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中國氫氣的生產(chǎn)和應(yīng)用
1.前言
氫是公認(rèn)的最潔凈的燃料，也是重要的化工合成原料。但它不是一次能源，它是要從一次能源通過轉(zhuǎn)換生產(chǎn)出來的能量載體。它又是一種氣體燃料，在輸送分配方面相對地存在著一定困難。中國又是一個以煤為主要一次能源的國家，所以，就要應(yīng)用"環(huán)境、能效、經(jīng)濟"的生命周期研究方法，結(jié)合國情和地區(qū)的實際，用系統(tǒng)工程的眼光來全面地評估中國氫的生產(chǎn)和應(yīng)用；要結(jié)合地區(qū)的實際，選擇先進的技術(shù)，合理的方法來生產(chǎn)和應(yīng)用氫，以獲得最大的經(jīng)濟和環(huán)境效益。
出于此目的，我在這里對目前中國氫氣的生產(chǎn)和應(yīng)用的狀況進行初步剖析，并對今后的發(fā)展提出很粗淺的看法，供大家研討。
2.中國生產(chǎn)氫氣和利用氫的基本狀況：
1.氫的主要生產(chǎn)方法
目前氫氣主要是作為一種中間產(chǎn)品而生產(chǎn)的。它是進一步化工合成加氫的重要原料。它主要是由化石能源天然氣(CH4)、原油(烴)和煤作為原料和水蒸汽在高溫下重整、氣化或烴類部分氧化轉(zhuǎn)化生成。在轉(zhuǎn)化過程中，化石能源中的碳首先變?yōu)镃O(或CO2)。為了多得到氫，又通過水汽變換反應(yīng)CO+H2O=H2+CO2,把把CO進一步轉(zhuǎn)化為CO2。所以，由化石能制氫就會排放CO2。其CO2排放量：煤油天然氣，這是由原料的碳氫比所決定的。氫也可由電解水(鹽水)生產(chǎn)，但這是一種較昂貴的方法，一般是在特殊的生產(chǎn)目的下的副產(chǎn)品，例如氯堿工業(yè)；或是為了獲得特殊需要的氫(如火箭燃料)。電解法制氫只有在利用水電或太陽能光解水時，才可以說是合理的。煉油廠和一些化工過程也會副產(chǎn)一些氫氣，但這些都不是最主要的生產(chǎn)氫的方法。
2.氫的利用
在中國氫主要是作為化工合成的中間產(chǎn)品或原料，目前在中國氫作為直接產(chǎn)品或燃料的量是較少的。當(dāng)前在中國氫是較貴和較缺的(相對于其他國家來說)，主要是因為我國一次能源是以煤為主，煤比石油，天然氣含氫量少，制氫過程就需要用更多的蒸汽，要消耗較多的能量。氫最大量的用處是在合成氨，世界上~60%的氫是用在合成氨上(~6 1012立方英尺)中國的比例更高。下一節(jié)將具體列出中國合成氨的產(chǎn)量和以煤、天然氣和輕油為原料的比例。
為了改善環(huán)境的要求，目前對汽、柴油的質(zhì)量要求在不斷提高，煉油過程的加氫裂化和加氫精制過程，也需要應(yīng)用大量的氫氣，煉油廠重整等過程副產(chǎn)的氫氣是遠不夠用的。有加氫裂化和加氫精制裝置的廠，都需另加輕油蒸汽重整(或部分氧化)的制氫裝置。
另一項較大量的氫氣用處是利用合成氣(CO/H2)合成甲醇。在一些技術(shù)發(fā)達的國家，甲醇主要是用來生產(chǎn)MTBE作為汽油的添加劑。在中國由于C4烯烴的量有限，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，本身也是一種很好的發(fā)動機燃料。因此，甲醇是最重要的C1化工產(chǎn)品。開辟甲醇的應(yīng)用范圍和其下游產(chǎn)品，將對優(yōu)化利用化石能源起到重要作用。
一碳化工過程將是利用氫氣(合成氣H2/CO)的重要方面。例如OXO反應(yīng)可以從烯烴生產(chǎn)醛和進一步加氫生產(chǎn)醇(重要的增塑劑)。從合成氣也可直接或間接合成液體燃料、烯烴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)。
氫氣也是其他有機化合物加氫過程的原料。煤的直接液化過程就需要大量的氫作為中間原料。煤的間接液化(F-T合成)、甲烷化反應(yīng)，也都需要大量的氫氣。
液氫是中國火箭推進的主要燃料。
由于燃料電池技術(shù)新的發(fā)展，氫氣作為燃料電池的燃料，展現(xiàn)了極廣泛的和潛在的市場。如何從規(guī)劃及技術(shù)上準(zhǔn)備和迎接這一必然要到來的發(fā)展，將是一項極為重大的事情。
3.中國氫氣生產(chǎn)和應(yīng)用的一些具體數(shù)字和分析
(1)化肥生產(chǎn)中氫的生產(chǎn)利用
表一合成氨產(chǎn)量(萬噸)
廠型19931994199519961997
大型510.0549.3604.3
中型459.0665.6840.5
小型1237.61227.31319.5
合計2206.62442.22764.82710略減
1995年中國化肥生產(chǎn)達歷史最好水平，全國生產(chǎn)化肥2481.1萬噸(折純)其中氮肥1857.3萬噸；磷肥601.5萬噸；鉀肥22.3萬噸。由于進口化肥的影響，1996、1997年產(chǎn)量略減。
由表二可見，氮肥中主要是尿素和碳酸氫銨(小型廠生產(chǎn)為主)。尿素和碳酸氫銨的生產(chǎn)過程，都可以部分(50%左右)回收利用造氣過程所產(chǎn)生的CO2，中國在生產(chǎn)化肥的過程，歷來都是比較重視CO2的回收利用的。
由中國合成氨的生產(chǎn)量，我們可以粗略估計出，用在~27 106t/a合成氨上的氫量，約在5 106t/a。
表三給出了中國不同原料合成氨產(chǎn)品的構(gòu)成；表四給出了中國氮肥生產(chǎn)一次能源成。從表中可見，目前以煤和焦炭為原料占了大部分，天然氣只占18.6%左右。氮肥行業(yè)1995年消耗天然氣量為52.6億立方米，主要集中在一些年產(chǎn)量急30萬噸合成氨的大型廠。
表二1995年氮肥品種的構(gòu)成(萬噸)
品種產(chǎn)量占化肥總產(chǎn) |
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