氢能源应用需求分析

1.由醛制醇，炔烃制烯烃，甲苯脱烷基制苯，硝基苯加氢制苯胺以及由萘制氢化萘等。2.在轻化工行业中所使用的二苯基亚甲基二异氰酸酯(MDI)、甲苯二异氰酸酯(TDI)、己二酸、脂肪醇等都需要采用催化加氢工艺。

氢能源应用需求分析

• 石油化工
  • 合成氨原料用氢
    • 在金属催化剂和一定的温度压力条件下直接将氢和氮结合生成氨。合成氨是氢气目前仅次于炼油厂的第二大应用。 最常用的是以铁为基础催化剂，通过K2O、CaO、SiO2和Al2O3等改良催化剂。混合气体通常通过四个催化剂床，在每一道冷却床之间进行冷却，以保持合理的反应平衡常数。每次通过一个催化剂床时，只有大约15％的气体转化成氨：液氨被脱除，未反应的气体通过压缩机循环利用。在现代工厂中，总转化率可达到97％以上。 一个1000顿/天规模的合成氨厂，每生产1顿氨需要氢气336m3,大规模生产合成氨的主要成本取决于氢的成本。
  • 合成甲醇原料用氢
    • 甲醇可以由合成气（一氧化碳和氢气）在涂有铜和锌氧化物的氧化铝颗粒催化剂固定床反应器中生产。甲醇也可以通过氢和二氧化碳的直接结合来进行制备。这个过程中，氢气和二氧化碳被泵入到装有催化剂的反应容器的密封室中，被加热到180－250℃。二氧化碳到甲醇的最大转化率约为24％。未转化的二氧化碳和氢气被回收并返回容器内。 一个2500顿/天规模的甲醇厂，每生产1顿甲醇约需要氢气560m3。
  • 石油精炼原料用氢： 脱硫和加氢裂化
    • 1.在石油炼制过程中，氢气主要用于石脑油加氢脱硫、粗柴油加氢脱硫、燃料油加氢脱硫、改善飞机燃料的无火焰高度和加氢裂化等方面；
    • 2.加氢裂化是在氢气存在下进行的催化裂化过程，反应主要特征是C-C键断裂，空速低，所用氢气量大。在石油化工领域，氢气主要用于C3馏分加氢、汽油加氢、C6－C8馏分加氢脱烷基以及生产环己烷等方面。
  • 石油炼制工业： 催化重整原料用氢
    • 1.除去石脑油中的硫化物、氮化物、铅和砷等杂质。
    • 2.柴油馏分和重质馏分的加氢脱硫操作压力为3-4MPa，温度340-380℃。燃料油加氢脱硫主要是由于环保的要求，因为空气污染95%是由于燃料油燃烧时放出的SO2引起的，加氢脱硫耗氢量大，工艺上可采用直接或间接脱硫。
    • 3.选择性加氢主要用于高温裂解产物，对乙烯馏分进行气相加氢，对丙烯馏分采用液相加氢，汽油馏分中富含二烯烃、烯烃和芳香烃，这类化合物在与空气接触时会产生胶质，故一定要进行加氢处理，将不稳定化合物转化成稳定的产物。
  • 加氢精制
    • 加氢除去有害化合物的过程，除硫化氢、硫醇、总硫之外，炔烃、烯烃、金属和准金属等均可在加氢过程中除去。因而，在现代石油化学加工过程中，利用加氢工艺可以改善石油化学品的质量，增加最有价值的石油化学品的产量.减少重油残渣和焦油的生成，降低结碳量，提高石油加工厂的适应性，从石油加工废物中可以得到很多有价值的石油化学产品，净化一系列产品，除去有害杂质。氢是现代石油化工工业产品最通用的净化剂、交化剂，能提高大型裂化装置的生产能力。
  • 合成有机化合物
    • 在石油化工领域，可以用氢和一氧化碳反应合成多种有机化合物，如乙二醇的合成、合成聚甲烯(poly methylen）、,醇的同系化反应、与不饱和烃反应制醛等。用费托法可以合成各种烃，包括发动机燃料和一系列有价值的单一有机化合物，如固体石蜡、含氧化合物等。
  • 选择催化加氢
    • 1.由醛制醇，炔烃制烯烃，甲苯脱烷基制苯，硝基苯加氢制苯胺以及由萘制氢化萘等。
    • 2.在轻化工行业中所使用的二苯基亚甲基二异氰酸酯(MDI)、甲苯二异氰酸酯(TDI)、己二酸、脂肪醇等都需要采用催化加氢工艺。
• 电子工业
  • 电子材料：氢气作为反应气、还原气或保护气
    • "电子材料的晶体生长与衬底的制备、氧化工艺、外延工艺中以及化学气相淀积(CVD)技术中，均要采用氢气作为反应气、还原气或保护气。
    • 氧化工艺：当用于氢氧合成氧化，常压下将高纯氢与高纯氧通人石英管内，使之在一定的温度下燃烧，生成纯度很高的水，水汽与硅反应生成高质量的SiO2膜。
    • 在外延工艺中，四氯化硅或三氯氢硅在加热的硅衬底表面与氢发生反应，还原出硅沉积到硅衬底上，生成外延层。
    • 化学气相淀积（CVD）技术：利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质、在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法。化学气相淀积是近几十年发展起来的制备无机材料的新技术。化学气相淀积法已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、淀积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料。这些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物，也可以是III-V、II-IV、IV-VI族中的二元或多元的元素间化合物，而且它们的物理功能可以通过气相掺杂的淀积过程精确控制。"
  • 多晶硅制备
    • 电子工业中多晶硅的制备需要用到氢。当硅用氯化氢生成三氯氢硅SiHCl3后，经过分馏工艺分离出来，净化后的三氯氢硅采用高温还原工艺，以高纯的SiHCl3在H2气氛中还原沉积而生成多晶硅。其化学反应SiHCl3+H2→Si+HCl，达到半导体需求的纯度。
  • 氢气还原氧化物粉末
    • 在电真空材料和器件如钨和钼的生产过程中，用氢气还原氧化物粉末，再加工制成线材和带材，若其中所用的氢气的纯度越高，水含量越低，还原温度越低，所得钨、钼粉末就越细。
  • 填充气体
    • 对氢闸管、离子管、激光管等各种充气电子管的填充气体纯度要求更高，显像管制造中所使用的氢气纯度大于99.99%。
  • 半导体集成电路
    • 半导体集成电路生产对气体纯度要求极高，比如氧杂质的允许浓度为 等。微量杂质的“掺入”，将会改变半导体的表面特性，甚至使产品成品率降低或造成废品。
  • 还原保护气
    • 在制造非晶体硅太阳能电池中，也需要用到纯度很高的氢气。非晶硅薄膜半导体是国际上近十年来研制成功的新材料，在太阳能转换和信息技术等方面已展示出诱人的应用前景。
  • 光导纤维制造：氢氧焰加热
    • 光导纤维的应用和开发是新技术革命的重要标志之一，石英玻璃纤维是光导纤维的主要类型，在制造过程中，需要采用氢氧焰加热，经数十次沉积，对氢气纯度和洁净度都有很高要求。
• 浮法玻璃生产
  • 还原保护气
    • 在玻璃工业中广泛使用的气体有氢、乙炔、氧和氮。在浮法玻璃成形设备中装有熔融的锡液，它极易被氧化，生成氧化锡，造成玻璃沾锡，增加锡的消耗量，因此需要将锡槽密封，并连续不断送人纯净的氢氮混合气，维持槽内正压与还原气氛，保护锡液不被氧化。浮法玻璃厂氢气耗量取决于生产规模，一般在80-150m3/h之间。
• 还原冶金
  • 氢气还原炼钢
    • "钢铁行业造成的碳排放量占我国社会总碳排放量约18%。
    • 氢气炼钢是以氢代替碳作为还原剂，从而降低碳还原的碳排放，针对的是钢铁生产流程中的炼铁工艺，即长流程中的高炉炼铁和短流程中的直接还原炼铁环节，除了消除还原反应的碳排放，还可以省去煤炭焦化环节产生的碳排放。根据碳还原铁反应的化学式，还原1mol铁需要的还原剂碳为1.5-3mol（取决于直接还原和间接还原参与比例），按照56：12：44的铁、碳和二氧化碳摩尔质量比例，则生产1吨铁的碳还原反应产生的二氧化碳排放量为0.59吨，加上长流程中的焦化碳排放0.1吨，相当于长流程理论上可降低约0.69-1.28吨碳排放，降幅达34-62%。
    • 高炉富氢冶炼和富氢气基竖炉是我国氢冶金发展的两大主要方向，相比传统的“碳冶金”，氢冶金最高可减少85%以上的二氧化碳排放。钢铁行业氢能化将极大助力碳减排。
    • 高炉富氢即向高炉喷吹含氢量更高的物质，比如纯氢气和天然气、焦炉煤气等富氢气体，来替代部分碳还原，减少碳排放。气基竖炉富氢即在气基中提升氢气在还原气中的占比。"
  • 还原金属矿石
    • "氢气主要用作还原气，以便将金属氧化物还原成金属。
    • 氢在商业上被用来从矿石（黑钨矿、白钨矿和钨铁矿）中提取钨。也可用于从黑铜矿和锥黑铜矿（氧化铜，CuO）中生产铜。"
  • 保护气
    • 在高温锻压一些金属器材时，经常用氢气作为保护气以使金属不被氧化。
• 食品加工工业
  • 食用油氢化处理
    • "氢被用来把不饱和脂肪转化为饱和油和脂肪。例如，食品工业使用氢来制造氢化植物油，如人造黄油和黄油。
    • 许多天然食用油具有很大程度的不饱和性，经氢化处理后，所得产品可稳定贮存，并能抵抗细菌的生长，提高油的粘度。
    • 食用油加氢的产品可加工成人造奶油和食用蛋白质等。"
  • 非食用油氢化处理
    • 非食用油加氢可得到生产肥皂和畜牧业饲料的原料，过程包括用氢和不饱和酸（油酸、亚油酸等）的甘油脂，将氢引人到液体脂肪或植物油的组成中。
• 空间、放热与保护
  • 航空燃料
    • 能满足未来航空燃料的许多要求，最重要的是，氢燃烧对环境基本不产生污染。按单位质量计，氢的燃烧热值(119900-141900kJ/kg)比烃类燃料的燃烧热值大1.8倍。由液氢和液氧组合成的推进剂具有很高的比推力。
  • 焊接与切割
    • 氢气跟氧气反应时放出大量的热，燃烧的温度可达3100K，氢通过电弧的火焰时分解成原子氢，生成的原子氢飞向熔接表面，金属依靠吸收原子氢的热被进一步加热、熔化，使金属焊接表面的温度高达3800-4300K。这种原子氢可用于最难熔的金属、高碳钢、耐腐蚀材料、有色金属等的熔融和焊接。用原子氢进行焊接的优点在于，氢原子束能防止焊接部位被氧化，使焊接的地方不产生氧化皮。
  • 冷却剂（电厂、科研）
    • "由于氢具有较高的导热系数，在大型发电机组中经常用氢气作转子冷却剂。
    • 由于氢是除氦以外具有极低沸点的气体，液态氢在真空中蒸发可获得14-15K的低温，因而，在需要获得超低温的科学研究中，常用氢作制冷剂。"
  • 原子氢焊接
    • 原子氢焊接（AHW）是一种在氢气的保护气氛中，两个金属钨电极之间的电弧焊的工艺，可用于焊接难熔金属和钨。
  • 载气（气相色谱）
    • 氢是气相色谱中可用作载相的气体之一，用于分离挥发性物质。
  • 填充气体（气象气球）
    • 由于氢密度低，可以用于充填高空气象气球和飞艇。
• 交通运输 燃料电池
  • 燃料电池汽车
    • "交通领域是氢能源最重要的应用场景，氢燃料电池汽车是现阶段实现氢能在交通领域推广和应用的切入点和关键点。短期以客车及中轻型物流车为切入，中长期以氢燃料重卡为主体。
    • 燃料电池车适合重型和长途运输，在行驶里程要求高、载重量大的市场中更具竞争力，未
    • 来发展方向为重型卡车、长途运输乘用车等。燃料电池汽车在续航里程大于650公里的交通运输市场更具有成本优势。由于乘用车和城市短程公共汽车续航里程通常较短，纯电动汽车则更有优势。燃料电池车克服了能源补充时间长、低温环境适应性差的问题，提高了营运效率，与纯电动车型应用场景形成互补。"
  • 航运
    • "通过氢燃料电池技术可实现内河和沿海船运电气化，通过生物燃料或零碳氢气合成氨等新型燃料可实现远洋船运脱碳。
    • 我国部分企业和机构基于国产化氢能和燃料电池技术进步已经启动了氢动力船舶研制。现阶段，氢动力船舶通常用于湖泊、内河、近海等场景，作为小型船舶的主动力或大型船舶的辅助动力。海上工程船、海上滚装船、超级游艇等大型氢动力船舶是未来发展趋势。"
  • 航空
    • "氢能源为低碳化航空提供了可能，氢能可以减少航空业对原油的依赖，减少温室及有害气体的排放。相比于化石能源，燃料电池可减少75%-90%的碳排放，在燃气涡轮发动机中直接燃烧氢气可减少50%-75%的碳排放，合成燃料可减少30%-60%的碳排放。
    • 氢动力飞机可能成为中短距离航空飞行的减碳方案。"
  • 铁路
    • "氢能在铁路交通领域的应用主要是与燃料电池结合构成动力系统，替代传统的内燃机。氢动力火车的优点在于不需要对现有铁路轨道进行改建，通过泵为火车填充氢气，并且噪音小、零碳排放。
  • 加氢站
    • "加氢站是氢能利用和发展的中枢环节，是为燃料电池车充装燃料的专门场所，作为服务氢能交通商业化应用的中枢环节，是氢能源产业发展的重要基础设施。
    • 不同来源的氢气经氢气压缩机增压后，储存在高压储罐内，再通过氢气加注机为氢燃料电池车加注氢气。加氢站作为氢能源战略中十分关键的一环，以其氢燃料的储备辐射周边区域，使得车辆能够及时补充能源，形成良好的循环，才能推动燃料电池的发展。
    • 在确保安全的前提下，站内制氢、储氢和加氢一体化的加氢站等新模式也正在积极探索中，《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》中鼓励充分利用站内制氢生产成本低的优势，推动氢能分布式生产和就近利用。"
• 可再生能源应用示范
  • 零碳氢气
    • 通过光伏发电、风电以及太阳能等可再生能源电解水制氢，在制氢过程中将基本上不会产生温室气体，因此被称为“零碳氢气”。
  • 氢储能
    • "电力储能中抽水蓄能占比超过86%。氢储能具有放电时间长、规模化储氢性价比高、储运方式灵活、不会破坏生态环境等优势。氢储能应用场景丰富，在电源侧，氢储能可以减少弃电、平抑波动；在电网测，氢储能可以为电网运行调峰容量和缓解输变线路阻塞等。
    • 氢储能目前多采用碱性电解槽技术配合高压气态储氢技术以及质子交换膜燃料电池完成。可再生能源储存及电-电转化，能量转化效率有待提升。通过改善碱性电堆、电极与隔膜材料，优化质子交换膜电解槽的设计和制造工艺提高可再生能源储能效率，通过提高储氢压力、开发氢气液化装备及储罐提升储氢效率，预计2025 年可实现 40-45%的电-电转化效率以及 15-20mol/L 的储氢密度。"
  • 热泵
    • 利用金属氢化物吸氢放热、脱氢吸热的性质，可以建立热泵循环或热吸附压缩机。
  • 备用电源、热电联供系统
    • 利用电解水的逆反应，氢气与氧气（或空气）发生电化学反应生成水并释放出电能，即“燃料电池技术”。燃料电池可应用于固定或移动式电站、备用峰值电站、备用电源、热电联供系统等发电设备。
  • 谷电制氢与电网平衡
    • "纯氢气、氢气与天然气的混合可以为燃气轮机提供动力，从而实现发电行业的脱碳。氢能发电有两种方式。一种是将氢能用于燃气轮机，经过吸气、压缩、燃烧、排气过程，带动电机产生电流输出，即“氢能发电机”。氢能发电机可以被整合到电网电力输送线路中，与制氢装置协同作用，在用电低谷时电解水制备氢气，用电高峰时再通过氢能发电，以此实现电能的合理化应用，减少资源浪费。夜间采用谷电制氢，白天采用可再生能源制氢配套光伏发电制氢。包括制氢厂房，公辅装置，储运工程，环保工程、充装功能。"
• 建筑领域
  • 建筑供热
    • 早期氢气在建筑中的使用将主要是混合形式。氢气与天然气混合，按体积计算的比例可以达到20%，而无需改造现有设备或管道。
    • 和使用纯氢相比，将氢气混合到天然气管道中可以降低成本，平衡季节性用能需求。随着氢气成本的下降，北美、欧洲和中国等拥有天然气基础设施和有机会获得低成本氢气的地区，有望逐渐在建筑的供热、供暖中使用氢气。
    • 氢气价格低至10-21元/kg时，在分布式供暖方面可以与天然气竞争；
    • 预计到2030年，建筑热电联供的氢能需求量将达3万-9万t/年； 挪威船级社DNV预测，在2030年代后期，纯氢在建筑中的使用有望超过混合氢气；到2050年，氢气在建筑供暖和供热能源总需求中约占比3-4%。