氢能时代的脚步聊城氢能项目,
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20世纪70年代的石油危机使人们需要寻找石油的替代品，于是氢气重新出现于视野。同时，随着公众对污染问题的认识越来越深，要求使用清洁的氢气燃料的呼声日益高涨，但这些意见也许只考虑了氢气的燃烧而未必考虑到氢气的生产。正是在这段时期，“氢能”、“氢经济”这个词出现了，国际氢能协会也于此时成立。然而20世纪80年代油价的大幅下降，政府和企业对氢气的热情也迅速衰退了。20世纪90年代，基于油气资源日益减少，日益增加的CO2排放量被认为是全球气候变暖的主要原因，人们对氢气又重视起来。与此同时燃料电池，特别是质子交换膜燃料电池的出现，使得可商用的氢燃料电池驱动汽车成为可能。
2007年，著名诺贝尔化学奖得主、有机化学家乔治A·奥拉先生的《跨越油气时代：甲醇经济》，““甲醇经济”具有显著的优点和可行性。甲醇及其衍生的二甲醚可以用来作为：1、一种便利的能量储备媒介；2、一种方便运输和流通分配的、可用于内燃机、压缩点火式发动机和燃料电池的燃料；3、一种用来合成碳氢化合物及包括各种燃料、聚合物甚至单细泡蛋白质（作为动物饲料或供人类食用）等在内的许多产品生产的原料。”“总而言之，“甲醇经济”的目标包含以下内容：1、利用现存的天然气资源，以一种新的更高效的方法即通过它们的氧化转化来生产甲醇及其衍生的二甲醚而无需首先生成合成气；2、利用来自自然或工业资源的CO2进行加氢再循环生产甲醇，而最终CO2将来自于空气本身这一无穷无尽的碳源；3、甲醇及其衍生的二甲醚可作为一种很方便的交通燃料能量储存介质不仅可用在内燃机中，也可用在DMFC等新一代燃料电池中；4、利用甲醇为原料可生产乙烯和丙烯，并为合成碳氢化合物及它们的产物提供了基础。”““甲醇经济”使人类不再依赖日益减少的石油和天然气资源，同时更好地利用和储存所有各种形式的能源（可再生能源和原子能）。而且通过CO2的化学再循环，还可以减轻由于人类造成的全球气候变暖的主要原因之一并使含碳燃料和材料具备可再生性。”[1]
“甲醇经济”给我国带来了深远的影响：自2009年便组织工信部有关司局，调集汽车和内燃机行业专家，系统开展了甲醇作为车用燃料的调研工作；工信部于2012年颁发了《关于开展甲醇汽车试点工作的通知》文件，首次在国内从动力性、经济性、环保性、适用性、可靠性等五个方面，对甲醇汽车组织开展试点工作，选择了有条件的十个城市，从市场化操作入手开展试点；2019年3月，由八部委联合印发的《关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见》，“加快推动甲醇汽车应用，实现车用燃料多元化，保障能源安全。重点在山西、陕西、贵州、甘肃等资源禀赋条件较好且具有甲醇汽车运行经验的地区，加快M100甲醇汽车的应用。”美国南加州大学洛克研究所和全球甲醇协会将设立的“乔治奥拉甲醇经济奖”第一个终身成就奖颁给了中国的何光远先生，以表彰其推动中国甲醇汽车发展获得了卓越成就，并由此推动了中国甲醇经济的健康发展；国际甲醇汽车及甲醇燃料应用大会2019年10月11日在重庆召开，会上，西安市荣获“乔治·奥拉甲醇经济杰出贡献奖”；“甲醇经济”给我国低碳经济发展做出了突出贡献。
核心观点：其一，多种能源变甲醇，甲醇变成人们需要的能源；其二，CO2是能源的重要组成部分，甲醇制备过程为“吸碳排氧”，而甲醇制氢的过程为“吸氧排碳”；其三，能源可自给自足，并可就地消纳和转换。
水基能源向华理论是基于“甲醇经济”的“水氢机”[2]，用甲醇分解产生的CO再分解水产生氢气和CO2，即：CH3OH→CO+2H2-(1)；H2O+CO→CO2+H2-(2)。也属于低碳经济范畴。
“液态阳光”一名由中国科学院液态阳光研究组命制，并于2018年9月在国际杂志《焦耳》上公开发表，得到了国际学术界和同行的一致认可。[3]
从古至今，人类利用太阳能制备甲醇的道路曲折而坎坷。甲醇以其来源不同可划分为五代，分别是煤制甲醇（第一代）、煤气或页岩气制甲醇（第二代）、以极低排放或零排放技术用煤或气制甲醇（第三代）、生物质制甲醇（第四代）、以二氧化碳和水通过人工光合作用合成甲醇（第五代）。其中，后三代制成的甲醇统称为“清洁甲醇”，后两代制成的甲醇统称为“绿色甲醇”。第五代甲醇的生产过程中，水经太阳光光解制氢，空气中的二氧化碳加氢生成甲醇。该过程零污染零排放，并且可形成循环，是迄今为止人类制备甲醇最清洁环保的方式之一，值得大力推广。
2013年3月第9期，聂国印、聂旭春在城市建设理论研究期刊总第075期中，首次提出《氢能时代煤化工的思考》[4]，在近几年通过学习和思考中逐步完善着“氢能时代”。
氢能、氢能经济概念只注重氢能的清洁和氢气的制备方法的论述；而聂国印、聂旭春描述的氢能时代却是全新的理论，即“氢能时代是基于煤炭、石油、生物质等所有的碳氢化合物都能气化还原，形成以氢气和一氧化碳为主的稳定的混合气体，经过分离、提纯可以得到纯净的氢气和一氧化碳；氢气和一氧化碳又能作为合成气费托合成各种有机化合物；化石能源包括两部分，一是燃料部分，一是化工原料部分，氢能时代就是燃料部分直接利用氢气和一氧化碳，化工原料部分用于费托合成；氢气和一氧化碳都是气体，都是还原剂，一氧化碳可以全面替代焦炭，氢气和一氧化碳可以应用于气法冶炼。”
煤炭、石油、生物质通过：气化、一氧化碳变换、酸性气体脱除、提纯四个流程制备氢气；气化、酸性气体脱除、分离、提纯四个流程制备氢气和一氧化碳（尚未利用）；气化、一氧化碳变换、酸性气体脱除、甲烷化等流程制备天然气、甲醇、乙二醇、二甲醚、烯烃、氮肥、车用燃料等。根据煤炭的碳氢元素比例远大于石油、生物质，煤炭适合气化制备氢气，集中捕集二氧化碳，石油、生物质适合气化制备氢气和一氧化碳。
氢能时代就是燃料部分直接利用氢气和一氧化碳；化工原料部分用于费托合成，循环利用氢气和一氧化碳，以及排放的二氧化碳；将剩余的二氧化碳、一氧化碳作成碳材料。
煤炭、石油、生物质是复杂的高分子有机化合物，主要由碳、氢、氧、氮、硫和磷等元素组成，而碳、氢、氧三者总和约占有机质的95%以上，均可以缩写为CxHyOz。不同的煤类碳氢元素比例各不相同，除泥炭外其他煤类均大于1，一般由1.09:1到2.95:1。石油碳氢元素比例稳定在0.50:1左右。干生物质碳氢元素比例稳定在0.63:1左右。煤炭、石油、生物质在气化过程中主要的化学反应方程式为：CxHyOz＋mH2O＋nO2＝(y/2＋m)H2＋xCO，气化了一部分水；水在一氧化碳变换流程的作用就是水和一氧化碳反应生成二氧化碳和氢气,即xCO＋xH2O＝xH2＋xCO2。[5]也就是说在一氧化碳变换流程气化了海量的水，一氧化碳是水气化的最有效途径，每得1t氢气将消耗14tCO气化9t水产生22t二氧化碳，应集中捕集，循环利用。
氢能时代的氢气资源很大一部分来源于水的气化。因此氢能时代更要注重水资源保护和利用。
石油通过气化、酸性气体脱除、分离、提纯四个流程制备氢气和一氧化碳气体，能气化部分水得到氢能源。产品单一,直接利用氢气和一氧化碳,既不排放二氧化碳，用水量还小。与石油精炼相比，从技术、产品利用、环保、总体效应角度是非常经济的。
氢能时代是一种新的社会业态，应该从易到难逐步实施。等氢能时代全部展开后，再全面开展煤制氢和生物质制氢。中国的三桶油应该从加油站管理转向加氢站逐步转型，并配合好中央政府协调关系和产品定价，担负起全国的加氢站经营责任。
BP统计的是传统能源，没有可燃冰资源，中国的可燃冰可以使用百年以上。再加上传统能源气化使用时又气化一部分水，所以说“化石能源将至少伴随人类250年”。
甲烷制氢有两种途径：一是甲烷水蒸气重整，CH4＋H2O＝CO＋3H2；一是甲烷二氧化碳无催化重整，CH4＋CO2＝2CO＋2H2。为什么选择甲烷二氧化碳无催化重整，是它把两种温室气体变成了合成气，符合氢能时代的要求。
我国现阶段氢燃料汽车主要应用的是35MPa气态储氢罐，欧、美、日国家则是以70MPa为主，其在存储和安全性方面有较大优势，也是我国目前正在重点研发的方向。氢气的标准状态密度为0.089Kg/m3,1Mpa压力下，20℃密度为0.904Kg/m3，2Mpa压力下，20℃密度为1.75Kg/m3，而空气的密度为1.293Kg/m3，这样储氢罐压力在1.55Mpa左右将产生浮力。解决问题的方法：一是限制使用压力使其保持平衡；一是合理设计整车结构，让储氢罐产生气悬浮实现节省动力。
目前工业气体一氧化碳运输是以钢瓶的形式，压力10Mpa，最大容积40L。应积极研究大量的、氢能时代需要的、一氧化碳的运输方式，以确保氢能时代顺利实现。到目前为止，已知对一氧化碳储存、运输、应用有效的化合物是四羰基镍，常温下金属镍原子吸收四个一氧化碳分子形成液体四羰基镍，在适当加热条件下液体四羰基镍分解成一氧化碳和金属镍。
自从1945年Ipatieff等首次报道了在铜铝催化剂上二氧化碳加氢合成甲醇后，人类已经开展了大量的有关甲醇合成的研发工作。再加上诺贝尔化学奖得主、有机化学家乔治A·奥拉先生《跨越油气时代：甲醇经济》，有用二氧化碳生产甲醇：CO2+3H2→(催化剂)CH3OH＋H2O。人类已经开展了长达75年的大量有关二氧化碳加氢合成甲醇的研发工作，还没有产业化[6]。CO2非常稳定，在电弧温度达4200℃仍不能分解，因此很难直接利用CO2。二氧化碳制甲醇，应走合成气路线：二氧化碳首先转换成一氧化碳，然后合成气合成甲醇。专利：一种甲烷二氧化碳无催化重整制合成气的设备和方法，5X，以甲烷二氧化碳重整生成的一氧化碳和氢气，CH4＋CO2＝2CO＋2H2。然后分离提纯一氧化碳和氢气，直接用于氢能时代。
以内蒙古自治区的呼、包、鄂、准四地为例，四地为一边长150Km左右四边形，在四边形的中间位置建一个特大型的空分厂家，然后以液体管廊的形式将液氧、液氮、液氩分别输入四地的中心主站液体储库。由中心主站统一气化以地面输气管道形式输往各个用户，纯氮气、纯氩气送达用户尽可能地循环利用；纯氧以地面输气管道形式输往具有一定燃烧规模的企业用于纯氧燃烧，并以地面输气管道形式回收纯氧燃烧企业的二氧化碳；由各地中心主站统一提纯二氧化碳，由各地中心主站统一实施甲烷二氧化碳无催化重整，直接用于当地加氢站和用于当地的气法冶炼。由各地中心主站配合液体储罐和气体钢瓶的形式最大化地利用氮气、氧气和氩气。氢能应以各地中心主站甲烷二氧化碳无催化重整制合成气的氢能为主，石油气化制氢能集中补充为辅，或煤制氢气集中补充为辅。
一个模型的实际操作应由一个石油公司统一管理，以便能够实现政令统一，无缝衔接。首先在本片区有足够大石油气化制氢气或煤制氢气厂家，准备好足够的补充氢气进行补充。
目前国内化工园区的工业气体生产和供应主要采取分散生产“自给自足”、集中生产“充分依托”和一体化生产“社会化供应”三种主要模式。应向着立体化“社会化供应，循环利用”的模式发展。即以内蒙古自治区的呼、包、鄂、准四地为例，四地为一边长150Km左右四边形，在四边形的中间位置建一个特大型的空分厂家，然后以液体管廊的形式将液氧、液氮、液氩分别输入四地的中心主站液体储库。由中心主站统一气化以地面输气管道形式输往各个用户，纯氮气、纯氩气送达用户尽可能地循环利用；纯氧以地面输气管道形式输往具有一定燃烧规模的企业用于纯氧燃烧，并以地面输气管道形式回收纯氧燃烧企业的二氧化碳；由各地中心主站统一提纯二氧化碳，由各地中心主站统一实施甲烷二氧化碳无催化重整，直接用于当地加氢站和用于当地的气法冶炼。由各地中心主站配合液体储罐和气体钢瓶的形式最大化地利用氮气、氧气和氩气。
空分设备由空分厂家负责建设安装，液体管廊和液体储库由空分厂家负责施工和管理。
现代空气分离设备能生产各种容量、不同纯度的气态或液态产品，也能制造超高纯度的氧和氮（如含氧99.998%和含氮99.9995%）空气分离设备还能根据用户的需要，通过电子计算机的控制，随时增减产品的数量，达到经济用氧的目的。纯氧（含氧99.998%）燃烧也将被誉为燃烧技术发展史上的第三次革命。纯氧燃烧是一个一举多得的事情：减排了NOX；提高了企业经济效益；实现了二氧化碳铺集；实现了二氧化碳循环利用；又能得到纯净的氮气和氩气。
纯氧燃烧是一个一举多得的事情：减排了NOX；提高了企业经济效益；实现了二氧化碳铺集；实现了二氧化碳循环利用；又能得到纯净的氮气和氩气。纯氧燃烧产物主要是二氧化碳和水蒸气为主，并含有少量的二氧化硫和一氧化氮。经过脱硫脱硝，再降温到100℃以下除去水分后，能够得到纯度99%的二氧化碳，大大地降低了二氧化碳铺集成本。是纯氧燃烧的革命促成了二氧化碳铺集的革命。
纯氧燃烧企业二氧化碳和水蒸气脱硫脱硝后，再降温脱水后的二氧化碳，加压输入二氧化碳回收管道。
根据当地的用户数量，纯氧、纯氮、纯氩用量，选择一个半径50-100公里地方建设一个中心主站，批量接收液氧、液氮、液氩。由中心主站统一气化以地面输气管道形式输往各个用户，纯氮气、纯氩气送达用户尽可能地循环利用；纯氧以地面输气管道形式输往具有一定燃烧规模的企业用于纯氧燃烧，并以地面输气管道形式回收纯氧燃烧企业的二氧化碳；由各地中心主站统一提纯二氧化碳，由各地中心主站统一实施甲烷二氧化碳无催化重整，直接用于当地加氢站和用于当地的气法冶炼。
中心主站可以回收其他零散纯氧燃烧企业的二氧化碳，以鼓励小企业增加经济效益，节能降耗。
各地中心主站首先具有大量使用管道天然气的权利，同步建设天然气提纯设备。建设二氧化碳提纯设备，提纯二氧化碳。提纯后的甲烷、二氧化碳重整后，氢气纯度必须达到燃料电池的要求。同时，建设至少5000Kg级的70MPa氢气储库，和与之相应70MPa一氧化碳储库。
由本片区的加氢站负责用70MPa管束车运输氢气，由本片区气法冶炼企业负责70MPa一氧化碳运输车运输一氧化碳。
专利：一种甲烷二氧化碳无催化重整制合成气的设备和方法，5X，以甲烷二氧化碳无催化重整生成的一氧化碳和氢气，CH4＋CO2＝2CO＋2H2。然后用“一种氨碱、联碱行业氯化铵直接热分解的方法和设备-5.5。”中的倾斜分离器分离氢气和一氧化碳，倾斜分离器上端排氢气，倾斜分离器下端排一氧化碳，并分别降温、加压打入氢气储库、一氧化碳储库。
因甲烷和二氧化碳提纯纯度重整后氢气纯度必须达到燃料电池的要求，所以氢气和一氧化碳不用再提纯。
加氢站必须首先接收中心主站的氢气，以保障中心主站有足够大的储存空间，不至于重整设备停车。其次可以接受辅助氢气。
加氢站可以回收电力企业合格的弃电电解水制的氢气，以鼓励电力企业增加经济效益，节能降耗。
在中心主站不能完全满足氢气的前提下，加氢站可以接受补充氢气或回收电力企业合格的弃电电解水制的氢气。
随着“氢能”、“氢经济”的提出，神华煤制油化工有限公司于2008年12月实现了日产氢气626t,氢气纯度为99.5%［7］。2013年3月，聂国印、聂旭春提出来“氢能时代”。截至2020年中国已有23省布局氢能。在此次能源迭代之际，中国氢能时代的脚步应该怎样控制，提上了议事日程。
按照中国科学院院士李灿总结，分为三步：第一，化石能源的高效、清洁转化，辅之以节能，通过绿色发展，小幅减排二氧化碳，但这并不能根本上解决碳排放的问题；第二，化石能源与可再生能源优化互补，不能一次性完全切断化石能源，而是一步步与可再生能源互补优化，大幅减排二氧化碳；第三，完全使用可再生能源，实现绿色、零碳排放，从根本上解决问题。
网上有“氢云研究：甲醇重整燃料电池汽车是创新？还是氢能源的阻碍？”，对于这个问题有很多院士级科学家的意见都不一致。
甲醇重整燃料电池汽车虽然能省去新建加氢站的费用，但是都转移到每部汽车都要配一套甲醇裂解设备，和一套一氧化碳转换设备，再加上催化剂，得不偿失。应限制甲醇重整燃料电池汽车过度发展。
电解水制氢是制氢方法中成本最高的一种，电解水制氢，氢气再通过燃料电池转换成电，哪来的能量。电解水制氢只有在发电企业的弃电制氢才有价值，一是不用停机，一是不用就被浪费了。可再生资源中生物质可以直接气化制氢气和一氧化碳。
［1］［美］乔治A．奥拉．阿兰·戈佩特．G．K．苏耶·普拉卡西著．跨越油气时代：甲醇经济．第二版．2021年3月．化学工业出版社．
［2］以甲醇为原料，水氢机拉开产业化序幕．中国日报网．发布时间:19-09-0509:59．[引用日期2021-06-21]．
［3］“液态阳光”将在神州大地普照．科学网．2019-07-01．[引用日期2020-03-21]．
［4］聂国印，聂旭春．氢能时代煤化工的思考．城市建设理论研究．2013年3月第9期．总第075期．267-268．
［5］聂国印，聂旭春．水在煤炭气化中的作用．．2014年10月31日．
［6］孙小松．二氧化碳加氢制备甲醇技术进展．技术论坛．2019年5月，04期．389-390．
［7］任相坤，袁明，高聚忠．神华煤制氢技术发展现状．煤质技术．2006年1月第1期．4-6．
