科普百篇系列（120）

常用的制氢方法

徐长发，华中科技大学，2021.10.30.

在碳中和背景下，氢能源非常有发展前途。氢能源的优势在于1）零排放，2）燃值高，3）用途广。火箭推进要大批量使用液化氢，工业生产要用氢，特别是氢能汽车要用氢，全国的氢需求量极大。

氢是怎么制作的？本文介绍几种常用制氢方法的原理。

一．天然气制氢方法

天然气制氢是我国的主要制氢方式之一。原因有二，一是在我国的一些‘盆地’和‘沿海’都聚集天然气，气源方便；二是，天然气制氢工艺是成熟的。

‘天然气’实际上是‘甲烷’和‘一氧化碳’的混合气体，甲烷占90%以上；所以用天然气制氢需要增加甲烷处理的工序。其主要反应式如下 ：

1）天然气和水在 800~900℃高温和氧化镍催化剂的条件下反应生成一氧化碳和氢气。反应式为

CH4+H2O → CO+H2-Q（吸热）

2）一氧化碳和水在 300-400℃条件下，在三氧化二铁催化剂的条件下，反应生成二氧化碳和氢气。反应式为

CO+H2O → CO2+H2+Q（放热）。

天然气制氢方法的主要工艺流程为：

1）原料气预处理脱硫；

2）在高温高压下将烷烃转化为一氧化碳和氢气；

3）将一氧化碳变换为二氧化碳和氢气；

4）将氢气和二氧化碳分离、提纯、分别储存，各有各的用途。

用天然气制氢的工艺成熟，效率较高。用该方法制氢成本的关键在于天然气价格。

二．煤炭气化制氢

煤碳制氢也是我国的主要制氢方式之一。其原因是，1）煤炭的成本低；2）

我国煤炭资源较多；3）煤炭制氢方法和工艺成熟。

最关键的技术在于将煤“气化”。煤可以直接在地下煤层中气化，也可以将煤放在气化炉内气化。无论是哪种‘气化’方法，都需要三个条件，一是高温，二是气化剂（一般用蒸汽、空气或氧气），三是密闭空间的‘气化炉’。

煤气化制氢主要包括三个过程，即造气反应、水煤气转化反应、氢的纯化与压缩储存。

造气反应方程式为：

C + H2O → CO + H2 （吸热）

水煤气转化反应方程式为:

CO + H2O → CO2 + H2 （放热）

这里特别介绍‘煤地下气化’方法，其‘地下气化炉’的构造简示在下图中。

现在一般采用“长通道，大断面，两阶段”的‘煤炭气化’新工艺。在第一阶段，鼓入空气助燃，煤层蓄热，产生鼓风煤气。第二阶段，鼓入水蒸气，水蒸气与炽热的煤层相遇，发生分解反应，形成地下水煤气。这样排出的是‘中热值’的煤气，其中含有大量的‘氢’、‘一氧化碳’。这里所指的‘大断面’可以使燃煤量增大，蓄热量增多，为第二阶段提供足够的反应热；这里所指的‘长通道’可以使得水和煤的反应时间变长，增加有效产出。

煤炭地下气化，可以避免露天开采或地下开采所带来的‘工程问题’和‘环境问题’，地下气化后的灰渣、氧化物、放射性物质、矸石全部留在地下，气化完成后向地下‘注浆’，避免地表沉陷。

对于煤质量差的矿区，范围小的矿区，用‘煤炭地下气化’特别适合，也非常有利于环保。

三． 工业尾气制氢

1. 煤焦化制氢方法

用煤炼焦，即煤在隔绝空气的条件下加热到1000~1100℃，就获得焦炭、煤焦油和混合煤气这3类产物。

1）焦炭。是炼焦最重要的产品。焦炭90%以上用于高炉炼铁，少量做工业它用。

2）煤焦油。是炼焦获得的重要化工产品。

3）混合煤气。其中含有氨、粗苯、硫、甲烷、一氧化碳。使用各种手段，可以分离出甲烷和一氧化

科普百篇系列（120）

常用的制氢方法

徐长发，华中科技大学，2021.10.30.

在碳中和背景下，氢能源非常有发展前途。氢能源的优势在于1）零排放，2）燃值高，3）用途广。火箭推进要大批量使用液化氢，工业生产要用氢，特别是氢能汽车要用氢，全国的氢需求量极大。

氢是怎么制作的？本文介绍几种常用制氢方法的原理。

一．天然气制氢方法

天然气制氢是我国的主要制氢方式之一。原因有二，一是在我国的一些‘盆地’和‘沿海’都聚集天然气，气源方便；二是，天然气制氢工艺是成熟的。

‘天然气’实际上是‘甲烷’和‘一氧化碳’的混合气体，甲烷占90%以上；所以用天然气制氢需要增加甲烷处理的工序。其主要反应式如下 ：

1）天然气和水在 800~900℃高温和氧化镍催化剂的条件下反应生成一氧化碳和氢气。反应式为

CH4+H2O → CO+H2-Q（吸热）

2）一氧化碳和水在 300-400℃条件下，在三氧化二铁催化剂的条件下，反应生成二氧化碳和氢气。反应式为

CO+H2O → CO2+H2+Q（放热）。

天然气制氢方法的主要工艺流程为：

1）原料气预处理脱硫；

2）在高温高压下将烷烃转化为一氧化碳和氢气；

3）将一氧化碳变换为二氧化碳和氢气；

4）将氢气和二氧化碳分离、提纯、分别储存，各有各的用途。

用天然气制氢的工艺成熟，效率较高。用该方法制氢成本的关键在于天然气价格。

二．煤炭气化制氢

煤碳制氢也是我国的主要制氢方式之一。其原因是，1）煤炭的成本低；2）

我国煤炭资源较多；3）煤炭制氢方法和工艺成熟。

最关键的技术在于将煤“气化”。煤可以直接在地下煤层中气化，也可以将煤放在气化炉内气化。无论是哪种‘气化’方法，都需要三个条件，一是高温，二是气化剂（一般用蒸汽、空气或氧气），三是密闭空间的‘气化炉’。

煤气化制氢主要包括三个过程，即造气反应、水煤气转化反应、氢的纯化与压缩储存。

造气反应方程式为：

C + H2O → CO + H2 （吸热）

水煤气转化反应方程式为:

CO + H2O → CO2 + H2 （放热）

这里特别介绍‘煤地下气化’方法，其‘地下气化炉’的构造简示在下图中。

现在一般采用“长通道，大断面，两阶段”的‘煤炭气化’新工艺。在第一阶段，鼓入空气助燃，煤层蓄热，产生鼓风煤气。第二阶段，鼓入水蒸气，水蒸气与炽热的煤层相遇，发生分解反应，形成地下水煤气。这样排出的是‘中热值’的煤气，其中含有大量的‘氢’、‘一氧化碳’。这里所指的‘大断面’可以使燃煤量增大，蓄热量增多，为第二阶段提供足够的反应热；这里所指的‘长通道’可以使得水和煤的反应时间变长，增加有效产出。

煤炭地下气化，可以避免露天开采或地下开采所带来的‘工程问题’和‘环境问题’，地下气化后的灰渣、氧化物、放射性物质、矸石全部留在地下，气化完成后向地下‘注浆’，避免地表沉陷。

对于煤质量差的矿区，范围小的矿区，用‘煤炭地下气化’特别适合，也非常有利于环保。

三． 工业尾气制氢

1. 煤焦化制氢方法

用煤炼焦，即煤在隔绝空气的条件下加热到1000~1100℃，就获得焦炭、煤焦油和混合煤气这3类产物。

1）焦炭。是炼焦最重要的产品。焦炭90%以上用于高炉炼铁，少量做工业它用。

2）煤焦油。是炼焦获得的重要化工产品。

3）混合煤气。其中含有氨、粗苯、硫、甲烷、一氧化碳。使用各种手段，可以分离出甲烷和一氧化