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1、向文国向文国能源与环境学院能源与环境学院1. 1. 氢是什么？氢是什么？氢原子最氢原子最轻的元素轻的元素，是，是宇宙中含量最多的宇宙中含量最多的元素元素符号符号： H H；电子排布电子排布： 1s11s1原子序数原子序数： 1 1含1个质子，不含中子熔点熔点： - -259.1 259.1 ；沸点沸点：252.879252.879 发现时间发现时间： 1766 1766 年；年；发现者发现者： 亨利亨利卡文迪什卡文迪什原子质量原子质量： 1.00794 1.00794 0.00001 0.00001 u u热容热容：28.836 Jmol1K1热导率热导率：0.1805 Wm1K1密度：密度：
2、(0 , 01.325 kPa) 0.08988 g/L常温常压下，氢气是一种极易燃烧，无色常温常压下，氢气是一种极易燃烧，无色 透明、无臭无味的气体透明、无臭无味的气体氢气燃烧生成水氢气燃烧生成水(H(H2 2+O+O2 2HH2 2O)O)，拉瓦锡根，拉瓦锡根 据这一性质将该元素命名为据这一性质将该元素命名为 “hydrogen”hydrogen”氢气在空气中的体积分数为氢气在空气中的体积分数为4%4%至至75%75%时都时都 能燃烧。氢气燃烧的焓变为能燃烧。氢气燃烧的焓变为 286 kJ/mol:286 kJ/mol:2 H2 H2 2(g) + O(g) + O2 2(g) 2 H(g
3、) 2 H2 2O(l); H = O(l); H = - -572 kJ/mol 572 kJ/mol 氢气的着火点为氢气的着火点为500 500 ，纯净的氢气与氧气，纯净的氢气与氧气 的混合物燃烧时放出紫外线的混合物燃烧时放出紫外线地球上极稀少的游离状态氢，地球上极稀少的游离状态氢， 在地壳里，如果按质量计算，在地壳里，如果按质量计算， 氢只占总质量的氢只占总质量的1%1%，而如果，而如果 按原子百分数计算，则占按原子百分数计算，则占17%17%。自然界中分布很广，以重量百自然界中分布很广，以重量百 分比计算，水中含分比计算，水中含11%11%的氢；的氢； 泥土中约有泥土中约有1.5%1.
4、5%的氢；石油、的氢；石油、 天然气、动植物体也含氢。天然气、动植物体也含氢。宇宙中，按原子百分数，氢最宇宙中，按原子百分数，氢最 多。在太阳大气中，按原子百多。在太阳大气中，按原子百 分数计算，氢占分数计算，氢占93%93%。在宇宙空间中，氢原子的数目在宇宙空间中，氢原子的数目 比其他所有元素原子的总和约比其他所有元素原子的总和约 大大100100倍。倍。在三角座星系的在三角座星系的NGC 604NGC 604是是 一个巨大质量的电离氢区一个巨大质量的电离氢区来源：http:/zh.wikipedia.org/wiki/氢氢是一种清洁能源载体氢是一种清洁能源载体燃烧放热，产物是水，不产生污染
5、，可燃烧放热，产物是水，不产生污染，可 以作为能量储存以作为能量储存自然界单质稀少，属于二次能源自然界单质稀少，属于二次能源氢气是质量能量密度极高，汽油的氢气是质量能量密度极高，汽油的3 3倍倍 ， 酒精的酒精的3.93.9倍，焦炭的倍，焦炭的4.54.5倍倍水是氢的来源，氢能是取之不尽用之不水是氢的来源，氢能是取之不尽用之不 竭的洁净能源竭的洁净能源二氧化碳二氧化碳- -Greenhouse Gas Greenhouse Gas 零排放零排放回顾人类使用能源的历程回顾人类使用能源的历程传统能源对人类社会文明的贡献：传统能源对人类社会文明的贡献：木材，原始社会，造就了农耕文明木材，原始社会，造
6、就了农耕文明煤炭，煤炭，17571757年，工业革命（蒸汽机），造就了工业文年，工业革命（蒸汽机），造就了工业文 明明石油、常规天然气，石油、常规天然气，18951895年，造就了现代文明年，造就了现代文明隐含脱碳的进化：隐含脱碳的进化：H/C H/C 木材木材= =1:101:31:101:3，煤，煤1:21:2， 石油石油2:12:1，天然气，天然气4:14:1；人类社会的进步，是逐步由高碳（煤炭）、中人类社会的进步，是逐步由高碳（煤炭）、中 碳（石油）到低碳（天然气）碳（石油）到低碳（天然气） ，再到无碳（氢，再到无碳（氢 气）的过程，即气）的过程，即朝高氢利用方向朝高氢利用方向2. 2
7、. 未来氢能构想未来氢能构想 过渡到氢能经济时代的话，需要考虑：过渡到氢能经济时代的话，需要考虑：制氢制氢运输运输储存储存能量转换能量转换能量使用能量使用有关制氢的问题有关制氢的问题氢元素丰富，但是作为单质氢存在很少氢元素丰富，但是作为单质氢存在很少作为化合物以水的形式存在或富存于化石能源中，作为化合物以水的形式存在或富存于化石能源中， 需要制备需要制备化石能源制备过程会产生污染以及排放温室气体化石能源制备过程会产生污染以及排放温室气体电解水需要消耗高级电能电解水需要消耗高级电能技术方面技术方面如何获取氢能源如何获取氢能源如何运输如何运输如何存储如何存储怎么使用怎么使用3. 3. 制氢制氢现有
8、制氢技术现有制氢技术现有现状（美国）现有现状（美国）4848% natural gas% natural gas30% oil30% oil18% coal18% coal4% electrolysis4% electrolysis全球需量全球需量50 50 million million tonnestonnes / yr/ yrGrowing 10% / yrGrowing 10% / yrUS US 产量产量11 million 11 million tonnestonnes / yr/ yrNatural Gas 48%Oil 30%Coal 18%Electrolysis 4%来源：
9、http:/en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_economy中国：中国：80% H80% H2 2用于合成氨用于合成氨6262- -65%65%来自于煤、焦炭，来自于煤、焦炭，1212- -16%16%来自于轻来自于轻 油、重油，油、重油，1818- -23%23%来自于天然气来自于天然气以消耗化石能源为代价，但仍将持续一段以消耗化石能源为代价，但仍将持续一段 时间时间，直到直到新技术新技术成熟成熟制氢方法制氢方法化石能源重整化石能源重整重整重整 CO+HCO+H2 2气化气化 CO+HCO+H2 2水解水解电解水制电解水制 O O2 2和和 H H2 2高温水解高
10、温水解研究试验阶段研究试验阶段生物自制备生物自制备气化气化实验室小规模试验实验室小规模试验Partial OxidationSteam ReformingElectrolysisThermochemicalFossil FuelsWaterBiomassBiomass GasificationMicrobialCoal Gasification化石能源制氢：甲烷蒸汽重整化石能源制氢：甲烷蒸汽重整来自碳氢化合物来自碳氢化合物天然气，低碳碳氢化合物天然气，低碳碳氢化合物Water Water (steam) (steam) + hydrocarbon + hydrocarbon 在高温在高温 (
11、(700700900 )900 )下混合下混合Steam (HSteam (H2 2O) O) 与与methane methane (CH(CH4 4) ) 反应反应CHCH4 4+ + H H2 2O O CO + 3 H CO + 3 H2 2- - 191.7 kJ/mol 191.7 kJ/mol 高温、催化剂高温、催化剂Catalysts: Ni, or Au-Ni水煤气变化反应水煤气变化反应water gas shift reactionwater gas shift reaction进一步将进一步将COCO转化为转化为H H2 2放热反应，温度低放热反应，温度低(400) (40
12、0) water gas shift water gas shift reactionreactionCO + HCO + H2 2O COO CO2 2+ H+ H2 2+ 40.4 kJ/mol + 40.4 kJ/mol 工业上一般分两步走工业上一般分两步走高温变换高温变换HTHT- -WGSWGS，温度，温度350350低温变换低温变换LTLT- -WGSWGS，温度，温度200200催化剂催化剂PSAHTHTLTLT变压吸附变压吸附 Pressure Pressure S Swing wing A Adsorptiondsorption（PSAPSA）化石能源化石能源- -煤气化（煤
13、气化（GasificationGasification）制氢）制氢煤的主要成分煤的主要成分C C，H H，O O，S S，N N，（元素分析）（元素分析）灰分，水分，挥发分，固定碳灰分，水分，挥发分，固定碳 （工业分析）（工业分析）煤煤+ + 氧气氧气 + + 水蒸气高温水煤气反应水蒸气高温水煤气反应C Cn nH Hm mO + HO + H2 2O +OO +O2 2 CO CO2 2+ H+ H2 2+ CO+ COS S H H2 2S or COSS or COSN N NHNH3 3吸热反应吸热反应高温，需要消耗氧气，电耗高高温，需要消耗氧气，电耗高可以是空气，但是可以是空气，但是
14、fluidised bed gasifier fluidised bed gasifier 流化床流化床fixed bed gasifier fixed bed gasifier 固定床固定床entrained flow gasifier entrained flow gasifier 气流床气流床煤气除尘，除尘技术煤气除尘，除尘技术高温除尘高温除尘降温，中温除尘降温，中温除尘洗涤洗涤煤气脱硫技术煤气脱硫技术H H2 2S or COS + HS or COS + H2 2O O H H2 2S+COS+CO2 2CLAUSCLAUS工艺（吸收工艺（吸收- -解析法分离解析法分离H H2 2S
15、 S后）后）ZnOZnO（200200- -400400）2 H2 H2 2S + 3 OS + 3 O2 2 2 SO 2 SO2 2+ 2 H+ 2 H2 2O O (H(H = = - -4147.2 kJ mol4147.2 kJ mol- -1 1) )2 H2 H2 2S + SOS + SO2 2 3 S + 2 H 3 S + 2 H2 2O O(H(H = = - -1165.6 kJ mol1165.6 kJ mol- -1 1) )partially oxidized with airpartially oxidized with airCatalytic StepCatalytic Step （Thermal Step)Thermal Step)CLAUSCLAUS工艺工艺 Claus ProcessClaus Process再生过程的目的：再生过程的目的： 将将ZnSZnS和和NiSNiS氧化至氧化至ZnOZnO和和NiONiO 回收回收S S，SOSO2 2可转化为可转化为 H H2 2SOSO4 4 燃烧积碳燃烧积碳NiO/ZnO NiS/ZnS ZnOZnO法脱硫法脱硫世界上最大的制氢装置（神华鄂尔多斯煤世界上最大的制氢装置（神华鄂尔多斯煤 制油）制油）制氢能力制氢能力2*3132*313吨吨
