《氢燃料的生产》由会员分享，可在线阅读，更多相关《氢燃料的生产（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、氢能源开发及利用三13 氢燃料的制取和储存氢能燃料电池车的研发，是目前国内外氢能开发利用的重要内容。正如前述，它涉及到氢 燃料的制取、贮运、燃料电池的研发以及燃料电池车的研发、推广和普及。下面我们将把这些问题逐一开放争辩。3.1 氢燃料的大规模制取氢能燃料电池车研发的首要问题，是解决氢源。其中的关键，一是如何廉价制氢；二是如何低本钱贮氢。本文前面已经简洁介绍过现今主要的制氢、贮氢方法。这里将较深化探讨一下第一个问题。我们关注的是氢能大规模制取方法，亦即工业化、商品化的生产方法。传统的工业制氢主 要利用化石燃料来制氢；还广泛承受电解水制氢方法。近年来，随着对大规模制氢需求的提高，以及科技的进展，
2、一些环保的、低本钱的、新型的制氢方法，例如，生物制氢、热化学制氢、太阳光催化光解制氢等方法应运而生。它们将渐渐成为大规模制氢方法的主流。3.1.1 煤、焦炭汽化制氢我国是世界煤储量、产煤量最多的国家，因此利用煤做原料来制氢，占我国全部制氢产量 的 2/3 以上。用煤制氢的第一步，首先生成焦炉煤气、水煤气、半水煤气等一氧化碳和水的合成气；其次步，承受变压吸取法简称psA 法、膜法分别法等，把一氧化碳和水的合成气转化为二氧化碳和氢气。亦即实现：CO + H2O - CO2 + H2此法就可以制取纯度大于 99%的氢气。3.1.2 自然气、石油转化制氢由自然气及石油产品转化制氢的原理，同用煤、焦碳汽
3、化制氢是一个道理，只是第一步不一样，自然气、石油产品也要生成一氧化碳同水的合成气，然后通过psA 法或膜法分别法转化为二氧化碳和氢气，从而制取高纯度氢气。上述的煤、焦炭汽化和自然气转化制氢的技术经济性，主要取决于生产规模、转化炉的类型及整个系统热利用状况等因素。目前商品化的自然气、煤制汽和变压吸附法联合制取纯氢气纯度大于 99%以上的装置的生产力量可达每小时数十万立方米。煤、焦炭制氢或自然气制氢往往要走综合利用的道路。把煤层气或自然气制氢同化工产品， 例如甲醇、醋酸、化肥等生产结合起来。上海焦化厂就是典型的既生产化工产品又生产氢产 品的综合性企业。3.1.3 利用工业生产含氢尾气制氢（1） 合
4、成氨生产尾气制氢在合成氨的生产过程中，含氢尾气的回收利用制氢应用广泛。制造合成氨的合成气中含有 少量甲烷不参与合成反响，而且会在生产过程中渐渐积存，因此必需加以排解，与此同时也会把有效气体一起排放。合成氨的排放气压力=5.0MP，排放气的化学成分组成如下：氢H2占 5065%、氮N2占 1520%、氩Ar占 34.5%、NH3 99%的纯氢可达 120 亿 Nm3，相当是十几万辆氢燃料电池公交车的燃料。（2） 炼油厂回收富氢气体制氢炼油厂石油加工过程中有多种副产富氢气体。例如，在催化重整过程中，烃类发生转移反 应，副产大量的富氢气体含氢量高达80%；在加氢精制、加气裂化反响、渣油催化裂化等过程
5、中均有排放气、副产富氢气体产生。承受膜法分别装置或psA 提氢装置，就可使这些富氢气体得到回收利用。现在一套 psA 提氢装置的处理力量可达 50000Nm3/h，因此炼油厂利用富氢回收制氢产量相当可观。不过冻油厂本身就是用氢大户，所以这种副产富氢回收应用， 也是炼油厂循环经济的重要组成局部。（3） 氯碱厂回收副产氢制氢氯碱厂以食盐水NaCl为原料，承受离子膜或石棉隔膜电解槽生产烧碱NaOH和氯气Cl2，同时可得到副产品氢气。把这类氢气再去掉杂质，可制得纯氢。我国很多氯碱厂都承受psA 提氢装置处理，可获得高纯度氢气氢纯度可达 99%99.999%，供各行各业使用。我国现在氯碱厂生产力量约为
6、550 万吨/年，以每生产 1 吨烧碱，可得副产氢 270Nm3 计算， 每年可制得 14 亿 Nm3 氢气。（4） 焦炉煤气中氢的回收利用焦炭生产过程中，可获得焦炉煤气，其氢的含量约为5060%。可以变压吸附法psA 法 提取纯氢。绝大多数钢铁企业和焦化厂都生产焦炭。生产 1 吨焦炭，可获得 400Nm3 焦炉煤气， 假设用 psA 法可提取纯氢 240Nm3。我国焦炉煤气年产量约为 220 亿立方米，可从焦炉煤气中提取纯氢 130 多亿立方米。综上所述，利用化石燃料制氢是现在工业制氢的主要途径。而且在很多场合是石化、钢铁、焦化工业的重要副产品。它们目前还经常以循环经济的形式消灭，作为这些企
7、业的重要化工原料或燃料。3.1.4 电解水制氢上述的几种方法都是利用化石燃料制氢。至于电解水制氢是传统的制氢方法，在技术上是 格外成熟的一种方法。制氢原理相当简洁，由浸没在电解液中的一对电极，以及中间隔一层 防止氢气渗透的隔膜，构成水电解室。电解液一般是含有 30%左右氢氧化钾KOH的溶液， 当接通直流电后，水就分解为氢气和氧气。水电解制氢，技术成熟、设备简洁、运行牢靠、治理便利、不产生污染、可制得氢气纯度高、杂质含量少，适用于各种应用场合。唯一缺点是耗能大，制氢本钱高。目前商品化的水 电解制氢装置的操作压力为 0.83.0MPa，操作温度为 8090 篊，制氢纯度可达 99.7%，制氧纯度达
8、 99.5%。水电解制氢的关键是如何降低电解过程中的能耗，提高能源转换效率。电解水制氢一般都以强碱、 强酸或含氢盐溶液作为电解液。 目前商用电解槽法， 能耗水平约为4.55.5KWh/Nm3.H2，这个数据说明承受此法的制氢本钱实在偏大了。据报导，用电解法生产气态氢的价格比汽油约高 65%，至于生产液态氢的价格，更比汽油高260%以上。可见，这对于大规模商业化制氢是不适宜的。目前国际上很多有名企业都在科技创新，以降低这个能耗。 例如，日本最新研发的水电解制氢试验装置，已把能耗水平降到低于 3.8KWh/Nm3.H2。又如美国 GE 公司最新开发一种固体高分子电解质SPE水解法，以离子交换膜作为
9、隔膜和电解质，使电解过程的能耗更大大降低。在我国充分利用可再生资源水力和风力发电来电解水制氢，具有重大的现实意义。我国中、西部地区水力资源格外丰富，经多年进展，我国已拥有水电资源 3.78 亿千瓦，年发电量到达 2800 亿千瓦时，除了供电我国中、西部省份外，还实施“西电东送”工程以提高水电利用率，但每年由于丰水期和调峰需要，仍有大量弃水损失发电量。例如，三峡电站建成后， 在每年的58 月弃水电能高达45 亿KWh，即使建立一座180 万千瓦的抽水蓄能电站联合运行，三峡电站的弃水电能仍有 21 亿 KWh。假设将此电能用于电解水制氢，可生产氢气 44.5 亿 Nm3， 可见利用水电站的弃水电能
10、来制氢，将会使我国消灭一个巨大的氢源基地。我国的风力资源也极丰富，可利用风能约 2.53 亿KWh，相当水力资源的 2/3，居世界第三位。近年来，我国风能利用技术进展快速，目前风能发电的装机力量已达数十亿 KWh。但风力发电量是随风力变化而变化的，而风力又是随机变动的，因此很难用电网调度来实现电荷匹配，唯一方法就是实行储电的方法。假设利用氢能燃料电池来储电，那么可解决风能发电的平衡问题 利用风能发电的电能来电解水制氢，它成为氢能燃料电池的燃料，而燃料电池又用来储电。这个循环过程，既可解决风能发电的负荷平衡，又可制得肯定数量的氢能。综上所述，电解水制氢虽是一种传统方法，但是同可再生的水力、风力发
11、电结合起来，特别是在利用弃水电能和承受氢能燃料电池储电系统方面，既可获得巨大的氢源，又可提高水电、风电的利用效率，电解水制氢成为新能源建立中的一种重要的解决方案。3.1.5 生物制氢生物制氢是通过高效产氢细菌的作用，把自然界存在于有机化合物碳水化合物、蛋白质等的能量转化为氢气。也就是利用产氢微生物制氢。能够产氢的微生物分为两类：一类是光合厌氧型产氢细菌、另一类是厌氧型产氢细菌。前 一类又称光合菌，它是利用有机酸经过光照之后产生氢气和二氧化碳。后一类又称厌氧菌， 它是利用碳水化合物单糖、二糖或多糖等、蛋白质等发酵，产生氢气、二氧化碳和有机酸， 其中有机酸还可利用光合菌在光照下产生氢气和二氧化碳。
12、通过微生物制取的氢和二氧化碳气体，再经过变压吸附法psA 法提氢装置加以分别， 就可以制得纯度高于 99%的纯氢。各种以粮食类加工的食品厂、酒精厂、啤酒厂、味精厂等的生产过程中排放的高浓度的COD 废水处理过程中，既可将高浓度有机废水处理后达标后排放，又可制取氢气。处理1 吨高浓度的COD 废水，可制取 58Nm3 氢气。仅以啤酒厂为例，我国的啤酒产量约为 2000 万吨/ 年，假设将这些啤酒厂的高浓度废水利用产氢细菌进展生物处理，每年可制得几亿立方米氢气。 假设还将其他酒精厂、味精厂等的高浓度废水都进展生物处理，所能制得的氢气就格外可观了。目前还正在开发对农作物废弃的植物桔杆以及海藻等的发酵
13、液的微生物制氢工艺，假设获得成功，这又将是一个格外巨大的氢源。3.1.6 热化学制氢所谓热化学制氢是指在肯定温度条件下，直接利用热使水通过肯定的化学反响过程进展分解来制取氢气。直接用热使水分解是格外困难的，热化学法那么是借助于简单的化学反响过程，通过某些装置把热能转化为化学能，制取氢气。这与水的电解法制氢不同，水的电解法制氢是先要把热能转化为电能，再由电能转化为化学能，制取氢气。明显后者要求能量转换屡次，效率相对前者要低得多。因此，热化学法一消灭就受到业界广泛关注，但目前尚处于试验阶段。3.1.7 太阳光催化分解水制氢前面已经提到，利用太阳能制氢是将来获得氢能的根本途径。例如，利用太阳能热，可以通过热化学方法分解水来制取氢能；利用太阳热或太阳光发电，可以通过电分解水来制取氢能；利用太阳光，可以通过产氢微生物对有机物的作用来制取氢能等等。这里还要介绍一种利用太阳光催化作用来分解水来制取氢气的方法。在太阳光作用下，当有光催化剂存在时，可以使水分解为氢气和氧气。此法的关键在于具有有用价值的光催化剂。这种光催化剂应能在相当宽的光谱范围内，具有吸取光的力量和光合再生性能。目前各国科技界都正在研发这种光催化剂，正取得明显的进展，也是我国国家根底争辩方案中的重要课题。
