氫設備，現(xiàn)在情況相對于儲氣罐儲存仍沒有優(yōu)勢。
4.其他方式儲氫。氫氣輸送與運用的理想狀態(tài)是如電能一樣，達到發(fā)電量與負荷的平衡狀態(tài)，盡量減少儲存環(huán)節(jié)。預期未來氫能產業(yè)發(fā)展到一定程度，使氫氣生產與消費達到基本平衡，實現(xiàn)氫氣零儲存的理想的狀況。未來技術突破，化學儲氫將成為主流。
（三）氫能的化工領域應用
現(xiàn)階段氫氣主要用于化工領域，少部分用于交通運輸。化工領域包括合成氨生產，石油催化劑提高油品，醫(yī)藥合成中的催化氫化等。交通運輸方面主要運用于氫能汽車，但全球范圍內比重較小。氫氣的應用領域很廣，其中用量最大的是作為一種重要的石油化工原料，用于生產合成氨、甲醇以及石油煉制過程的加氫反應。此外，在電子工業(yè)、冶金工業(yè)、食品加工、浮法玻璃、精細化工合成、航空航天工業(yè)等領域也有應用。我國氫氣主要是作為化工合成的中間產品和原料。
1.合成氨工業(yè)的氫能應用。我國工業(yè)制氫50%-60%用在了合成氨工業(yè)，理論上生產1噸合成氨需要1976標準立方米的氫氣。
2.石油化工氫能利用。石油催化加氫是指石油餾分（包括渣油）在氫氣存在下催化加工過程的通稱。中國加氫裝置年加工能力已超過5000萬噸，占原油總蒸餾能力的18.6%，但仍低于世界平均水平50.1%，從而制約了中國產品模式和產品質量的提高。 加氫過程按照生產目的的不同可分為：
（1）加氫精制。石油的加氫精制，目的是除去油品中的硫、氮、氧等雜原子及金屬雜質，并對部分芳烴或烯烴加氫飽和，改善油品的使用性能。
（2）加氫裂化。加氫裂化包括烷烴加氫裂化反應制烯烴、烷烴加氫異構化使分子結構重整、烯烴加氫生成飽和烷烴和進行重整異構化、芳香烴加氫。
（3）渣油加氫煉化。渣油加氫處理技術指較重的原料油在較苛刻條件下，發(fā)生一定轉化反應的加氫工藝過程。中國石油化工股份有限公司，所屬撫順石油化工研究院，從80年代中期開始，進行此項技術的探索，經(jīng)過十幾年努力，終于開發(fā)出我國自己的新型渣油加氫處理技術。
（4）潤滑油加氫。使?jié)櫥偷慕M分發(fā)生加氫精制和加氫裂化等反應，使一些非理想組分結構發(fā)生變化，以脫除雜原子和改善潤滑油的使用性能。
3.煤化工氫能利用。焦爐副產焦油的汽、柴油餾份含有大量的烯烴、多環(huán)芳烴等不飽和烴以及硫、氮化合物，酸度高、膠質含量高。
（1）焦油加氫。采用加氫改質工藝，可完成脫硫、不飽和烴飽和、脫氮反應、芳烴飽和，達到改善其安定性、降低硫含量和降低芳烴含量的目的，獲得優(yōu)質石腦油和燃料油。
（2）苯及苯的同系物加氫。粗苯是由多種芳烴和其他化合物組成的復雜混合物，無法直接利用，粗苯中主要組分是苯（55%-75%），甲苯（11%-22%），二甲苯（2.5%-6%），三甲苯和乙基甲苯（1%-2%），苯同系物總量約80%-95%。粗苯精制主要是提取粗苯中的苯、甲苯、二甲苯等產品。
表1 煤化工領域氫能應用主要業(yè)績表
4.精細化工氫能應用。我國20 世紀50 年代開始對催化加氫技術進行研究，1978 年成功開發(fā)了硝基苯氣相催化加氫制成苯胺技術。催化加氫技術在精細化工生產中具有連續(xù)性操作、污染小、環(huán)境友好等優(yōu)點，但是氫源的要求高、催化劑比較復雜甚至比較昂貴。主要應用如下：制備對氨基酚、鄰氯苯胺、鄰苯二胺、環(huán)丁烯砜催化加氫、脂肪叔胺。
5.其他工業(yè)化工方法氫能應用
（1）冶金工業(yè)氫能應用。在冶金工業(yè)中，氫氣主要用作還原氣，以便將金屬氧化物還原成金屬。氫氣除了用于還原若干種金屬氧化物以制取純金屬外，在高溫鍛壓一些金屬器材時，氫氣作為保護氣以使金屬不被氧化。用氫氣和氧氣可進行焊接或金屬、非金屬的熔化，原子氫可用于最難熔的金屬、高碳鋼、耐腐蝕材料、有色金屬等的熔融和焊接。
（2）電子工業(yè)氫能應用。在晶體的生長與襯底的制備、氧化工藝、外延工藝中以及化學氣相淀積（CVD）技術中，均要用到氫氣。半導體工業(yè)對氣體純度要求極高。純氫和高純氫是電子工業(yè)用氫的普遍標準。
（3）醫(yī)藥合成氫能應用。催化氫化包括氫化和氫解?，F(xiàn)代藥品的生產合成中大多需要進行催化加氫。用于麻醉的藥品“普魯卡因”是由對硝基甲苯做為起始原料合成的，其中重要的一步就是硝基氫化還原反應轉為胺基；解熱鎮(zhèn)痛藥氨基比林、非那西?。▽σ阴０被揭颐眩?、撲熱息痛中間體（對氨基苯酚）、咖啡因、阿托品的合成；其它醫(yī)藥合成工藝需要氫化催化的工藝流程還較多。
（4）食品加工工業(yè)氫能應用。許多天然食用油具有很大程度的不飽和性，經(jīng)氫化處理后，所得產品可穩(wěn)定貯存，并能抵抗細菌的生長，提高油的粘度。食用油加氫的產品可加工成人造奶油和食用蛋白質等。非食用油加氫可得到生產肥皂和畜牧業(yè)飼料的原料。
四、鞍山市化工領域氫能產業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
（一）我省氫能發(fā)展現(xiàn)狀
遼寧省正在積極發(fā)展氫能產業(yè)，從不完全統(tǒng)計看，我省氫能應用出現(xiàn)積極態(tài)勢，起步狀態(tài)良好。
表2 我省典型氫能應用企業(yè)統(tǒng)計表（2018年數(shù)據(jù)）
（二）鞍山市現(xiàn)狀
鞍鋼化學科技有限公司作為鞍鋼股份全資公司，是鞍山氫源產生和應用的龍頭。該公司苯加氫作業(yè)區(qū)位于鞍鋼廠區(qū)西北部，占地面積4.5萬平方米， 2009年8月投產運行。其項目是采用德國伍德公司專利加氫技術，低溫低壓加氫萃取工藝法，是國內焦化企業(yè)單套生產能力最大，具有易燃易爆特性的石化類工藝項目，屬重大危險源、省甲級要害部位。苯加氫工藝有6個生產單元及其它輔助設施組成，主要主要生產高純苯、甲苯、二甲苯、重苯殘油、非芳烴及C9餾分。廣泛用作制造合成纖維、合成橡膠、炸藥、塑料、醫(yī)藥和染料、油漆等產品的原料，也可用作樹脂工業(yè)以及作為溶劑用于涂料、農藥和橡膠加工工業(yè)等。
同時我市擁有70萬噸煤焦油資源。鞍鋼處理能力60萬噸煤焦油集中加工（一期30萬噸煤焦油集中加工2011年竣工，二期正在調試達產）工程主要原料來源于鞍鋼本部31萬噸/年；鞍鋼營口鲅魚圈工程25萬噸；鞍鋼朝陽一期工程4萬噸；附企10萬噸。集中加工產品品種將達到40多個。
鞍山國銳化工有限公司在達道灣工業(yè)生產園區(qū)，公司打造完整的尼龍66產業(yè)鏈。尼龍66鹽裝置是從法國引進的，該廠自建甲醇加氫爐。
（三）鞍山市化工領域氫能產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
1.鞍山市化工領域氫能產業(yè)起步穩(wěn)健，趨勢向好。在鞍山的企業(yè)中，鞍鋼苯加氫項目和鞍山國瑞化工的尼龍66鹽的加氫項目進行自己集中生產，其他企業(yè)用氫委托到外地的中小企業(yè)進行加工。達到灣地理位置，毗鄰鞍鋼，是焦油加工的聚集地，在這里建設加氫集中區(qū)是方便生產、運輸，并園區(qū)配套完善的一個可行性方案。鞍山七彩化學股份有限公司也是目前鞍山精細化工的規(guī)上企業(yè)，若鞍鋼氫氣產能擴產，其產品基于氫來源保證，可進行加氫生產?；谝陨线@些資源、產品地理等因素，鞍山地區(qū)要建成加氫精制集中區(qū)，爭取在未來5年內實現(xiàn)100億的經(jīng)濟效益，為鞍山地區(qū)工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展貢獻力量。
2.鞍山市化工領域氫能產業(yè)發(fā)展需要解決的潛在制約問題。一是經(jīng)濟性問題。化石能源仍在相當一段時間內有競爭力，畢竟基本上支付開采成本就好，而氫氣在地球自然界沒有大規(guī)模存在，需要經(jīng)過加工提取，相對來說成本較高。同時在氫氣運輸上，氫氣管道材料要求較高，氫氣管線成本是普通燃氣管道的2-3倍。加之下游氫能推廣仍處于起步階段，市場不夠廣闊，仍不夠經(jīng)濟。如果目前沒有環(huán)保方面的壓力，化石燃料還是在經(jīng)濟上有優(yōu)勢。二是基礎設施不完善。此項不僅僅體現(xiàn)在鞍山，截止2018年底，全球共有369座加氫站。其中歐洲152座，亞洲136座，北美78座。中國目前12座，在建24座。沒有形成較大的氫氣傳輸管道。這極大的限制了氫燃料電池汽車等終端使用。現(xiàn)在國內燃氣管道基本上是天然氣管道，以前含有氫氣的煤氣管道基本上進行了改造。三是技術成熟度不夠， 存在安全風險。由于氫氣自身性質，易燃易爆、易泄露等原因，使氫能基礎設施成本加大，民眾的接受認可程度也較低，不利于創(chuàng)造寬松的應用發(fā)展環(huán)境，使氫氣運用受限。
五、鞍山市化工領域氫能產業(yè)發(fā)展措施建議
（一）以現(xiàn)有加氫起步區(qū)為基地，積極招商引資
針對地理位置特點，在鞍鋼與國銳化工有限公司中間規(guī)劃20萬平建設加氫起步區(qū)，按照壓力高低、裝置配置為4個加氫廠分別占地4萬平左右，2萬平建設公共設施島，包括氫氣發(fā)生爐、事故排泄區(qū)、循環(huán)消防水域、水處理站，及加氫管道。政府應引導規(guī)模性招商，引入包括氫氣發(fā)生、分離裝置企業(yè)，加氫企業(yè)，焦油分離企業(yè)等，以擴大項目再生產，為園區(qū)的規(guī)模擴大積蓄資源和保障。
(二) 穩(wěn)定氫氣來源，提供規(guī)模低價原料
氫能作為清潔低碳能源，未能大規(guī)模應用，成本是大問題，現(xiàn)在制備價格都5元/m3左右，是天然氣的2倍以上，需要從源頭上降低氫氣價格。在鞍鋼和國銳化工的加氫反應中，針對他們的地理位置和加氫產品特點，可以共用加氫爐，這樣能節(jié)省兩個大項目各自開工所增加的費用。針對鞍山本地煤焦油資源，可以發(fā)展PSA制氫法，獲得穩(wěn)定的加氫源泉。
（三）促進氫氣基礎設施建設，安全、環(huán)保、消防設施協(xié)同建設
制訂企業(yè)加氫集中園區(qū)相關的規(guī)劃，要讓氫能發(fā)展成未來社會的必需品?？梢詤⒖妓?、電、天然氣、通訊的發(fā)展模式，讓企業(yè)通過壟斷，大規(guī)模建造氫氣運輸、儲存網(wǎng)絡來降低成本。特別是利用天然氣已有的管道來改造升級，先通過摻氫管道建設，首先讓氫氣可以用起來，有了市場，自然也能促進下游終端開發(fā)。安全、消防、環(huán)保協(xié)同規(guī)劃，為全面建立完善、和諧的加氫園區(qū)做好統(tǒng)籌協(xié)調工作。
（四）開展設計單位、大學、企業(yè)聯(lián)合，產、學、研一體化開發(fā)
目前火熱的燃料電池技術雖然成果較大，極大的提升了氫能利用效率，但是對于氫氣純度要求太苛刻，一般要達到99.99%以上，使用門檻太高對氫能發(fā)展不是好事情。開展域內設計單位、大學、企業(yè)聯(lián)合，開發(fā)出純度要求不高的混合氣體燃料電池，或者是直接開發(fā)高效率的內燃式的氫氣發(fā)動機，或許更能促進氫能產業(yè)的發(fā)展。針對加氫集中區(qū)的建設，建設產、學、研研發(fā)服務平臺，針對不同種類的催化劑和加氫方法，和相關科研院所廣泛聯(lián)合，并引入檢測、研發(fā)、催化劑生產等各種資源。
（五）加大氫能產業(yè)的扶持力度，做好引領開發(fā)示范
新興產業(yè)的發(fā)展初期階段都離不開政府政策的支持，政府資金政策扶持可降低投資者初期風險?？刹扇『献鞯姆绞脚c投資者建設加氫站，補貼氫氣運輸管道建設，獎勵儲氫材料，氫能技術開發(fā)研究等，在全省做好引領示范。
