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请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 [Table_MainInfo] 行业研究/化工/石油化工证券研究报告行业专题报告 2023年05月12日 [Table_InvestInfo] 投资评级优于大市维持市场表现 [Table_QuoteInfo] -5 . 7 9 3 . 6 9 1 3 . 1 7 2 2 . 6 4 3 2 . 1 2 4 1 . 6 0 2 0 2 2 / 4 2 0 2 2 / 7 2 0 2 2 / 1 0 2 0 2 3 / 1 石油化工海通综指资料来源海通证券研究所相关研究 [Table_ReportInfo] 大宗商品月报（2023年第3期） 2023.04.17 能源材料国企有望迎来中国特色估值重塑中特估值”探究系列4 2023.03.24 大宗商品月报（2023年第2期） 2023.03.11 [Table_AuthorInfo] 分析师邓勇 Tel02123219404 Emaildengyonghaitong.com 证书S0850511010010 分析师朱军军 Tel02123154143 Emailzjj10419haitong.com 证书S0850517070005 分析师胡歆 Tel02123154505 Emailhx11853haitong.com 证书S0850519080001 分析师刘威 Tel075582764281 Emaillw10053haitong.com 证书S0850515040001 联系人张海榕 Tel02123219635 Emailzhr14674haitong.com 氢能系列报告之二氢的制取 [Table_Summary] 投资要点  核心结论。氢的制取主要有三种较为成熟的技术路线。一是以煤炭、天然气为代表的化石能源重整制氢；二是以焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢为代表的工业副产气制氢；三是电解水制氢。据中国氢能联盟，氢能产业发展初期，增量侧，将以工业副产氢就近供给为主；中期（2030 年），将以可再生能源发电制氢、煤制氢等大规模集中稳定供氢为主；远期（2050年），将以可再生能源发电制氢为主。  煤气化过程中碳与水蒸气反应产生H2，该反应为煤化工制氢关键。煤的气化过程是热化学过程。它是以煤或焦炭为原料，以氧气、水蒸气等为气化剂，在高温条件下，通过化学反应把煤或焦炭中的可燃部分转化为气体的过程。这些反应中，碳与水蒸气反应的意义最大，它参与各种煤气化过程，此反应为强吸热过程。气化生成的混合气称为水煤气，水煤气的主要成分为CO和H2。  天然气水蒸气转化过程中甲烷与水蒸气反应产生H2，该反应为天然气制氢关键。目前工业上由天然气制合成气的技术主要有蒸汽转化法和部分氧化法。其中，蒸汽转化法为天然气制合成气的技术的主要方法。蒸汽转化法是在催化剂存在及高温条件下，使甲烷等烃类与水蒸气反应，生成 H2、CO 等混合气，该反应为强吸热反应，需要外界供热。此法技术成熟，目前广泛应用于生产合成气、纯氢气和合成氨原料气。  工业副产氢主要分为煤干馏副产氢；烃类热裂解副产氢；氯碱工业副产氢。煤干馏是在隔绝空气条件下加热煤，使其分解生成焦炭、煤焦油、粗苯和焦炉气（H2 和 CH4）的过程。烃类热裂解法是将石油系烃类燃料经高温作用，使烃类分子发生碳链断裂或脱氢反应，生成相对分子质量较小的烯烃、烷烃和其他相对分子质量不同的轻质和重质烃类。氯碱副产氢气，品质高，直接适用于氢燃料电池使用。采用氯碱氢能绿电自用新模式，可直接节约电解用电量的 1/4左右。  电解水制氢技术未来将成为主流。碱性水电解，质子交换膜电解和固体氧化物电解是目前电解水制氢的三种技术方法。而低温技术下，碱水制氢和 PEM 具备较高的技术成熟度，高温SOE技术仍处于实验室阶段。碱水制氢使用浓缩碱液作为电解质，需要将产物气体分离，以防止产物气体混合。PEM使用润湿聚合物膜作为电解质，贵金属如铂和铱的氧化物作为电催化剂。SOE技术是将气态水被转化为氢气和氧气，且反应温度在700℃到900℃之间。  投资建议。我们认为，传统能源企业发展“绿电制绿氢”具有可持续发展驱动力和产业、技术等方面优势。建议关注（1）氢能全产业链企业，中国石化；中国石油（2）绿电制绿氢企业，宝丰能源，美锦能源；（ 3）制氢领域开展低成本副产氢多元耦合项目企业，卫星化学，东华能源。  风险提示氢能技术发展不及预期；政策支持力度不及预期。行业研究〃石油化工行业请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 2 目录 1. 氢能供应体系重塑 . 7 2. 国内外氢能制备的历程 7 3. 化石能源制氢向清洁低碳转型 . 8 3.1 合成气变换反应是化石能源制氢的核心基理 . 8 3.2 煤制氢 10 3.2.1 煤化工工艺路线 . 10 3.2.2 煤气化制氢 11 3.3 天然气制氢 12 3.3.1 天然气化工工艺路线 12 3.3.2 天然气水蒸气转化制氢 13 3.4 煤炭、天然气制氢技术经济性分析 . 14 3.4 煤炭清洁路线 . 16 4. 工业副产氢 16 4.1 煤干馏副产氢 . 16 4.2烃类热裂解（脱氢或断链） . 17 4.2 氯碱尾气副产氢 19 5. 电解水制氢 21 5.1核心问题 21 5.2电解水制氢技术分类 23 5.2碱性水电解制氢 . 24 5.3质子交换膜电解制氢（PEM） 26 5.4固体氧化物电解制氢（SOE）与核能制氢 . 30 5.5电解水制氢技术经济性分析 . 31 6.投资建议 33 6.1中国石化 33 6.2中国石油 34 6.3宝丰能源 34 6.4卫星化学 34 6.5东华能源 35 qRoNrNnMyRoMvNtOuMoRsO7N8QbRmOoOsQoNjMpPrMeRrQsO8OmNqNxNmNpPNZpOnP 行业研究〃石油化工行业请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 3 7.风险提示 35 行业研究〃石油化工行业请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 4 图目录图1 当前氢流图（万吨） . 7 图2 碳中和愿景下氢流图（万吨） 7 图3 由合成气为原料生产的主要化工产品 10 图4 煤化工工艺链上的氢气足迹 11 图5 煤制氢工艺流程图. 12 图6 2021年中国天然气需求结构 12 图7 2021年中国LNG需求结构 12 图8 天然气化工工艺链上的氢气足迹 . 13 图9 天然气水蒸气重整制氢工艺流程 . 14 图10 煤制氢成本、天然气制氢成本随煤炭价格、天然气价格变化关系 15 图11 煤炭炼焦过程氢气足迹 . 17 图12 丙烷脱氢（C3H8→C3H6H2）氢足迹 19 图13 氯碱产业链氢足迹. 20 图14 氯碱工业生产过程. 20 图15 电解水反应原理示意图 . 21 图16 电极极化对电动势产生影响 21 图17 电解水过程中的电能需求 22 图18 三种电解水方法下能量效率随成本变化关系 . 22 图19 电解水制氢系统内部关联 23 图20 碱水制氢系统示意图 . 24 图21 碱水电解槽示意图. 25 图22 碱水电解单个电解池示意图（两种设计方案） . 25 图23 碱槽制氢与风光耦合 . 26 图24 PEM系统流程图 . 27 图25 PEM单槽示意图 . 27 图26 PEM电解单个电解池示意图 . 27 图27 SOE三种分类 30 图28 电解水系统温度对所消耗电能的影响 30 图29 高温气冷堆碘硫循环制氢原理示意图 31 图30 电解水制氢成本随电价变化情况（元/kg氢气） . 31 行业研究〃石油化工行业请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 5 图31 碱槽单位质量制氢成本敏感性分析（元/kg） . 32 图32 PEM单位质量制氢成本敏感性分析（元/kg） 33 行业研究〃石油化工行业请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 6 表目录表 1 由合成气合成一些有机物所需要的 H2与CO摩尔比 9 表 2 天然气制氢和煤制氢成本测算结果 . 15 表 3 煤干馏过程分类 17 表 4 各族烃的裂解反应特性 . 18 表 5 我国乙烯（当量）、丙烯年产能（单位万吨/年） . 19 表 6 烧碱产品成本分析表 . 20 表 7 碱性电解水制氢成本测算 32 表 8 PEM电解水制氢成本测算 33 表 9 东华能源与中核集团战略合作内容 . 35 行业研究〃石油化工行业请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 7 1. 氢能供应体系重塑氢的制取主要有三种较为成熟的技术路线。一是以煤炭、天然气为代表的化石能源重整制氢；二是以焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢为代表的工业副产气制氢；三是电解水制氢，主要包括碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢和固体氧化物电解水制氢。生物质直接制氢和太阳能光催化分解水制氢等技术路线仍处于实验和开发阶段，产收率有待进一步提升，尚未达到工业规模制氢要求。据中国氢能联盟，氢能产业发展初期（至2025年），作为燃料增量有限，工业副产制氢因成本较低，且接近消费市场，将以工业副产氢就近供给为主，同时积极推动可再生能源发电制氢规模化、生物制氢等多种技术研发示范；中期（2030年），将以可再生能源发电制氢、煤制氢配合CCS等大规模集中稳定供氢为主，工业副产氢为补充手段；远期（2050 年），将以可再生能源发电制氢为主，煤制氢配合 CCS 技术、生物制氢和太阳能光催化分解水制氢等技术成为有效补充。氢能供应体系将逐步以绿氢为基础进行重塑。2021年，我国氢气产能约为 4100 万吨，产量约为3300万吨，其中化石能源制氢和工业副产氢为主，而绿氢在氢能供应结构中占比很小（电解水制氢占比仅为1）。在消费侧，氢气主要作为原料用于化工（如合成甲醇、合成氨）、炼油等工业领域。着眼中长期，预计2060年我国氢气需求量1.3 亿吨，氢能占终端能源消费的比重约为20。在碳中和情景下，若基于目前以化石能源制氢为主体的氢能供应体系，氢气生产的碳排放量预计为 10亿吨/年，远高于碳汇所能中和的碳排放量。因此，在推动实现碳中和目标的过程中，氢能供应体系需逐步以绿氢为基础进行重塑，辅以加装碳捕集装臵的化石能源制氢方式，才能改变氢能生产侧的高碳格局。图1 当前氢流图（万吨）资料来源杜忠明我国绿氢供应体系建设思考与建议，海通证券研究所图2 碳中和愿景下氢流图（万吨）资料来源杜忠明我国绿氢供应体系建设思考与建议，海通证券研究所 2. 国内外氢能制备的历程煤制氢历史悠久，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。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。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。电解水技术来自于航天科技，最早是为了生产航空燃料。煤化工。煤气化制氢技术已有一百余年发展历史，可分为三代技术第一代技术是德国在 20 世纪 20-30 年代开发的常压煤气化工艺，典型工艺包括碎煤加压气化 Lurgi 炉的固定床工艺、常压 Winkler 炉的流化床和常压 KT 炉的气流床等，这些工艺都以氧气为气化剂，实行连续操作，气化强度和冷煤气效率得到较大提高。第二代技术是 20 行业研究〃石油化工行业请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 8 世纪 70 年代由德国、美国等国家在第一代技术的基础上开发的加压气化工艺。我国煤气化制氢工艺主要用于合成氨的生产，多年来开发了一批具有自主知识产权的先进煤气化技术，如多喷嘴水煤浆气化技术、航天炉技术、清华炉技术等。第三代技术主要有煤催化气化、煤等离子体气化、煤太阳能气化和煤核能余热气化等，目前仍处于实验室研究阶段。天然气化工。世界上约有 50 个国家不同程度地发展了天然气化工。天然气化工比较发达的国家有美国、俄罗斯、加拿大等。美国发展天然气化工最早，产品品种和产量目前居首位。在世界合成氨产量中，约80以天然气为原料。世界甲醇（甲醇生产以合成气为原料，合成气成分为 H2和 CO）生产中 70以天然气为原料。天然气为原料的乙烯装臵生产能力约占世界乙烯生产能力的 32。中国天然气化工始于 20 世纪 60 年代初，现已初具规模，主要分布四川、黑龙江、辽宁等地。我国天然气制氢主要用于生产氮肥，其次是生产甲醇、甲醛、乙炔等。电解水制氢。碱性水电解在 20 世纪前后开始实现碱性水电解制氢技术的工业化应用，在经历了单极性到双极性、小型到大型、常压型到加压型、手动控制到全自动控制的发展历程后，碱性水电解制氢技术已逐步进入成熟的工业化应用阶段。20世纪70年代起，质子交换膜（PEM）水电解制氢技术开始获得发展，并以其制氢效率高、设备集成化程度高及环境友好等特点成为水电解技术的研究重点，逐步实现从小型化到兆瓦级的发展。未来电解水制氢技术将成为主流。美国、日韩和欧洲均将电解水制氢技术视为未来的主流发展方向，聚焦碱水制氢技术规模化和 PEM 制氢技术产业化，重点围绕“电解效率”、“耐久性”和“设备成本”三个关键降本性能指标推进整体技术研发，电解水制氢成本结构与关键技术分析。目前，PEM 制氢技术的瓶颈在于设备成本较高、寿命较低，且实际的电解效率还远低于理论效率（其制氢效率潜力有望超出碱水制氢技术），因此欧美发达国家正重点开展技术攻关以突破技术瓶颈，实现 PEM 制氢技术的更大发展。固体氧化物制氢技术采用水蒸气电解，高温环境下工作，理论能效最高，但该技术尚处于实验室研发阶段。 3. 化石能源制氢向清洁低碳转型 3.1 合成气变换反应是化石能源制氢的核心基理合成气（COH2）是有机原料之一，也是氢气和一氧化碳的来源。合成气（Syngas）系指一氧化碳和氢气的混合气。合成气中 H2与 CO 的比值随原料和生产方法的不同而异，其 H2/CO 的摩尔比为 1/2 至 3/1。合成气是有机合成原料之一，也是氢气和一氧化碳的来源，在化学工业中有着重要作用。制造合成气的原料多样，许多含碳资源如煤、天然气、石油馏分、农林废料、城市垃圾等均可用来制造合成气。利用合成气可以转化成液体和气体燃料、大宗化学品和高附加值的精细有机合成产品，实现这种转化的重要技术是 C1 化工技术（凡包含一个碳原子的化合物，如 CH4、 CO、CO2、HCN、CHOH 等参与反应的化学，称为 C1化学，涉及 C1化学反应的工艺过程和技术称为C1化工）。自从20世纪70年代后期以来，C1化工得到世界各国较大重视，以天然气和煤炭为基础的合成气转化制备化工产品的研究广泛开展。变换反应进一步调节合成气（COH2）中的碳氢比，是工业制氢的重要反应。水煤气变换反应water gas shift，英文缩写WGS，是以CO和H2O为原料，在催化剂的作用下生成 H2和 CO2的过程。该反应是工业制氢过程中的一个重要反应，亦可用于调节合成气加工过程中的 H2/CO 比例，在合成氨、合成甲醇等传统工业领域及燃料电池领域均有广泛应用。一氧化碳变换反应是可逆放热反应，而且反应热随温度升高而减小。行业研究〃石油化工行业请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 9 变换过程要看对合成气具体使用目的来决定取舍。变换是CO和H2O反应生成H2 和 CO2的过程，可增加 H2量，降低 CO 量，当需要 CO 含量高时，应取消变换过程，当需要 CO 含量低时，则要设臵变换过程。如果只需要 H2而不需要 CO 时，需设臵高温变换和低温变换以及脱除微量 CO的过程。表 1 由合成气合成一些有机物所需要的 H2与CO摩尔比产品总反应式 H2/CO摩尔比产品总反应式 H2/CO摩尔比甲醇 CO2H2══CH3OH 2/1 甲基丙烯酸 4CO5H2══CH2CCH3COOH2H2O 5/4 乙烯 2CO4H2══C2H42H2O 2/1 醋酸乙烯 4CO5H2══CH3COOCHCH22H2O 5/4 乙醛 2CO3H2══CH3CHOH2O 3/2 醋酸 2CO2H2══CH3COOH 1/1 乙二醇 2CO3H2══HOCH2CH2OH 3/2 醋酐 4CO4H2══CH3CO2OH2O 1/1 丙酸 3CO4H2══CH3CH2COOHH2O 4/3 - 资料来源米镇涛化学工艺学，海通证券研究所合成气主要有煤制，天然气制，和油制三种生产方法。合成气分为三种方法，分别为以煤为原料的生产方法，以天然气为原料的生产方法，以重油或渣油为原料的生产方法。（1）以煤为原料的生产方法。有间歇和连续操作两种方式。连续式生产效率高，技术较先进，它是在高温下以水蒸气和氧气为气化剂，与煤反应生成 CO 和 H2等气体，这样的过程称为煤的气化。因为煤中氢含量相当低，所以煤制合成气中 H2/CO 比值较低，适于合成有机化合物。（2）以天然气为原料的生产方法。主要有转化法和部分氧化法。目前工业上多采用水蒸气转化法，该方法制得的合成气中 H2/CO比值理论上为3，有利于用来制造合成氨或氢气；用来制造其他有机化合物时（例如甲醇、醋酸、乙烯、乙二醇等），比值需要再加调整。（3）以重油或渣油为原料的生产方法。主要采用部分氧化法，即在反应器中通入适量的氧和水蒸气，使氧与原料油中的部分烃类燃烧，放出热量并产生高温，另一部分烃类则与水蒸气发生吸热反应而生成CO和H2，调节原料中油、H2O与O2的相互比例，可达到自热平衡而不需要外供热。合成气主要应用于合成氨，合成甲醇等。工业合成气主要应用于合成氨，合成甲醇，合成醋酸，烯烃的氢甲酰化产品，合成天然气、汽油和柴油等。其中，合成气制甲醇，再由甲醇制乙烯，是煤制烯烃的主要途径。（1）合成氨。合成氨工艺由含碳原料与水蒸气、空气反应制成含 H2和 N2的粗原料气，再经精细地脱除各种杂质，得到 H2N2 体积比为 31 的合成原料气，使其在 400-450℃、8-15MPa 及铁催化剂条件下进行。氨的最大用途是制氮肥，氨还是重要的化工原料，它是目前世界上产量最大的化工产品之一。（2）合成甲醇。将合成气中H2/CO的摩尔比调整为2.2左右，在260-270℃， 5-10MPa及铜基催化剂作用下可以合成甲醇。甲醇可用于制醋酸、醋酐、甲醛、甲酸甲酯、甲基叔丁基醚（MTBE）等产品。（3）合成其他产品。合成醋酸首先将合成气制成甲醇，再将甲醇与CO基化合成醋酸。合成烯烃的氢甲酰化产品烯烃与合成气或一定配比的CO及H2在过渡金属配位化合物的催化作用下发生加成反应，生成比原料烯烃多一个碳原子的醛。合成天然气在镍催化剂作用下，合成气进行甲烷化反应，生成甲烷，称之为合成天然气（SNG），热值比CO和H2高。行业研究〃石油化工行业请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 10 图3 由合成气为原料生产的主要化工产品资料来源米镇涛化学工艺学，海通证券研究所整理 3.2 煤制氢 3.2.1 煤化工工艺路线煤是由含碳、氢的多种结构的大分子有机物和少量硅、铝、铁、钙、镁的无机矿物质组成。由于成煤过程的时间不同，有泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤之分。按质量分数计，泥煤含碳量为 60-70，褐煤含碳量为 70-80，烟煤含碳量为 80-90，无烟煤含碳量高达90-93。煤中氢和氧元素的含量顺序是泥煤褐煤烟煤无烟煤。煤的综合利用可同时为能源、化工和冶金提供有价值的原料。煤化工加工路线主要有以下几种。（1）煤干馏（coal carbonization）。是在隔绝空气条件下加热煤，使其分解生成焦炭、煤焦油、粗苯和焦炉气的过程。煤干馏过程又分为煤的高温干馏和煤的低温干馏两类。煤的高温干馏（炼焦）在炼焦炉中隔绝空气于900-1100℃进行的干馏过程。产生焦炭、焦炉气、粗苯、氨和煤焦油等。煤的低温干馏在较低终温（500-600℃）下进行的干馏过程，产生半焦、低温焦油和煤气等产物。煤干馏也是工业副产氢的来源。（2）煤气化（coal gasification）。是指在高温（900-1300℃）下使煤、焦炭或半焦等固体燃料与气化剂反应，转化成主要含有H2、CO等气体的过程。生成的气体组成随固体燃料性质、气化剂种类、气化方法、气化条件的不同而有差别。气化剂主要是水蒸气、空气或氧气。煤干馏制取化工原料只能利用煤中一部分有机物质，而气化则可利用煤中几乎全部含碳、氢的物质。煤气化生成的 H2和 CO 是合成氨、合成甲醇以及 C1 化工的基本原料，还可用来合成甲烷，称为替代天然气（SNG），可作为城市煤气。煤气化是化石能源制氢的主要来源之一。（3）煤液化（coal liquefaction）。可分为直接液化和间接液化两类过程。煤的直接液化是采用加氢方法使煤转化为液态烃，所以又称为煤的加氢液化。液化产物亦称为人造石油，可进一步加工成各种液体燃料。加氢液化反应通常在高压高温下，经催化剂作用而进行。氢气通常用煤与水蒸气汽化制取。煤的直接液化氢耗高、压力高，因而能耗大，设备投资大，成本高。煤的间接液化是预先制成合成气，然后通过催化剂作用将合成气转化为烃类燃料、含氧化合物燃料。行业研究〃石油化工行业请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 11 图4 煤化工工艺链上的氢气足迹资料来源米镇涛化学工艺学，海通证券研究所整理 3.2.2 煤气化制氢煤气化技术是煤炭清洁转化的核心和关键技术。中国的化石能源以煤为主，天然气资源稀缺，目前氢气的来源也是以煤制氢为主（以煤气化为主）。煤制氢技术包括煤的焦化制氢和煤的气化制氢。煤的焦化是在制取焦炭过程中，焦炉煤气作为副产品，含氢量约 60（体积分数）。煤焦化所得的煤气，目前大多作为城市煤气使用。煤气化制氢在我国主要作为生产原料气用于合成氨的生产；近些年来，煤气化的原料气向合成甲醇、二甲醚、醋酐和醋酸等方向发展。我国每年约有 5000 万吨煤炭用于气化。在各种煤转化技术中，特别是开发洁净煤技术中，煤的气化是最有应用前景的技术之一。煤气化技术是煤炭清洁转化的核心和关键技术。煤气化过程中碳与水蒸气反应产生H2，该反应为煤制氢工艺的关键。煤的气化过程是热化学过程。它是以煤或焦炭为原料，以氧气、水蒸气等为气化剂，在高温条件下，通过化学反应把煤或焦炭中的可燃部分转化为气体的过程。这些反应中，碳与水蒸气反应的意义最大，它参与各种煤气化过程，此反应为强吸热过程。碳与二氧化碳的还原反应也是重要的气化反应。气化生成的混合气称为水煤气。以上反应总过程为强吸热反应。煤气化的生产方法及主要设备。煤气化过程需要吸热和高温，工业上采用燃烧煤来实现。气化过程按操作方式来分有间歇式和连续式，前者的工艺较后者落后，现在逐渐被淘汰。目前最通用的分类方法是按反应器分类，分为固定床（移动床）、流化床、气流床和熔融床。至今熔融床还处于中试阶段，而固定床（移动床）、流化床和气流床是工业化或建立示范装臵的方法。行业研究〃石油化工行业请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 12 图5 煤制氢工艺流程图资料来源Hydrogen as an Energy Source，DAC，海通证券研究所 3.3 天然气制氢 3.3.1 天然气化工工艺路线天然气的主要成分是甲烷，甲烷含量高于 90的天然气称为干气，C2-C4烷烃含量在 15-20或以上的天然气称为湿气，天然气与石油共生称为油田伴生气。我国已有陕甘宁、新疆地区、四川东部三个大规模气区，此外，煤矿中吸附在煤上的甲烷（煤层气）、海上油田天然气等，储量也非常客观。天然气的热值高、污染少，是一种清洁能源，在能源结构中的比例逐年提高。（1）天然气制氢气和合成氨。2021年从消费结构看，工业用气占天然气消费总量的40；发电用气占比18；城市燃气占比32；化工化肥用气占比 10。天然气在化工领域的用途是制造氨和氮肥，尿素是当今世界上产量最大的化工产品之一。氨也是制造硝酸及许多无机和有机化合物的原料。由天然气制氢是当前工业制氢的主要工艺之一。目前工业上由天然气制氢气的技术主要有蒸汽转化法和部分氧化法。图6 2021年中国天然气需求结构城市燃气 , 32 工业用气 , 40 发电用气 , 18 化工化肥 , 10 资料来源自然资源部中国自然资源报，海通证券研究所图7 2021年中国LNG需求结构工业（发电、陶瓷、玻璃、车用） , 51 运输 , 31 居民 , 19 资料来源百川盈孚，海通证券研究所（2）天然气经合成气路线的催化转化制燃料和化工产品。由天然气制造合成气（COH2），再由合成气合成甲醇开创了廉价制取甲醇的生产路线。以甲醇为基本原料，可合成汽油、柴油等液体燃料和醋酸、甲醛、甲基叔丁基醚等一系列化工产品。合成气还可以经过改良费托合成制汽油、煤油、柴油等。合成气直接催化转化为低碳烯烃、乙二醇的工艺正在开发。（3）天然气直接催化转化成化工产品。天然气中甲烷直接在催化剂作用下进行选行业研究〃石油化工行业请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 13 择性氧化，生成甲醇和甲醛；在有氧或无氧条件下催化转化成芳烃，甲烷催化氧化偶联生成乙烯、乙烷等。（4）天然气热裂解制化工产品。天然气在9301230℃时，裂解生成乙炔和炭黑。从乙炔出发可制氯乙烯、乙醛、醋酸、氯丁二烯、1，4-丁二醇、1，4-丁炔二醇、甲基丁烯醇、醋酸乙烯、丙烯酸等乙炔化工产品。炭黑作橡胶的补强剂和填料，也是油墨、电极、电阻器、炸药、涂料、化妆品的原材料。（5）甲烷的氯化、硝化、氨氧化和硫化制化工产品。可分别制得甲烷的各种衍生物例如氯代甲烷、硝基甲烷、氢氰酸、二硫化碳等。（6）湿性天然气 C2-C4烷的利用。湿性天然气中 C2-C4可深冷分离出来，是优良的制取乙烯、丙烯的热裂解原料，许多国家都在提高湿性天然气在制取烯烃原料中的比例。图8 天然气化工工艺链上的氢气足迹资料来源米镇涛化学工艺学，海通证券研究所整理 3.3.2 天然气水蒸气转化制氢天然气水蒸气转化法为天然气制合成气的技术的主要方法。天然气中甲烷含量一般大于90，其余为少量的乙烷、丙烷等气态烷烃，有些还含有少量氮和硫化物。其他含甲烷等气态烃的气体，如炼厂气、焦炉气、油田气和煤层气等均可用来制造合成气。目前工业上由天然气制合成气的技术主要有蒸汽转化法和部分氧化法。其中，蒸汽转化法为天然气制合成气的技术的主要方法。转化过程中甲烷与水蒸气反应产生H2，该反应为制氢工艺的关键。蒸汽转化法是在催化剂存在及高温条件下，使甲烷等烃类与水蒸气反应，生成H2、CO等混合气，该反应为强吸热反应，需要外界供热。此法技术成熟，目前广泛应用于生产合成气、纯氢气和合成氨原料气。甲烷水蒸气转化反应必须在催化剂存在下才有足够的反应速率。倘若操作条件不适当，析碳反应严重，生成的碳会覆盖在催化剂内外表面，致使催化活性降低，反应速率下降。析碳更严重时，床层堵塞，阻力增加，催化剂毛细孔内的碳遇水蒸气会剧烈汽化，致使催化剂崩裂或粉化，迫使停工，经济损失巨大。所以，对于烃类蒸汽转化过程要特别注意防止析碳。行业研究〃石油化工行业请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 14 图9 天然气水蒸气重整制氢工艺流程资料来源A Review of the CFD Modeling of Hydrogen Production in Catalytic Steam Reforming Reactors，Nayef Ghasem，海通证券研究所整理催化剂在天然气水蒸气转化过程中具有重要作用。天然气水蒸气转化，在无催化剂时的反应速率很慢，在1300℃以上才有较快的反应速率。然而在此高温下大量甲烷裂解，没有工业生产价值，所以必须采用催化剂。催化剂的组成和结构决定了其催化性能，而对其使用是否得当会影响其性能的发挥。工业上一直采用镍催化剂（在贵金属中价格相对平便宜，转化效率高），并添加一些助催化剂以提高活性或改善诸如机械强度、活性组分分散、抗结碳、抗烧结、抗水合等性能。催化剂的促进剂有铝、镁、等金属氧化物。目前，工业上采用的镍催化剂有两大类，一类是以高温烧结的α-Al2O3或MgAl2O4尖晶石为载体，用浸溃法将含有镍盐和促进剂的溶液负载到预先成型的载体上，再加热分解和煅烧，称之为负载型催化剂。另一类转化催化剂以硅铝酸钙水泥作为黏结剂，与用沉淀法制得的活性组分细晶混合均匀，成型后用水蒸气养护，使水泥固化而成，称之为黏结剂催化剂。催化剂在使用中出现活性下降现象的原因主要有老化、中毒、积碳等。老化，催化剂在长期使用过程中，由于经受高温和气流作用，镍晶粒逐渐长大、聚集甚至烧结，致使表面积降低或某些促进剂流失、导致活性下降。中毒，许多物质，例如硫、砷等的化合物，都是催化剂的毒物；最重要、最常见的毒物是硫化物，极少量的硫化物就会使催化剂中毒，很快就完全失活。积碳，甲烷-水蒸气转化过程伴随有析碳副反应，同时也有水蒸气消碳反应。析出的碳是否能在催化剂上积累，要看析碳速率与消碳速率之比，当析碳速率小于消碳速率时，则不会积碳。这与温度、压力、组分浓度等条件有密切关系。 3.4 煤炭、天然气制氢技术经济性分析煤炭原料成本为 4.75元/kg H2；仅天然气原料成本为10.08元/kg H2。我们计算得出当前煤炭价格为950元/吨，生产1吨氢气，仅煤炭原料成本为4750元；生产1kg 氢气，仅煤炭原料成本为4.75元；标准状态下氢气密度0.089 kg/m3，生产1 m³H2仅煤炭原料成本为 0.423 元。标准状态下天然气密度 0.717 kg/m3，当前天然气价格为 3 元/m³，生产1kgH2仅天然气原料成本为10.08元；标准状态下氢气密度0.089 kg/m3，生产1 m³H2仅天然气原料成本为0.897元。成本假设（1）天然气到厂价为3元/m3，煤炭950元/t。（2）氧气外购0.5元/m3； 3.5MPa蒸汽100元/t，1.0MPa蒸汽70元/t；新鲜水 4元/m3；电0.56元/kW·h。（3）煤制氢采用水煤浆技术，建设投资 12.4亿元、天然气制氢建设投资6亿元。人员费用统一。装臵10年折旧后残值5；修理费3％/a，财务费用按建设资金70贷款，年利率按5计。（4）比较范围为装臵界区内，建设投资不含征地费以及配套储运设施。该假设下，我们通过计算得出煤制氢成本为11.5元·kg-1，天然气制氢成本为15.6 元·kg-1。即在煤炭价格为950元/t，天然气价格为3元/m³ 时，煤制氢成本明显低于天行业研究〃石油化工行业请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 15 然气制氢成本。表 2 天然气制氢和煤制氢成本测算结果项目单位制氢成本（元·Nm-3）煤制氢天然气制氢原料（天然气／煤炭） 0.423 0.897 氧气 0.210 燃料及动力 0.181 0.382 直接工资 0.012 0.012 制造费用 0.135 0.065 财务及管理费 0.060 0.029 体积成本/（元·Nm-3） 1.021 1.385 质量成本/（元·kg -1） 11.5 15.6 折吨成本/（元·t -1） 11500 15600 资料来源张彩丽煤制氢与天然气制氢成本分析及发展建议，海通证券研究所测算由上述，我们得出经验公式煤制氢成本y0.005x6.72 其中，y为单位质量制氢成本（元/kg）；x为煤炭价格（元/吨）; 天然气制氢成本y3.35x5.48 其中，y为单位质量制氢成本（元/kg）；x为天然气价格（元/ m3）由下图看出，煤制氢成本随煤价增加而增长较慢，天然气制氢成本随气价升高而增长较快，且天然气制氢成本整体高于煤制氢成本。图10 煤制氢成本、天然气制氢成本随煤炭价格、天然气价格变化关系 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 0 . 0 2 . 0 4 . 0 6 . 0 8 . 0 1 0 . 0 1 2 . 0 1 4 . 0 1 6 . 0 1 8 . 0 2 0 . 0 0 . 0 2 . 0 4 . 0 6 . 0 8 . 0 1 0 . 0 1 2 . 0 1 4 . 0 1 6 . 0 1 8 . 0 2 0 . 0 1 . 5 1 . 7 1 . 9 2 . 1 2 . 3 2 . 5 2 . 7 2 . 9 3 . 1 3 . 3 3 . 5 3 . 7 3 . 9 4 . 1 4 . 3 4 . 5 4 . 7 4 . 9 煤炭价格（元 /吨）天然气价格（元 / m³ ）天然气制氢成（元 / k g 氢气）煤炭制氢成本（元 / k g 氢气）资料来源海通证券研究所测算行业研究〃石油化工行业请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 16 3.4 煤炭清洁路线 2023年，我国将“推进煤炭清洁高效利用和技术研发，加快建设新型能源体系” 列入两会政府工作报告工作重点。我国富煤贫油少气的能源资源禀赋特点决定了煤炭的主体能源地位短期内不会发生根本性变化。2022年，我国煤炭消费超 40亿吨，在一次能源消费中占比仍高达56.2，同比0.3个百分点。煤炭利用产生的碳排放约占化石能源消费碳排放70以上。当前形势下，加快煤炭清洁高效利用是支撑能源转型、确保国家能源安全和实现双碳‖目标的必然选择和坚强基石。实现煤炭清洁高效利用主要分为两个维度。从源头上，需积极推动煤炭发电向清洁低碳和灵活高效转型。如现役机组的“三改联动”和新建高参数大容量机组，从而进一步提升煤电清洁高效发电能力，同时满足经济快速发展过程中对电力的需求。从治理上来说，需大力开展超低排放和减污降碳技术研发。 4. 工业副产氢 4.1 煤干馏副产氢煤干馏（coal carbonization）是在隔绝空气条件下加热煤，使其分解生成焦炭、煤焦油、粗苯和焦炉气（H2和CH4）的过程。随着我国煤炭产业的发展，煤的焦化制氢工艺已较为成熟，但其还存在投资成本大、反应过程中需用纯氧、产氢效率较低、副产物 CO2产量大等缺点。并且煤的炼焦过程以制取焦炭为主，焦化过程只是其中的一步，含有氢气的煤焦炉气（H2和CH4）为该过程的副产物。煤干馏过程主要经历如下变化。当煤料温度高于100℃时，煤中的水分蒸发；温度升高到 200℃以上时，煤中结合水释出；高达 350℃以上时，粘结性煤开始软化，并进一步形成粘稠的胶质体（泥煤、褐煤等不发生此现象）；至 400-500℃时，大部分煤气和焦油析出，称为一次热分解产物。在450-550℃时，热分解继续进行，残留物逐渐变稠并固化形成半焦，高于550℃时，半焦继续分解，析出余下的挥发物（主要成分是氢气），半焦失重同时进行收缩，形成裂纹；温度高于 800℃，半焦体积缩小变硬形成多孔焦炭。当干馏在室式干馏炉内进行时，一次热分解产物与赤热焦炭及高温炉壁相接触，发生二次热分解，形成二次热分解产物（焦炉煤气和其他炼焦化学产品）。因此，煤干馏过程又分为煤的高温干馏和煤的低温干馏两类。（1）煤的高温干馏（炼焦）。在炼焦炉中隔绝空气于900-1100℃进行的干馏过程。产生焦炭、焦炉煤气、粗苯、粗氨水和煤焦油。 1）焦炭是最传统的煤化工产