内容发布更新时间 : 2024/12/25 1:29:43星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

1概述

氢能是一种二次能源，最丰富的含氢物质是水H2O，其次就是各种矿物燃料（煤、石油、天然气）及各种生物质等。各种矿物燃料制氢，因其制氢成本较其它物质制氢成本低，是目前制氢的最主要方法。但矿物燃料储量有限，且制氢过程会对环境造成污染。从长远看以水为原料制取氢气是最有前途的方法，原料取之不尽，而且氢燃烧放出能量后又生成产物水，不造成环境污染。

以煤为燃料制气生产合成氨、甲醇等化工产品及生活煤气时，造气炉多以氧作为辅助气化剂。氧气靠空分装置分离空气得到。电解水制氢气、氧气，氧气供造气炉用，氢气作为合成气使用。此流程能使氢、氧得到很好的使用。

2电解水制氢、氧

水分解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。水为原料制氢过程是氢与氧燃烧生成水的逆过程，因此只要提供一定形式一定的能量，则可使水分解。以水为原料制氢主要有：1热化学循环法、2光化学法、3电解法、4高温水热裂法制氢等。热化学循环法制氢是利用太阳能或高温气冷堆原子能电站的热能，使反应不断循环进行，达到连续制氢的目的。光化学制氢是以水为原料，光催化分解制取氢气的方法。光催化过程是指含有催化剂的反应体系，在光照下由于有催化剂存在，促使水解制得氢气。水电解制氢是一种

较为方便的方法。在充满电解质的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。高温水热裂法制氢：将水蒸汽加热300K以上，使水分子热裂，直接分解成氢气和氧气。水电解制氢是目前工业化制氢、氧所采用的最广泛的方法。

电解水制氢，关键是耗能问题。以电能换氢能，成本很高。日本开发了高温加压法，将电解水的效率提高到75%；美国建成一种SPE工业装置，能量效率达90%；我国研制了双反应器制氢工艺。先进的PEM电解工艺，是一种可逆的电／氢转换装置，是燃料电池和产氢的电解槽的统一，总转换效率可达95%。电解水制氢的电耗一般为4.5～5.5kwh/m3。正在开发的新工艺有: 固体电解质电解水制氢，可简化流程，提高制氢效率和降低能耗；高温水蒸汽电解工艺，电耗可降低到3kwh/ m3。

电解水制氢气的投资成本与其规模成正比，大型碱电池制氢系统的单位投资成本一般为400-600美兀/kW, 电解水的规模可以大到11万千瓦。

目前市场上的电解槽可以分为三种: (1)碱性电解槽(2) 质子交换膜电解槽(3)固体氧化物电解槽。碱性电解槽是最早商业化的电解槽技术, 虽然其效率是三种电解槽中最低的, 但由于价格低廉, 目前仍然被广泛使用, 尤其是在大规模制氢工业中。碱性电解槽的缺点是效率较低和使用石棉作为隔膜. 石棉具有致癌性, 很多国家已经提出要禁止石棉。碱性电解槽中的使用。质子交换膜电解槽由于转换

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效率很高而成为很有发展前景的制氢装置. 由于采用很薄的固体电解质(PEM), 具有很好的机械强度和化学稳定性, 并且欧姆损失较小. 在日本, 效率达94.4%的质子交换膜电解槽已经研制成功 [11]. 但由于质子交换膜(目前常用的是由杜邦公司的Nafion)和使用铂电极催化剂, 价格昂贵, 制约了其广泛使用。固体氧化物电解槽(Solid Oxide Electrolyzer)是另一种新兴的电解槽技术。这种电解槽的缺点是工作在高温, 给材料的选择带来了一定限制. 优点是较高的反应温度使得电化学反应中,部分电能被热能代替, 从而效率较高, 尤其是当余热被汽轮机, 制冷系统等回收利用时, 系统效率可达90%。目前三种电解槽的成本分别为: 碱性电解槽US$400-600/kW, PEM电解槽约US$2000/kW, 固体氧化物电解槽约US$1000-1500/kW。电解水的规模可以大到11万千瓦。考虑到投资成本及规模，本方案采用碱性电解槽。

3煤制氢、空分制氧

煤制氢是，煤为燃料，氧气、水蒸汽为气化剂，在造气炉中生成含氢、一氧化碳、甲烷、二氧化碳的粗煤气。不同的造气炉各有优缺点。以碎煤熔渣气化炉为例，5-40mm的煤以氧、蒸汽为气化剂，在1300-1350℃，3.0Mpa的条件下,生成的粗煤气中氢占33.4%,一氧化碳占33.5%,甲烷占7.3%。根据生产工艺的要求，一氧化碳经变换制得到氢，甲烷经转化制得氢。空分制氧是，空气经压缩、冷却、分离、精馏得到氧气和氮气。

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