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氫氣的化學(xué)式是H2，由2個(gè)氫原子通過共價(jià)鍵結(jié)合而成，是世界上密度最小的氣體。地球上氫元素的儲(chǔ)量排第三，并且主要以水的形式存在，氫氣的原料來源非常豐富；氫氣可以通過水制備，且燃燒后僅生成水，零污染，且實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)鏈的閉環(huán)，是一種可持續(xù)的燃料；氫氣是常見燃料中熱值最高的（142KJ/kg），約是石油的3倍、煤炭的4.5倍，正是這一系列優(yōu)點(diǎn)，氫氣被認(rèn)為是能源的終極解決方案。因此，近年來在環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展理念驅(qū)動(dòng)下氫燃料電池等氫能產(chǎn)業(yè)快速興起，社會(huì)對(duì)氫氣的需求不斷上升。在可以預(yù)見的將來，氫氣必將成為人類社會(huì)最重要的能源之一，而探索低成本、高效率、高純度的大規(guī)模工業(yè)化制氫技術(shù)成為構(gòu)建“氫社會(huì)”的基礎(chǔ)。

圖1 制氫工藝分類圖

圖片來源：公開資料

目前已知的制氫技術(shù)及工藝十分繁多，如上圖所示，按照所用原料的不同可以分為七大類：

（1）光解水制氫；

（2）天然氣或生物氣制氫；

（3）油類加工制氫；

（4）煤氣化制氫；

（5）乙醇或甲醇裂解制氫；

（6）電解水制氫；

（7）生物體熱解制氫。 

這些制氫工藝在環(huán)保、氫氣純度、能量轉(zhuǎn)化效率、成本等方面各擅勝場(chǎng)，但在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)環(huán)境下得到大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的主要有天然氣制氫、煤制氫、重油加工制氫、甲醇裂解制氫以及電解水制氫等五種。但近年來隨著石油價(jià)格不斷上漲，原有重油制氫裝置因原料利用率低，在成本效益上越來越難以體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性，眾多企業(yè)紛紛停止使用。 

圖2 商業(yè)化制氫產(chǎn)業(yè)中的工藝選擇

數(shù)據(jù)來源：Pacific Northwest National Laboratory

世界各國(guó)由于在資源分布、技術(shù)基礎(chǔ)、環(huán)保要求等方面的差異，其制氫工業(yè)所選擇的工藝各有側(cè)重。在全球范圍內(nèi)，天然氣制氫占比最高，達(dá)到 48%；其次是醇類裂解制氫，占比30%；焦?fàn)t煤氣第三，占比 8%。日本由于化石燃料資源匱乏、環(huán)保要求高等原因，其制氫工業(yè)多數(shù)采用電解水。而中國(guó)煤資源豐富，煤炭開采及加工工業(yè)發(fā)達(dá)，因此煤氣化制氫及焦?fàn)t氣制氫工藝采用較多。 

天然氣蒸汽重整制氫

天然氣通常是指儲(chǔ)存在地層較深部的一種富含碳?xì)浠衔锏目扇細(xì)怏w，主要成分是甲烷（含量大于 85%）、乙烷、丙烷、硫化物、二氧化碳、氮?dú)夂退?。天然氣制氫主要分為天然氣蒸氣重整法（SMR）制氫、天然氣部分氧化（POX）制氫及天然自熱重整（ATR）制氫。

圖3 天然氣SMR工藝流程

資料來源：玖牛研究院根據(jù)公開資料整理

目前多數(shù)天然氣制氫是通過蒸汽重整法（SMR）制備的。SMR 法是在一定的壓力、高溫及催化劑作用下，天然氣中烷烴和水蒸汽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成轉(zhuǎn)化氣，經(jīng)過沸鍋換熱、進(jìn)人變換爐使 C0 變換成 H2 和 CO2，然后進(jìn)行 H2 提純。

甲醇裂解制氫

甲醇裂解制氫的工藝過程是甲醇和去離子水按一定的配比混合,加熱至 270℃左右的混合物蒸汽，在催化劑(Cu-Zn-Al)或者(Cu-Zn-Cr)的作用下,發(fā)生催化裂解和轉(zhuǎn)化反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣和二氧化碳，然后進(jìn)入水洗吸收塔進(jìn)行提純，即制備出產(chǎn)品氫氣。

圖4 甲醇裂解制氫工藝流程

資料來源：玖牛研究院根據(jù)公開資料整理

煤氣化制氫

以煤為原材料的制氫工藝包括煤焦?fàn)t氣制氫與煤氣化制氫。其中焦?fàn)t氣制氫是煤炭煉焦的副產(chǎn)品回收，其供應(yīng)受制于煉焦廠產(chǎn)能。自 2016 年以來由于環(huán)保限產(chǎn)，全國(guó)煉焦廠產(chǎn)量下滑，焦?fàn)t氣制氫發(fā)展停滯。煤氣化制氫是煤粉、煤漿或煤焦與氣化劑（空氣、氧氣及水蒸氣等）在高溫下進(jìn)行部分氧化（POX）反應(yīng)，在高溫氣化爐中生成以ＣＯ、Ｈ２ 為主的合成氣，再經(jīng)過變換、低溫甲醇洗工藝、氫氣提純等工序，得到高純度的產(chǎn)品氫氣的工藝過程。近年也有采用超臨界水進(jìn)行煤氣化生產(chǎn)氫氣。

煤氣化制氫工藝主要包括氣化反應(yīng)、水煤氣凈化、變換反應(yīng)、變壓吸附制氫，其流程如圖5所示。

圖5 煤氣化制氫工藝流程

資料來源：玖牛研究院根據(jù)公開資料整理

電解水制氫

電解水制氫是一種較為方便的制取氫氣的方法。在充滿電解液的電解槽中通入直流電，水分子在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，分解成氫氣和氧氣。電解水制氫技術(shù)成熟，污染低，且原材料水來源廣泛，但是其應(yīng)用較少，關(guān)鍵原因在于制氫成本高。

圖6 電解水制氫

圖片來源：公開資料

制氫的成本可以分為初始投資的固定成本及后續(xù)變動(dòng)成本，其中固定成本主要是制氫裝置的投資成本及管理費(fèi)用，后續(xù)變動(dòng)成本包括制備氫氣過程中消耗的原材料費(fèi)用、電能及動(dòng)力煤費(fèi)用、設(shè)備維修及保養(yǎng)費(fèi)用等。制氫工藝是氫氣制備企業(yè)生產(chǎn)成本的戰(zhàn)略性決定因素，目前主流的制氫工藝在成本上表現(xiàn)到底如何？

 天然氣蒸汽重整制氫成本分析

天然氣蒸汽重整制氫投資額較高，適合于中等以上規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，以比較常見的中等規(guī)模，生產(chǎn)能力 2000立方/小時(shí) 的制氫廠為例，分析天然氣蒸汽重整制氫工藝成本。 

固定成本

天然氣制氫的初始投資包括工藝設(shè)備、土建及配套設(shè)施費(fèi)用等兩方面的投資。其中天然氣制氫工藝設(shè)備主要包括氫氣壓縮機(jī)、轉(zhuǎn)化爐、天然氣壓縮爐、變換爐、變壓吸附系統(tǒng)、脫硫槽、儀表、氫氣儲(chǔ)罐、電氣閥門及其他設(shè)備，固定設(shè)備投資分為設(shè)備采購(gòu)費(fèi)、運(yùn)輸及安裝費(fèi)，共 2300萬元。土建及配套設(shè)施投資土地及土建費(fèi)、設(shè)計(jì)勘察費(fèi)、前期工作費(fèi)及其他費(fèi)用。其中天然氣制氫工廠規(guī)劃面積 8000平方,土地及土建費(fèi)按照 1800 元/平方計(jì)算，則可以計(jì)算得土地及土建費(fèi)用為 1440萬元。計(jì)算工程一類費(fèi)用（包括工藝設(shè)備費(fèi)用、土地及土建費(fèi)）為 3740萬元，設(shè)計(jì)勘察費(fèi)按照工程一類費(fèi)用的 4%計(jì)算，前期工作費(fèi)用和其他費(fèi)用均按照工程一類費(fèi)用的 2%計(jì)算，具體計(jì)算結(jié)果如表 1 所示。

表1 天然氣制氫工藝設(shè)備投資額

數(shù)據(jù)來源：《煤氣與熱力》、玖牛研究院

表2 土建及配套設(shè)施費(fèi)用

數(shù)據(jù)來源：《煤氣與熱力》、玖牛研究院

由上可知，一個(gè)2000立方/h產(chǎn)能的天然氣制氫項(xiàng)目的投資額是4040萬元。假設(shè)該項(xiàng)目運(yùn)行期為20年，殘值率為0，按照直線法計(jì)提折舊，則每年折舊額為202萬元，此外設(shè)備維修保養(yǎng)費(fèi)用按照工藝設(shè)備價(jià)值的3%計(jì)提，則每年設(shè)備維修保養(yǎng)費(fèi)用為6.06萬元，該項(xiàng)目配備工人10名，技術(shù)人員1名，管理人員1名，每年員工的薪資支出為80萬元。所以，每年的固定成本支出=設(shè)備折舊+維修保養(yǎng)費(fèi)+員工薪資支出 =288萬元。

變動(dòng)成本分析

天然氣蒸汽重整制氫工藝需要使用原料天然氣（也作為燃料），同時(shí)在制氫過程中會(huì)消耗去離子水、冷卻水、電能等，這些資源費(fèi)用即構(gòu)成了天然氣制氫的變動(dòng)成本。根據(jù)天然氣制氫工廠的實(shí)際運(yùn)行情況，表3列出了天然氣制氫過程中，標(biāo)準(zhǔn)工況下每制備1立方氫氣時(shí)各類資源的消耗量及價(jià)格。

表3 制備1m3氫氣時(shí)各類資源的消耗量及價(jià)格表

數(shù)據(jù)來源：《煤氣與熱力》、玖牛研究院

因此，每制備1立方氫氣的變動(dòng)成本=天然氣費(fèi)用+去離子水費(fèi)用+冷卻水費(fèi)用+電費(fèi)=0.07+0.48P1+0.35P2元。 其中P1、P2分別為天然氣與電力的價(jià)格。

總成本分析

綜上所述，每年制備氫氣的成本T1=3080000+（0.07+0.48P1+0.35P2）×Q1，其中P1為天然氣的價(jià)格，單位是元/立方，Q1為每年的氫氣產(chǎn)量，單位是立方。單位制氫成本（每立方）：  

C1=3080000/Q1+0.07+0.48P1+0.35P2。

按照設(shè)計(jì)產(chǎn)能每年運(yùn)營(yíng)8000小時(shí)，則年產(chǎn)氫4.22000000立方，電價(jià)按照當(dāng)前的工業(yè)用電0.725元/kwh，天然氣按照當(dāng)前3.165元/立方，則天然氣制氫的單位成本為2.04元。

圖7 天然氣制氫成本結(jié)構(gòu)圖

圖片來源：玖牛研究院根據(jù)公開資料整理

如上圖所示，天然氣制氫中主要成本為變動(dòng)成本占90.5%，而在變動(dòng)成本中，占比最高的是天然氣消耗成本占82.43%，其次為電力成本13.77%。由此可知，天然氣制氫的成本敏感因素為天然氣及電力價(jià)格。

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