氢经济与氢能源

《氢经济与氢能源》由会员分享，可在线阅读，更多相关《氢经济与氢能源（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 氢能与氢经济0802032080205209江海沨目录氢的生产氢的贮存和运输氢经济氢的生产一、一次能源转换制氢二、电解水制氢三、含氢物质分解制氢四、太阳能制氢五、生物制氢六、硼氢化钠制氢新技术一次能源转换氢 定义：该方法主要是以化石能源(煤、天然气 、石油) 为原料与水蒸气在高温下发生转化 反应来制取氢气。也就是化石能源中的碳转 化为一氧化碳的同时, 水转变成氢气, 所以 由化石能源转化制氢的过程伴随有很大的能 量损失, 还要排放大量的一氧化碳。一次能源转换制氢 分类： 1煤气化制氢技术 是指煤与气化剂(水蒸气或氧气) 在一定的温度和压力等条件下发生化学反应 而转化为煤气的工业化过程, 且一

2、般是指煤的完全气化, 即将煤中的有机质最 大限度地转变有用的气态产品(主要成分为一氧化碳) , 而气化后的残留物只 有灰渣。然后一氧化碳经过变换、分离和提纯处理获得一定纯度的产品氢。 2天然气水蒸气重整制氢 其主要工艺为:天然气经过压缩, 送至转化炉的对流段预热, 经脱硫处理后与 水蒸气混合, 进入转化炉加热后进入反应炉, 在催化剂的作用下, 发生蒸气转 化反应以及一氧化碳变换反应, 出口混合气含氢量约为70 %,经过提纯可以得 到不同纯度的氢气产品。 3甲醇裂解制氢 其主要工艺为: 甲醇和水的混合液经过预热、气化后, 进入转化反应器, 在催 化剂作用下, 同时发生甲醇的催化裂解反应和一氧化碳

3、的变换反应, 生成约75 %的氢气和25 %的二氧化碳以及少量杂质。该混合气经过提纯净化, 可以得到 纯度为9815 % 9919 %的氢气。该法的原料易得且储运方便, 受地域限制较 少, 适于中小制氢用户使用。电解水制氢 原理：当两个电极分别通上直流 电, 并且浸入水中时, 在直流电的 作用下, 水分子分解为氢离子和氢 氧根离子, 在阳极氢氧根离子失去 电子产生氧气, 在阴极氢离子得到 电子产生氢气。电解水制氢优点：解水制氢的效率较高, 且工艺成熟； 设备简单, 操作简便；制得的氢气纯度高,；制氢过程不产生二氧化碳, 无污染 缺点：耗电量较大, 一般氢气电耗为415515 kW/m3 随着电

4、解水工艺、设备的不断改进(例如开发采 用固体高分子离子交换膜为电解质, 选用具有 良好催化活性的电极材料, 在电解工艺上采用 高温高压参数以利于反应进行等) , 水电解制 氢技术将会有更好的应用和发展。其它含氢物质制氢 分类：氨分解制氢硫化氢分解制氢化工副产物氢气回收氨分解制氢 定义: 氨气在催化剂存在和高温条件下可以分解为氮 气和氢气, 氨气分解制氢所用的催化剂一般为 镍或铁工艺: 液氨经预热、蒸发变为气氨, 在800高温下催 化分解为氢气和氨气, 经过气体分离与提纯得 到高纯氢气。此外, 肼由于其分子式及性质均 与氨气类似, 也可以利用相同的原理进行分解 转化制氢。硫化氢分解制氢研究概况：

5、国外多次报道由硫化氢分解制氢 技术,我国有丰富的硫化氢资源, 自20世纪90 年代就有多家单位开展了这方面的研究。如 石油大学的“间接电解法双反应系统制取氢气 与硫磺的研究”取得了较大进展, 还有中国科 学院感光研究所等单位进行的“多相光催化分 解硫化氢的研究”及“微波等离子体分解硫化氢 制氢的研究”等, 都为今后充分合理利用宝贵 资源, 提供清洁能源及化工原料奠定了基础。化工副产物氢气回收 定义：利用含氢工业尾气或过程气生产高纯氢气的方法 。此外, 多种化工过程如电解食盐制碱工业、发酵制酒工 艺、合成氨化肥工业、石油炼制工业等均有大量副产氢 气, 如能采取适当的措施进行氢气的分离回收, 每年

6、可 以得到数亿立方米的氢气, 这将是一笔不容忽视的资源 , 应设法加以回收利用。太阳能制氢 分类： 1、利用光伏系统(太阳能光伏电池) 将太阳能转化为电能, 再通过 电解槽电解水制氢。2、利用太阳能转化的热能进行热化学反应循环制氢 利用太阳能的热化学反应循环制氢就是利用聚焦型太阳能集热器将太阳能聚集起来产生高 温, 推动由水为原料的热化学反应来制取氢气的过程。3、太阳能直接光催化制氢 由于地球水资源和太阳能的丰富性, 该方法是最具吸引力的制氢途径。它通过半导体电极 所组成的电化学电解槽利用光解水的方法把光能转化成氢气和氧气。但该法的光电转化效 率较低只有20 %30 %, 其中研制高效的可见光

7、催化剂和构建稳定的光催化反应体系是急 需解决的两大问题。太阳能制氢技术相对于电解水制氢成本低, 能耗少, 反应温和可实现 工低温与特气业化, 但作为热源获得的太阳能热聚焦装置的造价高, 效率较低, 反应物和 最终产物的分离有一定的难度, 且有的对容器、管道等设备有一定的腐蚀。生物制氢 生物制氢技术作为一种符合可持续发展战略的课题, 已在世界上引起了广泛 的重视。生物制氢技术主要可以分为两类: 1、利用微生物自身的生理作用, 在一定的环境条件下, 通过新陈代谢获得 氢气。根据生物制氢技术所用产氢微生物的不同, 可分为光合细菌制氢、藻 类制氢和发酵细菌制氢。 2、生物质热化学转化制氢指通过热化学方

8、式将生物质转化为富含氢气的可燃气, 然后通过气体分离 得到纯氢。虽然生物制氢是利用可再生能源生物质制取氢气, 但由于其技术 不够成熟, 其产氢纯度和速率都比较低。生物制氢技术工艺流程和设备比较简单, 可借鉴煤化工中的许多工程经验, 适合于大规模连续生产, 充分利用氧化产生的热量,使生物质裂解并分解一 定量的水蒸气, 能源转化效率高, 但其制氢副产物煤焦油等有一定的污染, 当氢气为气化剂时, 还会增加氢气提纯的难度。硼氢化钠催化水解制氢 原理：在催化剂作用下, 硼氢化钠在强碱性水溶液中可水解产生氢 气和水溶性亚硼酸钠。反应如下:NaBH4 + 2H2O4H2 +NaBO2优点： 1、硼氢化钠是一

9、种环境友好的物质, 整个催化发生氢气与使用过程 不排放含碳和含氮的有害气体; 2、与其它储氢方式相比, 液态储氢燃料的储氢量高, 可达到金属氢 化物储氢的10 倍; 3、 储存、使用安全, 运载方便; 4、氢气纯度高, 不会造成燃料电池电极催化剂的毒化; 5、能源利用率高, 反应过程中不需要外加能量就可以把硼氢化钠及 一部分水中的氢气释放出来; 6、直至氢气全部放出为止, 反应速度几乎保持不变。催化剂在使用 可以通过常规方法回收, 循环利用。氢的输送与贮存氢气的输送和储存所需技术，基本上与 输送和储存天然气（甲烷）的技术大致 相同，氢气可以象天然气一样通过管道 输送。目前工业上所用的储氢技术大

10、致 有4种。 1加压气态储存 2深冷液化储存 3金属氢化物储氢 4非金属氢化储存加压气态储存 氢气可以象天然气一样用高压钢瓶 储运，但是容积40升的钢瓶在15MPa 下只能装半公斤氢气，不到装载器 重量的2%。运输成本太高，此外还 有氢气压缩的能耗和相应的安全问 题。深冷液化储存 液氢可以作为氢的储存状态。它是通过高压氢气绝热膨胀而生成 。液氢沸点仅20.38K，气化焓仅0.91kJmol-1，因此稍有热量 从外界渗入容器，即可快速沸腾而损失。短时间储存液氢的贮槽 是敞口的，允许有少量蒸发以保持低温。较长时间储存液氢则需 用真空绝缘贮槽。 液氢和液化天然气在极大的储罐中储存时都存在热分层问题。

11、即 储罐底部液体承受来自上部的压力而使沸点略高于上部，上部液 氢由于少量挥发而始终保持极低温度。静置后，液体形成下“热 ”上冷的两层。上层因冷而密度大，蒸气压因而也低，而底层略 热而密度小，蒸气压也高。显然这是一个不稳定状态，稍有扰动 ，上下两层就会翻动，如略热而蒸气压较高的底层翻到上部，就 会发生液氢爆沸，产生大体积氢气，使储罐爆破。为防止事故的 发生，较大的储罐都备有缓慢的搅拌装置以阻止热分层。较小储 罐则加入约1%体积的铝刨花，加强上下的热传导。金属氢化物储氢近年来，发展了一种以金属与氢反应生成金属氢 化物而将氢储存和固定的技术，它们在一定温度 和压强下会大量吸收氢而生成金属氢化物。而反

12、 应又有很好的可逆性，适当改变温度和压强即可 发生逆反应，释放出氢气，且释氢速率较大。非金属氢化储存 由于氢的化学性质活泼，它能与许多非金属元素或化 合物作用，生成各种含氢化合物，可作为人造燃料或 氢能的储存材料。 氢可与CO催化反应生成烃和醇，这些反应释放热量 和体积收缩，加压和低温有利于反应的进行。在高性 能催化剂作用下完成反应的压强逐渐降低，从而降低 了成本。氢与一些不饱和烃加成生成含氢更多的烃， 将氢寄存其中。例如，C7H14为液体燃料，加热又可 释放出氢，因此也可视为液体储氢材料。 氢可与氮生成氮的含氢化合物氨、肼等，它们既是人 造燃料，也是氢的寄存化合物。或可以硼和硅的氢化 物储氢

13、，有些硼氢化合物还可通过分解释放出氢气。氢经济定义：氢经济即是利用氢气经过化学反应后所产生的能量，它不但不会产生废气污 染环境，而且也可以储存能量。氢是一种洁净能源，可通过储氢材料在常温下高效储存，通过管道输送，其危 险性并不比天然气更大。当石油、煤和天然气等化石能源殆尽或开采成本太高时 可以利用电解电池，将太阳能、风能、水的位能等可再生能源通过电解法制氢、 储存或经短途运输，再利用燃料电池发电应用，如能加强对储氢材料、氢的电解制 取和燃料电池的开发力度，大幅度降低其成本，这一合理的氢经济结构的实现，或 将为时不远。 氢经济的目标是取代现有的石油经济体系，并达到环保目标，但是诸多技术瓶 颈导致

14、“先有鸡、先有蛋”的循环难题，很多氢设备要大量使用才有成本效益，但 是不先装设这些天价设备；则根本无法吸引人使用，更不会有相关产业，如何过渡 到氢时代是氢经济的研究课题。 氢经济前景在未来几个月内，您将会听到越来越多关于氢经济的新 闻，因为利用氢的呼声日渐高涨。矿物燃料经济所造成的 环境问题，再加上燃料电池技术方面的突破，将推动我们 迈出走向氢经济的第一步。我们将看到的最明显的进步是 燃料电池汽车的市场化。尽管它们最初是由汽油和重整器 提供动力，但是相对于内燃机而言，燃料电池有两个重大 改进： 效率大约提高了一倍。 可以大大减少空气污染。 由于具有上述优势，用汽油提供动力的燃料电池汽车将 是一种绝佳的过渡性产品。 实现纯粹的氢经济任重而道远 。发电厂必须改用可再生能源，而市场必须就如何储存和 运输氢达成一致。这些障碍可能使向氢经济的转变成为一 个相当漫长的过程。