制氢技术是氢能产业链中的关键环节，不同的制氢技术在成本、环境影响和未来发展前景方面存在显著差异。以下将详细介绍化石能源制氢和工业副产制氢工艺的现状、挑战及未来发展趋势。
化石能源制氢
技术方法
- 蒸汽重整法：将甲烷等碳氢化合物与水蒸气在高温下反应，生成氢气和二氧化碳。这是目前最成熟的制氢方法，技术成熟且成本较低，但会产生大量二氧化碳。
- 部分氧化法：将燃料和氧气在高温下部分氧化反应，产生氢气和一些二氧化碳、一氧化碳等。该方法制氢过程简单，成本较低，但同样产生大量污染物。
- 煤气化法：煤或其他生物质物料在高温下热解，产生合成气，再通过转化反应将合成气转化为氢气。煤气化法可以使用廉价原材料，但会产生二氧化碳等污染物，需结合碳捕集与封存（CCUS）技术。
环境影响
化石能源制氢在制氢过程中会产生大量二氧化碳和其他污染物，造成环境污染。尽管通过CCUS技术可以有效降低碳排放，但整体环境影响仍然显著。
经济性
化石能源制氢的成本较低，特别是在规模化生产时。煤炭和天然气价格波动对其成本有显著影响。结合CCUS技术后，成本可能进一步降低。
工业副产制氢
技术方法
- 变压吸附（PSA）法：利用吸附剂对不同气体在不同压力下吸附能力的差异，实现氢气的提纯。该技术操作简单、自动化程度高、氢气回收率较高。
- 膜分离技术：利用气体在膜中的渗透性差异实现氢气提纯。该技术设备紧凑、占地面积小，但膜的性能要求高，且成本影响整体经济性。
- 低温分离技术：通过降温使杂质气体液化或凝固，从而实现氢气提纯。该技术适用于高纯度氢气生产，但能耗高、设备投资大。
环境影响
工业副产制氢可以有效减少温室气体排放，提高资源利用效率。例如，合成氨工业副产气提纯制氢每生产1吨氢气可减少约10-15吨二氧化碳排放。
经济性
工业副产制氢的成本较低，综合制氢成本在9-22元/kg之间，低于电解水制氢。焦炉煤气制氢在工业副产氢中具备成本优势，单位制氢成本约9-15元/kg。
电解水制氢
技术方法
- 碱性电解水制氢：目前最为成熟的电解水制氢工艺，技术成熟、设备成本低，但电耗较大，对稳定的输出电源要求较高。
- 质子交换膜电解水制氢（PEM）：制氢效率高、灵活性好，但核心部件依赖进口，成本较高。
- 固体氧化物电解水制氢（SOE）：工作温度高、效率高，但尚处于实验室研发阶段。
环境影响
电解水制氢在制氢过程中不产生温室气体排放，是零碳排、可持续的“终极路线”。
经济性
电解水制氢的成本较高，主要受电价影响。当可再生能源电价降至0.16元/kWh时，碱性电解水制氢和PEM电解水制氢成本分别降至11.64元/kg和14.34元/kg，与化石能源制氢（+CCUS技术）的成本相当。
化石能源制氢和工业副产制氢在成本和环境影响方面各有优劣。化石能源制氢技术成熟、成本较低，但环境影响显著；工业副产制氢成本低廉，能有效减少温室气体排放，但资源有限。电解水制氢环境友好，但成本较高。未来，随着技术的进步和可再生能源成本的降低，电解水制氢有望成为主要的氢能源供应方式。
化石能源制氢的主要步骤是什么？
化石能源制氢的主要步骤包括蒸汽重整、部分氧化和煤气化等方法。以下是这些方法的简要介绍：
蒸汽重整（Steam Reforming）
- 原料准备：天然气经过脱硫预处理，去除硫化物。
- 反应过程：在高温（700℃-1000℃）和催化剂（如镍）存在下，甲烷与水蒸气发生反应，生成一氧化碳和氢气。
- 变换反应：生成的一氧化碳与水蒸气进一步反应，生成更多的氢气和二氧化碳。
- 提纯：通过变压吸附（PSA）技术，从混合气中分离出高纯度的氢气。
部分氧化（Partial Oxidation, POX）
- 原料准备：天然气经过预处理，去除杂质。
- 反应过程：在高温（1200℃-1500℃）下，天然气与氧气（或富氧空气）发生部分氧化反应，生成一氧化碳和氢气。
- 提纯：通过后续的气体处理和分离步骤，得到纯净的氢气。
煤气化（Gasification）
- 原料准备：煤炭经过破碎和干燥处理。
- 反应过程：在高温（800℃-1200℃）和气化剂（如氧气、水蒸气或二氧化碳）存在下，煤炭发生气化反应，生成一氧化碳、氢气和少量其他气体。
- 变换反应：生成的一氧化碳与水蒸气反应，生成更多的氢气和二氧化碳。
- 提纯：通过气体净化和分离技术，得到高纯度的氢气。
工业副产制氢的工艺有哪些？
工业副产制氢的工艺主要包括以下几种：
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焦炉煤气制氢：
- 工艺流程：焦炉煤气经过压缩净化后，采用变压吸附法（PSA）直接分离提纯氢气。另一种工艺是焦炉煤气蒸汽转化后，再进行PSA分离提氢。
- 特点：焦炉煤气制氢技术成熟，成本较低，单位制氢成本约9-15元/kg，适合大规模生产。
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炼厂副产气制氢：
- 工艺流程：炼厂副产气（如轻烃回收尾气、解吸气、脱氢尾气等）经过净化处理后，采用PSA技术提纯氢气。
- 特点：流程简单，无直接CO2排放，提氢后的副产气中乙烯等烃类得到有效提浓，可作为炼厂原料再次利用。
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氯碱尾气制氢：
- 工艺流程：氯碱工业的尾气（如氯酸钠尾气、氯乙烯尾气）经过脱氧脱氯和PSA分离纯化，得到高纯度氢气。
- 特点：氯酸钠尾气氢气含量高，原料气处理简单，氯乙烯尾气采用两段PSA法，净化精度高，整体运行成本低。
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轻烃裂解副产氢：
- 工艺流程：包括丙烷脱氢（PDH）和乙烷裂解两种路径。丙烷脱氢过程中副产的氢气经过分离提纯后得到高纯度氢气，乙烷裂解同样副产氢气。
- 特点：丙烷脱氢和乙烷裂解的副产氢气纯度较高，但成本相对较高，适合在有丰富轻烃资源的地区发展。
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化学链制氢：
- 工艺流程：利用气态含碳化合物还原载氧体，然后以水蒸气氧化还原态的载氧体，通过两个分步进行的工艺将废气中的还原性气体组分全部转化为纯氢。
- 特点：流程简单，气体利用率高，适用于多种工业副产气的转化与利用，特别适合于低品质的甲烷等气体的利用。
未来氢能发展的主要挑战和解决方案
氢能作为一种清洁、高效的能源形式，被认为是实现碳中和目标的关键途径之一。然而，氢能的大规模产业化应用仍面临诸多挑战。以下是对这些挑战及其解决方案的详细分析：
氢能发展的主要挑战
- 行业标准规范不完善：氢能兼具“清洁能源”与“危化品”的双重属性，需要明确其能源属性并加快制定行业标准和技术规范。
- 产业链体系尚不完备：制氢、储氢、运氢及应用尚未形成完备高效的产业链，特别是在储运和应用方面存在明显短板。
- 长距离、大规模、低成本的氢能储运系统有待突破：氢能的资源与需求在空间分布上不匹配，长距离长时间储运技术不够成熟、成本较高。
- 绿氢生产成本高：绿氢制备技术尚未成熟，生产成本较高，成为其大规模应用的主要障碍。
- 政策支持与市场机制不健全：氢能碳积分交易体系尚未完善，绿氢溢价难以实现，政策支持存在落地难的问题。
氢能发展的解决方案
- 完善氢能的行业标准规范：建立健全适宜的行业监管体系，明确氢气的能源属性，加快制定氢能的行业标准和技术规范。
- 形成“制储输用”完整产业链：推动高效低成本的绿氢制备技术，培育多元化氢能储运网络，实现长距离长时间氢能储运。
- 构建长距离低成本的氢能运输体系：研发液态储氢、有机液体储氢等新型储运技术，降低储运成本，提高运输效率。
- 降低绿氢的生产成本：通过技术进步、优化制氢模式等方式降低生产成本，提高产业链效益；出台支持政策，吸引更多投资者参与，促进产业发展。
- 加强政策支持与市场机制建设：完善氢能碳积分交易体系，推动绿氢溢价实现，加强政策支持与市场机制建设，促进氢能产业健康发展。