石化化工行业氢气生产利用现状
当前国内外氢气主要是在石化化工行业得到较为广泛的生产和利用，氢气作为中间原料，用于生产多种化工产品。我国石化化工行业主要涉氢的行业包括煤化工、天然气化工、石油化工、焦炉气化工、氯碱化工、精细化工等，主要产品有合成氨、过氧化氢(双氧水)等无机化工产品，甲醇、烯烃、乙二醇等有机化工产品，成品油、合成天然气等能源化工产品，还有多种精细化工、化工新材料等产品。根据对石化化工行业主要涉氢产品生产能力的统计，当前我国石化化工行业氢气总产能约为4,000万吨，氢气产量约3,300万吨。
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氢气用途
从氢气的用途来看，最大应用领域是作为生产合成氨中间原料，氢气产能占比约为30%；二是生产甲醇(包括煤经甲醇制烯烃)的中间原料，氢气产能占比约为28%；三是焦炭和兰炭副产氢的综合利用，占比约为15%(已扣除制氨醇，避免重复计算)；四是炼厂用氢，占比约为12%；五是现代煤化工范畴内的煤间接液化、煤直接液化、煤制天然气、煤制乙二醇的中间原料氢气，占比约为10%；其他方式氢气利用占比约为5%。
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生产原料
从氢气的生产原料构成来看，我国氢源以煤为主，占比约为59%；其次是高温焦化和中低温焦化(兰炭、半焦)副产煤气中的氢，占比约为20%；三是天然气制氢和炼厂干气制氢，占比约为16%；其余是甲醇制氢、烧碱电解副产氢、轻质烷烃制烯烃副产尾气含氢等。
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生产形式
从生产形式来看，独立的制氢装置主要存在于炼油、煤焦油加工等生产过程中，炼油厂内主要采用煤制氢、天然气(或炼厂干气)制氢或甲醇制氢，煤焦油加工厂一般为焦炉气制氢。部分综合型化工厂采用变压吸附(PSA)制氢装置，为生产下游产品提供氢气。对于煤、天然气或焦炉气制合成氨或制甲醇，煤(甲醇)制烯烃、煤制乙二醇、煤制油品、煤制合成天然气等，氢气作为生产过程的中间原料而存在，而不是由独立的制氢装置生产。氨合成装置或甲醇合成装置可以根据需要配套氢回收装置，回收副产氢气。烧碱的生产过程产生大量氢气，对于下游配套聚氯乙烯装置的工厂，氢气与氯气生成氯乙烯、继而再生产聚氯乙烯；对于独立的烧碱装置，副产氢气一般配套双氧水或精细氯加工产品，需要消耗一部分氢气，且少量副产氢气未得到有效利用。
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工业副产氢
从工业副产氢的角度来看，除上述提到的合成氨装置、甲醇合成装置、烧碱装置等以外，最大量的工业副产氢存在于高温焦化副产焦炉气和兰炭副产荒煤气中。焦化副产焦炉气的氢含量达55%～60%，目前焦炉气制合成氨、甲醇、LNG(直接提取LNG)、乙二醇或氢气等产品及焦炉气发电已得到广泛应用，少量焦炉气作为工业燃气利用。兰炭副产荒煤气的氢含量约为23%～25%，目前部分提氢用于中低温焦油加工，部分用于发电，部分用作工业燃气。
氢气化工利用技术前沿——CO2加氢转化
在碳达峰、碳中和愿景下，CO2加氢热催化转化技术引起了广泛关注。CO2加氢催化可以选择性获得甲烷、甲醇、二甲醚和烃类化合物如烯烃、芳烃和油品等产品。考虑到甲烷、二甲醚和油品等用作燃料使用后仍会排放CO2，生成高附加值化学品将是重要的技术途径。此外，CO2热力学稳定，是能量最低的含碳物质，与H2反应必将脱氧形成水，其耗氢量较高，因此，廉价易得的H2源将是CO2加氢热催化转化应用需要解决的关键问题。
图 1 CO2加氢转化路径
其中，二氧化碳加氢制甲醇的技术研究近几年在我国已取得长足进展。中国科学院大连化物所研究员李灿团队研发的“液态阳光”技术，通过利用太阳能、风能、水能等可再生能源发电，结合电解水制氢（绿氢）、二氧化碳加氢制甲醇技术，将可再生能源以液态燃料甲醇形式储存利用，并于2020年1月实现全球首套千吨级太阳燃料合成示范项目试车成功，太阳能到液体燃料甲醇能量转化效率大于14%，目前正在准备开展10万吨/年“液态阳光”示范项目。2020年9月，由中国化学工程所属成达公司、海洋石油富岛公司、中国科学院上海高等研究院共同研发设计建设的全球首套5000吨/年二氧化碳加氢制甲醇工业试验装置在海洋石油富岛有限公司实现稳定运行。
图 2 液态阳光示范项目全景图
绿氢在石化化工行业的应用前景
绿氢是指以风光等新能源为制氢能源所生产的氢气，区别于化石能源制氢。绿氢制取过程清洁无污染、碳排放很低甚至实现零排放，是氢能产业在供给侧鼓励发展的主要方式，有望成为未来低碳时代氢气制备的最重要来源。石化化工行业是我国二氧化碳排放的主要行业之一，氢气是石化化工行业的重要原料，以化石原料或者化工原料制氢也是石化化工行业碳排放的重要来源之一。面向未来，当绿氢成为稳定足量的低价氢源时，绿氢将更好地促进化工行业脱碳。研究分析绿氢在石化化工行业的应用特点，对绿氢的发展和石化化工行业的碳减排具有重要意义。
目前氢气来源可分为自愿型和非自愿型。焦炭和兰炭副产氢、氯碱副产氢等副产氢源属于非自愿生产的氢气，只要生产主产品就必然会产生氢气，因此此部分氢气没有被绿氢替代的可能。除了副产氢以外，煤制氢、天然气制氢和甲醇制氢等都属于自愿型制氢来源，采用绿氢替代此类氢源，能够起到降低碳排放的效果，都有意义。虽然绿氢理论上对自愿型制氢来源都有替代的意义，但是各种自愿型制氢来源市场规模、碳排放水平各有不同，由于煤制氢产能占比大、碳排放量高，采用绿氢代替煤制氢综合降碳效果最为显著，应成为绿氢应用于化工的重点方向。
中国化工行业氢能需求预测
氢气是合成氨、合成甲醇、石油炼化和煤化工行业中的重要原料，2020年合成氨、甲醇、冶炼与化工所需氢气分别占比32%、27%和25%。目前中国的化工行业仍属于以化石燃料为主要能源基础和原料的高耗能高碳排放行业，所需的氢气主要通过天然气重整、煤气化等传统方式生产，未来有望通过绿氢大规模替代以实现化工行业的碳中和目标。
图 3 2020年中国化工行业氢气消耗分布
目前国内已有化工行业应用绿氢的示范项目陆续落地。例如宝丰能源在宁东建立的全国最大光伏制氢耦合煤化工项目，每年可减少煤炭资源消耗约38万吨、二氧化碳排放约66万吨、化工装置碳排放总量的5%。根据落基山研究所与中国氢能联盟研究院的研究测算，到2030年，中国化工行业可再生氢消费量将达到376万吨，是中国最大的可再生氢需求市场。
