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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。發展氫能經濟，能夠減少溫室氣體和細顆粒物的排放，并實現能源供應多元化。
鞍山市作為全國重要的工業城市，氫能產業發展條件得天獨厚，充分利用氫能，必將有力支撐遼寧氫能產業的發展，助力東北老工業基地的振興。本文對氫能的定義、來源、特性及氫能產業鏈等基本概念、性質進行闡述，重點從化工產業的視角對氫能綜合應用的發展與趨勢進行論述，結合我市氫能的化工產業發展基礎現狀和發展態勢，適當對我市在氫能的化工產業應用提出建議和參考。
一、氫能及氫能產業鏈概述
（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。據估計，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貯存于水中。可以氣態、液態或固態的金屬氫化物出現，能適應貯運及各種應用環境的不同要求。②理想的發熱值，導熱性、燃燒性能好。除核原料外，氫的發熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，比大多數氣體的導熱系數高出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）氫能的產業鏈概述
氫能產業鏈分為上游制氫、中游儲運氫和下游氫應用三大環節。
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、液態儲氫、氫氣瓶組、 氫氣儲罐。
下游氫應用基本是2種方式：傳統：工業用氫（制藥、煉油等）、新興：燃料電池 （電源、軍用等）。
二、國內外現狀及趨勢
（一）國際氫能發展概況
20世紀70年代，中東第三次戰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濟概念，主要為描繪未來氫氣取代石油成為支撐全球經濟的主要能源后，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關注的焦點。能源轉型背景下，發展氫能已經成為發達經濟體的共識，日本、美國、歐盟和韓國等世界主要發達經濟體均已將發展氫能產業作為國家能源戰略。氫能產業現階段是典型的政策推動型產業，產業鏈不具備經濟性，需要依靠各國政府大規模補貼才能發展。
日本為推進氫能產業發展，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、燃料電池以及購買燃料電池車的消費者進行持續補貼。初步形成了相對完整的氫能產業鏈體系。
美國發展氫能較早，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發展。截至2017年底，德國共有56座加氫站；德國熱電聯產系統應用較為廣泛，擁有2000套微型熱電聯產系統。
經過40年的發展，氫能利用方面取得了一定成就，氫燃料電池汽車等已經開發并運用，但氫能產業整體上仍處于“示范”階段，各種氫能公共基礎設施建設仍不健全，氫能未進行大規模運用，與氫經濟描繪場景相去甚遠。
（二）我國氫能發展現狀及趨勢
1.發展現狀。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，多地規劃氫能產業發展提速。據中國氫能聯盟數據統計，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，為我國開發利用新能源、加快邁進氫能經濟時代創造了有利條件。根據中國氫能聯盟預測，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，生態環境部等5部委聯合發布《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》，意在進一步降低鋼鐵行業各生產環節的污染物排放。鋼鐵企業尤其是特大型鋼鐵企業為了適應國內國際形勢，也開始積極參與氫能利用項目。
經過十余年的長足發展，我國氫氣年產量已逾千萬噸規模，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，為我國開發利用新能源、加快邁入氫能經濟時代創造了有力條件。
2.發展趨勢。氫能應用市場潛力大，在能源、交通、工業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展方向，氫能已經納入我國能源發展戰略，成為優化能源消費結構，保證能源供應安全的戰略選擇。在此背景下，相關政策相繼發布，推動充電、加氫等設施建設。目前，江蘇、浙江、廣東等地發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、化工產業中氫能綜合應用的發展與趨勢
（一）制氫產業發展與趨勢
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展緩慢，但因其原料廣、低成本、高效益的優點，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生氫脆，導致氫氣儲存、運輸存在問題。良好的氫氣運輸網絡是氫能產業發展的必要基礎條件。
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展工程等均研究了摻氫天然氣管道輸送的安全問題。據了解已有管道達到摻氫20%左右，仍能保證安全性。利用現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，現階段只需要支付開采成本，氫氣沒有價格優勢，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都在10%以下，還需要配套催化加氫脫氫設備，現在情況相對于儲氣罐儲存仍沒有優勢。
4.其他方式儲氫。氫氣輸送與運用的理想狀態是如電能一樣，達到發電量與負荷的平衡狀態，盡量減少儲存環節。預期未來氫能產業發展到一定程度，使氫氣生產與消費達到基本平衡，實現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、冶金工業、食品加工、浮法玻璃、精細化工合成、航空航天工業等領域也有應用。我國氫氣主要是作為化工合成的中間產品和原料。
1.合成氨工業的氫能應用。我國工業制氫50%-60%用在了合成氨工業，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，經過十幾年努力，終于開發出我國自己的新型渣油加氫處理技術。
（4）潤滑油加氫。使潤滑油的組分發生加氫精制和加氫裂化等反應，使一些非理想組分結構發生變化，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性操作、污染小、環境友好等優點，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、環丁烯砜催化加氫、脂肪叔胺。
5.其他工業化工方法氫能應用
（1）冶金工業氫能應用。在冶金工業中，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。半導體工業對氣體純度要求極高。純氫和高純氫是電子工業用氫的普遍標準。
（3）醫藥合成氫能應用。催化氫化包括氫化和氫解。現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；解熱鎮痛藥氨基比林、非那西汀（對乙酰氨基苯乙醚）、撲熱息痛中間體（對氨基苯酚）、咖啡因、阿托品的合成；其它醫藥合成工藝需要氫化催化的工藝流程還較多。
（4）食品加工工業氫能應用。許多天然食用油具有很大程度的不飽和性，經氫化處理后，所得產品可穩定貯存，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飼料的原料。
四、鞍山市化工領域氫能產業的現狀與發展趨勢
（一）我省氫能發展現狀
遼寧省正在積極發展氫能產業，從不完全統計看，我省氫能應用出現積極態勢，起步狀態良好。
表2 我省典型氫能應用企業統計表（2018年數據）
（二）鞍山市現狀
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。該公司苯加氫作業區位于鞍鋼廠區西北部，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、醫藥和染料、油漆等產品的原料，也可用作樹脂工業以及作為溶劑用于涂料、農藥和橡膠加工工業等。
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生產園區，公司打造完整的尼龍66產業鏈。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發展現狀
1.鞍山市化工領域氫能產業起步穩健，趨勢向好。在鞍山的企業中，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，其他企業用氫委托到外地的中小企業進行加工。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是方便生產、運輸，并園區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上企業，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。基于以上這些資源、產品地理等因素，鞍山地區要建成加氫精制集中區，爭取在未來5年內實現100億的經濟效益，為鞍山地區工業經濟發展貢獻力量。
2.鞍山市化工領域氫能產業發展需要解決的潛在制約問題。一是經濟性問題。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模存在，需要經過加工提取，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，仍不夠經濟。如果目前沒有環保方面的壓力，化石燃料還是在經濟上有優勢。二是基礎設施不完善。此項不僅僅體現在鞍山，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，不利于創造寬松的應用發展環境，使氫氣運用受限。
五、鞍山市化工領域氫能產業發展措施建議
（一）以現有加氫起步區為基地，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劃20萬平建設加氫起步區，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，包括氫氣發生爐、事故排泄區、循環消防水域、水處理站，及加氫管道。政府應引導規模性招商，引入包括氫氣發生、分離裝置企業，加氫企業，焦油分離企業等，以擴大項目再生產，為園區的規模擴大積蓄資源和保障。
(二) 穩定氫氣來源，提供規模低價原料
氫能作為清潔低碳能源，未能大規模應用，成本是大問題，現在制備價格都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，可以發展PSA制氫法，獲得穩定的加氫源泉。
（三）促進氫氣基礎設施建設，安全、環保、消防設施協同建設
制訂企業加氫集中園區相關的規劃，要讓氫能發展成未來社會的必需品。可以參考水、電、天然氣、通訊的發展模式，讓企業通過壟斷，大規模建造氫氣運輸、儲存網絡來降低成本。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。安全、消防、環保協同規劃，為全面建立完善、和諧的加氫園區做好統籌協調工作。
（四）開展設計單位、大學、企業聯合，產、學、研一體化開發
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展不是好事情。開展域內設計單位、大學、企業聯合，開發出純度要求不高的混合氣體燃料電池，或者是直接開發高效率的內燃式的氫氣發動機，或許更能促進氫能產業的發展。針對加氫集中區的建設，建設產、學、研研發服務平臺，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合，并引入檢測、研發、催化劑生產等各種資源。
（五）加大氫能產業的扶持力度，做好引領開發示范
新興產業的發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。可采取合作的方式與投資者建設加氫站，補貼氫氣運輸管道建設，獎勵儲氫材料，氫能技術開發研究等，在全省做好引領示范。
