天然气制氢技术及经济性分析

常宏岗

中国石油西南油气田公司天然气研究院

氢气作为一种优良的清洁能源载体，其能量密度超过140 MJ/kg，是汽油的3倍，加大氢能利用是我国实现碳达峰、碳中和的重要对策[1]。氢气是宇宙中最主要和最轻的物质，氢原子聚合是宇宙的能量来源，由于地球引力不足以吸引住氢气，地球大气圈中氢气含量低于1×10-6(φ)，我们使用的氢气必须从含氢物质中加工提取，富含氢原子的化石燃料和水是制氢的主要原料。全球及中国的氢气生产结构见表1[2]。中国是全球最大的氢气生产和消费国家，2019年氢气产量约为2 000×104t，化石能源加工业副产提纯制氢占97%，电解水等工艺占比低于3%，氢气消费结构中99%用于合成氨、甲醇及炼油化工行业，其中包括相当部分低浓度氢气作为燃料或不加利用直接排放，而作为新能源使用的比例很低，氢能源汽车的占比不超过1%，多为示范项目[3]。

表1 全球及中国的氢气生产结构制氢原料及方式全球国内统计口径1国内统计口径2化石能源制氢煤制氢18%43%62%天然气重整制氢48%16%19%石油制氢30%13%18%工业副产提纯制氢焦炉煤气、氯碱尾气等28%电解水制氢4%微量1%其他方式产氢生物质、光催化等微量微量

氢燃料电池直接将化学能转化为电能，具有无污染、无噪声、能量转换效率高等优点，可广泛用于各类交通运输工具。近年来，氢燃料电池产业发展迅速，对氢气的需求量逐年增加，但由于氢气成本较高，导致氢燃料汽车与现有燃料相比缺乏竞争优势。

化石燃料制取氢气是目前使用最广泛的制氢方式，其制氢技术成熟，主要过程是化石能源先与过量水反应得到H2、 CO和水蒸气为主的合成气，合成气再经过水蒸气变换将CO进一步转化为CO2和H2，经分离后得到氢气产品。……