天然气直接裂解制氢联产高附加值碳纳米管_世纪新能源网 Century New Energy Network

绿氢行业的兴起，是一场影响深远的工业革命运动，既有巨大的技术挑战，也会对全球经济竞争格局带来深刻影响，还能给子孙后代留下环保、清洁、可持续发展的未来。

众所周知，自18世纪工业革命以来，有多种工业生产过程都可以产生大量的氢气，如下图所示：

（图片来源：网络）

其中煤制氢/天然气水蒸汽转化制氢是最传统和产氢量最大的方法，具有制氢成本低，生产量大，工艺经过几十、上百年的发展，非常成熟。但是这类传统的制氢方法，会产生天文数字的CO?排放，是造成目前全球CO?温室气体的主要来源之一，是不可持续的。

近年发展较快，很受重视，也较有前景的一种制氢方法是电解水制氢。电解水制氢的过程是绿氢，无任何CO?产生。但是电解水制氢的设备固定投资大，需要和太阳能电站或者大型风力发电等设施进行配套。电解水的过程耗电量也大，生产每公斤氢气需要耗35-55度电。

天然气直接裂解生产廉价氢气和碳材料，是一种技术上有极高价值的过程，其反应过程如下：

其无可比拟的优势在于：

1、零排放

是真正原子经济的工艺，只产生碳纳米管和氢气。没有CO? 温室气体的排放，制氢过程清洁无污染。

2、转化效率高

氢气和碳材料的连续生产，转化效率高；流程短；设备投资少；杂质少，氢气易提纯。

3、经济效益好

1）催化裂解生成碳纳米管，解决了制氢过程碳产物的高附加值利用问题。

2）碳纳米管是高附加值的锂电池导电添加剂，光是生产碳纳米管，就有巨大的经济价值，能覆盖整个生产过程的生产成本。

3）氢气相当于是免费白送的，具有超强的氢气生产成本竞争力。

此过程很类似传统工业上的天然气水蒸汽转化制氢过程，使用天然气作为原料生产出氢气，但是又克服了天然气水蒸汽转化制氢过程产生大量CO2排放的问题，其碳原子完全转化为固体碳材料。

虽然，这是一个美好的技术设想，无数前辈和科技工作者为此研究了几十年。但这是一个技术上高难度的过程，其难点在于：

1、对裂解生成的碳有严格的技术、性能和市场价值要求

碳的同素异性体和形态很多，此过程的碳产物不能是乱七八糟的碳，也不能是所谓的石墨烯。有经济价值的碳的工业产物包括：碳纳米管、石墨烯、炭黑、碳纤维、石墨等成品。目前生产碳纳米管的企业，已有市值百亿级的公司出现，大大小小的公司都是赚钱的；做石墨烯的公司，大部分亏损，或倒闭；炭黑行业，是个低附加值的行业，行业利润微薄，通用炭黑通常只有百分之3左右的利润；碳纤维是个好行业，但是天然气也做不出来碳纤维；天然气也不合适用来生产石墨。

就算是生成碳纳米管，也不是随便一种含碳纳米管的产物就能有经济价值的。如果不限制碳产物形貌，每公斤催化剂能生产几百公斤的纳米碳纤维，虽然里面也包含一部分碳纳米管，但是那样的碳产物，没有实际的经济价值和意义。

2、天然气催化裂解生产碳纳米管具有较高技术难度

1）天然气是较为惰性的碳纳米管原料，通常产率和转化率较低；

2）天生气催化裂解生成锂电池级的碳纳米管较为困难，生成的碳纳米管要管径均匀，不能太粗，管径介于10-20nm，形貌要规整。

3）必须使用低成本的催化剂，还要有较高的催化剂效率。生产碳纳米管和绿氢的过程，不能消耗太多的催化剂，每1公斤催化剂至少能生产10公斤以上的碳纳米管。

3、设备的大型化具有较大技术难度

碳纳米管的生产，不同于液态和气态化学品的生产，是个体积膨胀几百倍的粉体生产过程。生产设备的设计具有一定的特殊性，具有较大的难度。

由上述的介绍可见，天然气的催化裂解，是个同时产生固体碳产物和氢气的过程。生成的碳的形态和价值，对天然气制氢的经济可行性具有决定性影响。为方便绿氢行业的读者对碳纳米管有更深入和全面的认识，对碳纳米管做更详细的介绍如下。

碳纳米管是20世纪90年代日本科学家Iijima先生（Iijima Sumio. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature,1991,354:56～58）发现的新材料，是石墨化的碳原子卷曲而成的纳米级无缝中空管状结构。碳纳米管的物理结构就决定了，碳纳米管具有多种优异的力学、热学和电学性能。例如，碳纳米管的导热性是铜的5倍，拉伸强度达到50～200GPa是钢的100倍，密度是钢的1/6。

以碳纳米管在新能源电池行业的应用作为案例来分析，锂电池由正极材料、负极材料、隔膜、电解液、导电剂、结构件、BMS等构成。各种材料占锂电池的成本，大致如下：

如果投资锂电池的正极材料，资金动则几十亿人民币起步，而且竞争激烈。例如，2021年2月4日，中核钛白发布公告称，拟通过全资子公司东方钛业投资建设年产50万吨磷酸铁锂项目，预计总投资121亿元，皆为公司自有自筹资金。2021年6月，湘潭电化也公告，通过参股公司湖南裕能在贵州新建年产30万吨磷酸铁和30万吨磷酸铁锂，投资总额为70亿元；湖南裕能还拟在昆明市建设年产35万吨磷酸铁和35万吨磷酸铁锂项目，预计总投资100亿元。

导电剂在锂电池里占比少，但是对锂电池的性能具有很大的影响。锂电池的导电剂，有不同的种类，都是各种不同结构的碳材料。包括类球形的炭黑（颗粒直径数十nm级），片状的石墨片，以及一维线状的碳纳米管。所有不同种类的锂电池导电剂中，以碳纳米管的添加量最少，性能最好，市场占比最大。

锂电池的负极、隔膜、电解液、铜箔等产业链，投资资金动则也是十亿元起步。与之不同的是，虽然导电剂的成本，大致只占锂电池的2%左右。但是，由于锂电池行业现在已是万亿级的大产业，所以现在锂电池导电剂也成为了大的产业，具有巨大的前景和光明的前途。

经国内多家机构调研和预计，一致认为在未来五年，全球碳纳米管导电剂浆料需求量将保持40.8%的年复合增长速度， 2023年需求量将达17.72万吨。国内碳纳米管导电剂市场，随着动力电池产业的快速增长，预计到2023年将达到62亿元的国内市场产值。由于固态电池内部比液态电池导电性更差，需要添加更多的碳纳米管导电剂，来提高其内部的导电性。以后，随着固态电池的产业化会导致隔膜和电解液的取消，但是会利好碳纳米管导电剂产业。随着锂电池高镍正极、硅基负极和固态电池等新技术应用规模扩大，碳纳米管的使用量会进一步大量增长，未来单是在锂电池领域就会成为每年百亿级的市场。

碳纳米管作为锂电池产业链里的导电剂，只是碳纳米管产业化的“冰山一角”，是资本和传统新材料企业认识碳纳米管的第一步。更重要的是，1996年诺贝尔化学奖得主尊敬的Richard E. Smalley先生曾教导我们，“碳纳米管是人们所能制造出来的最强、最刚、最硬的分子，同时是最好的热和电的分子导体”。碳纳米管在芯片、晶体管、生物医疗、太阳能光伏电池、轮胎、燃料电池、药物输送、储氢、高分子材料、电容器、复合材料等会有更广阔市场，会持续突破更多的大市场，未来有望成为一个千亿级市场的产业。

国内的碳纳米管企业也在此时进入了快速发展阶段，已经有天奈科技、道氏技术等多家知名企业介入碳纳米管业务，且每年能实现数亿的利润。

目前，国内的碳纳米管生厂商基本选择丙烯作为碳源，流化床作为生产设备的技术路线。丙烯是特种低温石化化学品，其供应商较少，长途运输成本很高。而且，丙烯的采购和使用有严格的监管要求。

新建一个类似的大型碳纳米管生产工厂，投资资金动则几个亿，门槛较高。高昂的投资资金门槛，挡住了很多想介入碳纳米管和新能源碳材料行业的投资者。

有鉴于此，赵社涛团队在二十多年碳纳米管研发和生产经验的基础上，坐冷板凳持续钻研，终于开发出了一种适用于中小型企业，能大幅度降低投资门槛的天然气生产碳纳米管新技术。该技术，以天然气或纯甲烷为原料，在较高的催化剂倍率下，生产出符合锂电池工厂要求的碳纳米管。只有较高的催化剂倍率，才能控制住天然气生产碳纳米管的生产成本。天然气是一种容易获取的工业原料，广泛分布于国内各个城市。而且天然气，直接连接管道就可以使用，不需要运输和储存装置。不像丙烯是危险的特种石化化学品，需要储存装置和设施。天然气的吨使用成本，也远小于远距离运输到工厂的丙烯吨成本。

该技术以天然气为原料能生产出符合锂电池大型工厂要求的，平均管径10nm-20nm碳纳米管，碳纳米管一次纯度能达到90%—96.5%。

相比目前主流工厂采用的丙烯+流化床工艺生产的碳纳米管，赵社涛团队新开发的天然气生产碳纳米管新技术，具有较高的催化剂倍率和较低的天然气原料吨成本，从而具有更低的生产成本优势。

而且，该技术还能和移动床生产设备兼容。众所周知，移动床的设备投资成本远小于流化床，操作难度也远小于流化床。移动床设备的交货周期，安装周期也比流化床生产设备大大缩短。使用赵社涛团队突破的天然气生产碳纳米管新技术，结合移动床设备，就能让广大中小企业，大幅度降低投资门槛的入局，介入碳纳米管和新能源材料产业，还能获得更低的生产成本竞争优势。

赢纳公司的新技术，以天然气为原料，联合生产氢气和碳纳米管的优势在于：

1、原料供应优势

天然气国内到处都有供应，不像丙烯需要压力容器储存。天然气接根管道就可以使用，更简单，更方便，更安全。

2、原料价格优势

天然气的价格远低于丙烯拉到工厂的价格。

3、碳纳米管生产成本优势。

相比目前主流工厂采用的丙烯+流化床工艺生产的碳纳米管，赢纳公司新开发的天然气生产碳纳米管新技术，具有较高的催化剂倍率和较低的天然气原料吨成本，从而具有更低的生产成本优势。对比丙烯工艺，能大大降低生产成本。

4、投资成本优势。

该技术还能和移动床生产设备兼容。众所周知，移动床的设备投资成本远小于流化床，操作难度也远小于流化床。能降低工厂的设备投资成本。

移动床设备的交货周期，安装周期也比流化床生产设备大大缩短。

5、同时能产出大量的绿色环保无污染的氢气，氢气等于是免费白送的。

赢纳公司能为绿氢行业做什么？