石油化工行业氢能专题报告.docx

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1、石油化工行业氢能专题报告目录1 .氢能的定义21.1 氢能的优势21.2 氢气的唾22 .氢能的分类53 .氢能的市场63.1 氢能产业链63.2 全球氢能发展形势及展望123.3 我国氢能发展形势及展望194 .投资建议304.1 中国石化304.2 卫星化学324.3 东华能源345 .风险提示361 .氢能的定义1.1 氢能的优势氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源。能帮助可再生能源大规模消纳,实现电网大规模调峰和跨季节、跨地域储能，加速推进工业、建筑、交通等领域的低碳化。氢气的制取方式多样,产物无污染；氢能作为能量的主要利用方式是燃料电池，通过电化学反应直接将化学能转化为电

2、能，能量转化过程不受卡诺循环的限制，能量转化效率很高；此外，氢能可以广泛应用于工业、交通、建筑、发电等领域。表1氢能的优势总目内容来源多样1）煤炭、石油、天然气等化石能源更整制氢；2）焦化.氯碱、冶金等工业副产气提纯；3）与可再生能源发电结合电解水制氢.清洁低碳1）产物只有水、无污染物及碳排放；2）水再生成氨气，谓环利用.灵活高效1）高热值：氢气热值为142MJkg约为汽油的3倍，酒精的4倍，煤炭的5倍.2）高效率：氢燃料电池单独发电时效率为5060%,余热回收效率为80-90%.而内燃机效率仅为2030%.3）协同优化：氢能可以成为连接不同能源形式（气.电.热等）的桥梁,并与电力系统互补协同

3、，是哈能源网络协同优化的理想互承媒介.应用广迂1）工业：氧气是制备合成氨、甲耨、液体燃料、天然气等多种产品的原料，广泛应用于煤化工、石化、钢铁等领域.3）交通：可以通过燃料电池技术应用于汽车、就道交通、般船等领域、降低长距离高负荷交通对石油和天然气的依兢.3）建筑：可为建筑供热供暖，利用燃氢锅炉和燃料电池等方式与分布式风光等可再生能源结合逐步打造蓼碳建筑.4）发电：利用电解槽灵活调节客求倒,为高比例可再生旎源发电提供消纳途径.资料来源：中国氢能源及燃料电池产业白皮书2019.中国氢能源及燃料电池产业白皮书2020中国氢能联亶.HyUndaimOtorGrOUP,苏树辉等国际氢能产业发展报告（2

4、017），海通证券研究所1.2 氢气的性质氢气制备的历史。氢气最早记载于十六世纪，瑞士炼金术土Paracelsus发现铁同酸作用所产生的空气是可燃的。1766年，英国化学家Cavendish第一次分离得到纯净的氢气，并通过实验证明了氢气同其他可燃性气体的区别。1784年,Cavendish又通过实验证明氢气在氧气中燃烧生成水，随后用电流把水分解成氢和氧。1783年,法国化学家LaVOiSier将它命名为HydrogenoLavoisier是通过水蒸气对赤热铁的作用而制得氢的。图1氢气制备的历史17831818331873拉瓦锡安东尼卡莱尔，夫控法ThaddeusS.C.Lowe力灼红的枪管威廉

5、尼科尔森摞省市It定律水爆乂事推反应制中资料来源：氢能是什么，如何获得氢，如何使用氢中国能建知乎号.海通证外研究所氢元素分布广泛。氢元素在地壳中的丰度较高,为0.14%o在宇宙中氢是最富饶的一种元素，并且是星球中一切聚变过程的根源。化合态氢最常见形式是水和有机物（石油和煤炭、天然气、生命体等）。较少情况下，存在为同氮、硫或卤素的化合物（火山气和矿泉水氢单质分布稀少。自由态的氢气单质较为稀少，在大气中仅约占107分之一。常存在于火山气中，有时夹藏在矿物中，有时出现在天然气中和少数某些绝氧发酵过程中。由于氢气在空气中的扩散系数为0.61cm2s（约为甲烷的4倍），所以氢气会很快地从大气圈中逃逸到外

6、层空间。氢气的物理性质。天然界存在的氢主要是最轻的同位素1H。单质氢是由两个氢原子以共价键的形式结合而成的双原子分子。氢气是一种无色无味无嗅的气体，在通常况下密度为0.08988gL,约为空气密度的十三分之一。用液态空气对氢气进行冷冻，或将高压氢气通过绝热膨胀，都可以将氢气液化。在减压下令液氢蒸发，可以将氢冻结成固体。氢气在常见溶剂中的溶解度很低。表2氢气的物理性质/日内容密度常温常压下.氮气的密度是0.08988gL熔点-259.23沸点252.77C溶解性氯气在常见的溶剂中溶解度很低.20C时IOIkPa条件下,100ml水中能溶解1.82ml氧气,表示为1.82%.如敝系数0.61cm2

7、s高存储量超高压下,金属氢密度是固态氢的几倍，有很高的敏储存量，可作为火箭高能摭料.金属乳的密度也很高，可以用来制造体积更小成力更大的核武器.资料来源：制氮抑氮技术丁福臣.易玉峰著.无机化学丛书：稀有气体.氮.碱金属冯光思著.中国气协一一混氢天然气榆氢技术研究进展,科力恩富氢杯企购号，海通证界研究所氢气的化学性质。由于组成氢气的两个氢原子之间存在较强的共价键,氢气在常温下化学性质稳定。1）氢气具有可燃性。在点燃或加热的条件下,氢气很容易和多种物质发生化学反应。纯净的氢气在点燃时，可安静燃烧，发出淡蓝色火焰，放出热量，有水生成。2）氢气具有还原性。氢气的化学性质活泼，与氧发生化合反应生成水，容易

8、发生燃烧和爆炸。3）氢气具有氧化性。氢气是由氢原子共价形成的双原子分子，而每个氢原子可以分别获得一个电子形成负氢离子，这种情况见于和强还原性金属发生反应。在工业上利用氢的化学性质制备氢气。这些方法大致可以分为三大类：质子性溶剂的还原反应（金属同水或酸的作用，碳同水蒸气的作用等）；氢化物或络合氢化物的氧化反应；含氢化合物的分解反应（如煌类和水的分解）。项目内容氢原子的成就杵征氢原子的价就表现有以下几种情况.失去价电子成为H1除了气态质子流以外，并不存在自由质子.结合一个电子形成K.氢同最活泼金属相化合形成盐变氢化物时的价健特点.形成共用电子对.氢同其他非金属元素化合，共用电子对影成共价型氢化物.

9、形成氢健.氮的极性化合物中.氢原子吸引相邻近的高电负性原子的孤电子对.形成分子间或分子内的额外相互吸引，叫氢健.形成负氧离子作为配位体的配位化合物.H-可以作为配位体而同过渡金属离子结合生成为过渡金属负氢离子络合物.HMn-（CO）3.形成氢桥碇.在抉电于化合物如碉烷类化合物或过渡金属配位化合物中，氢原子可以影成氢桥.高高解能.氢分子中的H-H健6勺离解能比单健高得多（104.2kcalmol）,因此常温下氨分子有一定陆姓.氢气具有可燃性在点燃或加热的条件下，氢气很容易和多种物质发生化学反应.燃烧放热.纯净的氧气在点燃时，发出淡蓝色火焰，放出热量,有水生成.空气中的爆炸浓度.在空气环境中，氧气

10、在发生燃烧的浓度范围为4-74%.氧气中的爆炸浓度.在氧气环境中，氧气的燃烧浓度范围4-94%.氧气具有还原性氧气同非金属的反应.&气同卤素的反应.氢气同单质氮能快速反应，甚至温度低至-25CrC时也可以反应.室温，强光照下氢-氯混合物很容易引爆.不见光的崎处氯气同氯或者溟的泥合物在高于400C时会发生爆炸性化合反应.氧气同碘要在高于500时才化合.（25时.%和Cb生成HCl时放出的热量为220kcalmol）氢气同氧气的反应.氢气同卤索或鱼的混合物经引燃或光照都会猛烈的化合.这些反应都是放热反应（25时，H2和1/202生成水时放出的热量为68.4kcalmol）.氯气在氧气中燃烧时、火焰

11、温度可达3000C左右.氢氧婚用于焊接或切割金属.氢气同碗或硒的反应.可在250时直接化合，但氧气不易与其他非金属和半金属单质发生高温下的直接反应.生气同氮气的反应.氢气同泉气仅在有傕化剂存在下或电弧放电情况下才互相化合.复气同氧化物的反应.当性的箕化物（MnO）以及在活泼性顺序中在性之后的金属的氧化物，在适当温度加热下同分子氢反应时，它们能被还原成金属.如氢气同CuO高温下还原出金属铜.氨气同铁的氮化物高温下发生反应是冶金工业的原理.氧气具有氧化性氢生具有氧化性，可以同强还原性金属发生反应.氢气同金属在高温作用下生成金属氢化物.这些金属包括被金属、砥土金属（除去帔和娱）、某些稀土金属第IVA

12、族金属（徐去硅）、以及杞.锯.铀和杯等.此外，扶、保、格和相系金属都能依确定的化学配比而吸收氢气.氧气同某些微细分款的高纯金属在室温下直接反应生成氢化物.如氢与金属机在室温下反应生产VH.H-H键的离解提供了活化条件.氢气通过加热、光照或放电等措施同金属生成氧化物.除络、德、铁.汞、te.鸨和锌之外，大多效能形成氢化物的金属都曾经通过同原子氢的反应合成它们的氢化物.资料来处：无机化学丛书：稀有气体、氮,找金属冯光展著，氢能源技术网氢气的理化胜质，海通证务研究所2 .氢能的分类2.1 基于主要制氢工艺和碳排放情况划分氢气很难从自然界中直接大量获取，需要依靠不同的技术路径和生产工艺进行制备。目前，

13、主要制氢路径包括化石能源重整、工业副产提纯和电解水制氢。根据生产来源和碳排放量的不同，氢气可以分为灰氢、蓝氢、绿氢三种类型。灰氢是指通过化石重整（煤、天然气工业副产（焦炉煤气、化肥工业、氯碱、轻煌利用等）等生产的氢气。取自化石燃料的氢，如来源于煤炭和天然气的氢，排放相对较高，但成本更低。灰氢是当前的主流氢气，约占全球氢气产量的95%o灰氢主要应用于内部需求，即直接用于氢气生产站点。蓝氢是在灰氢的基础上，将二氧化碳副产品捕获、利用和封存（CCS）而制取的氢气，是灰氢过渡到绿氢的重要阶段。绿氢是利用可再生能源（如太阳能或风能等）发电后，通过电解工序制取的氢气。绿氢的制取技术路线主要为电解水，其碳排

14、放可以达到净零。此外，国外还将核能制氢称为粉氢。粉氢是以来源丰富的水为原料，利用核能大规模生产的氢气。热化学循环工艺和高温蒸汽电解都是有望与核能耦合的先进制氢工艺。图2基于主要制氢工艺和碳排放情况划分3 .氢能的市场3.1 氢能产业链氢气的制取主要有化石能源重整、工业副产提纯和电解水制氢三种方式。氢气作为化工生产的原料和中间产品，通常会通过化石能源重整制氢,工业副产提纯制氢等方式进行制取。相比上述两种方式,电解水制氢的原料和生产过程都以清洁能源为主,应当作为大力发展的最重要的制氢技术路线。目前，电解水制氢技术成熟度较低、产业尚未完全规模化，成本远高于其他几种氢能生产方式。1）化石能源重整制氢。

15、煤制氢历史悠久，通过气化技术将煤炭转化为合成气，再经水煤气变换分离处理以提取高纯度的氢气，是制备合成氨、甲醇、液体燃料、天然气等多种产品的原料，广泛应用于煤化工、石化、钢铁等领域。煤制氢技术路线成熟高效，可大规模稳定制备，是当前成本最低的制氢方式。天然气制氢技术中，蒸汽重整制氢较为成熟，也是国外主流制氢方式。天然气制氢工艺的原理就是先对天然气进行预处理，然后在转化炉中将甲烷和水蒸汽转化为一氧化碳和氢气等,余热回收后，在变换塔中将一氧化碳变换成二氧化碳和氢气的过程。为控制氢气制取环节的碳排放,化石能源重整制氢需结合碳捕集与封存（CCUS）技术。CCUS是一项有望实现化石能源大规模低碳利用的新技术。2）工业副产提纯制氢。以焦炉煤气、轻烧裂解副产氢气和氯碱化工尾气等为主的工业副产氢由于产量相对较大且相对稳定，也成为现阶段氢气的供给来源之一。工业副产氢气主要分布在钢铁、化工等行业提纯利用其中的氢气,既能提高资源利用效率和经济效益,又可降低大气污染，改善环境。焦炉煤气。据中国氢能联盟，每吨焦炭可产生焦炉煤气约350-450立方米，焦炉煤气中氢气含量约占54%-59%o除用于回炉助燃、城市煤气、发电和化工生产外，剩余部分可采用变压吸附（PSA）提