电解水制氢工艺讲解ppt

制氢水电站构想前期准备汇报湖南大学电气与信息工程学院2012.3.5主要内容氢能源简介氢能源的工业应用工业制氢方法比较氢能源利用的障碍小水电建设电解水制氢的设备和工艺2012.03.05总结汇报I氢能源简介目前所用的能源如石油、天然气、煤，均属不可再生资源，地球上存量有限，而人类生存又时刻离不开能源，所以必须寻找新的能源。氢正是这样一种在常规能源危机的出现和开发新的二次能源的同时，人们期待的新的二次能源2012.03.05总结汇报I氢能源简介重量最轻的元素标准状态下，密度为0.8999g/l导热性最好的气体比大多数气体的导热系数高出10倍自然界存在最普遍的元素据估计它构成了宇宙质量的75%，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质2012.03.05总结汇报I氢能源简介理想的发热值除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍燃烧性能好点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快2012.03.05总结汇报I氢能源简介无毒与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境，且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。产物水无腐蚀性，对设备无损。2012.03.05总结汇报I氢能源简介利用形式多既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料可以多种形态存在以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求2012.03.05总结汇报I氢能源简介耗损少可以取消远距离高压输电，代以远近距离管道输氢，安全性相对提高，能源无效损耗减小利用率高氢取消了内燃机噪声源和能源污染隐患，利用率高2012.03.05总结汇报I氢能源简介运输方便氢可以减轻燃料自重，可以增加运载工具有效载荷，这样可以降低运输成本从全程效益考虑社会总效益优于其他能源减少温室效应氢取代化石燃料能最大限度地减弱温室效应2012.03.05总结汇报II氢能源的工业应用1、石油化工合成氨、甲醇：石油炼制：利用加氢工艺可以改善石油化学品的质量，增加最有价值的石油化学品的产量.合成多重有机化合物：如乙二醇的合成、合成聚甲烯、醇的同系化反应、与不饱和烃反应制醛等II氢能源的工业应用2、电子工业多晶硅的制备氢氧合成氧化电真空材料和器件如钨和钼的生产制造非晶硅太阳电池光导纤维II氢能源的工业应用3、浮法玻璃生产在浮法玻璃成形设备中装有熔融的锡液，它极易被氧化，生成氧化锡，造成玻璃沾锡，增加锡的消耗量，因此需要将锡槽密封，并连续不断送人纯净的氢氮混合气，维持槽内正压与还原气氛，保护锡液不被氧化。II氢能源的工业应用4、冶金工业在冶金工业中，氢气主要用作还原气，以便将金属氧化物还原成金属在高温锻压一些金属器材时，经常用氢气作为保护气以使金属不被氧化2012.03.05总结汇报2012.03.05总结汇报II氢能源的工业应用5、食品加工工业天然食用油具有很大程度的不饱和性，经氢化处理后，产品可稳定贮存，并能抵抗细菌的生长，提高油的粘度食用油加氢的产品可加工成人造奶油和食用蛋白质等非食用油加氢可得到生产肥皂和畜牧业饲料的原料2012.03.05总结汇报II氢能源的工业应用6、空间技术与燃气应用氢气可以用作燃料电池的燃料由于氢具有较高的导热系数，在大型发电机组中经常用氢气作冷却剂用氢气和氧气可进行焊接在气相色谱分析中经常用氢气作载气2012.03.05总结汇报II氢能源的工业应用BMW氢能7系装备了能够使用液氢燃料和汽油的6.0升V12发动机，最大输出功率为191千瓦/260马力，在4,300转/分钟的转速下，最大扭矩可达390牛顿米，2012.03.05总结汇报在9.5秒内即可从零加速到100公里/小时，最高电子限速为230公里/小时。II氢能源的工业应用中国上海安亭加氢站是由同济大学、上海舜华新能源系统有限公司及上海航天能源有限公司共同研发并建设的------上海首座为燃料电池汽车服务加氢站，该加氢站已于2009年7月15日正式开业。目前储氢量最大可达800公斤，一次能连续为6辆大巴、20辆小汽车加注氢气，其规模在全球数一数二。II氢能源的工业应用2012.03.05总结汇报III工业制氢方法比较工业制氢方法：天然气蒸汽重整制氢甲醇蒸汽转化制氢电解水制氢烃类氧化重整制氢其他含氢物质分解制氢。其中，前三种方法使用较为普遍。2012.03.05总结汇报III工业制氢方法比较天然气水蒸气重整制氢：以天然气为原料,用水蒸气转化制取富氢混合气，应用的是合成氨生产领域成熟的一段炉造气工艺。该工艺包含两个步骤:天然气脱硫和烃类的蒸汽转化。出口混合气含氢量约为70%。2012.03.05总结汇报C-1224mol210kJ3HCOOHCH-1222mol43.5kJHCOOHCOIII工业制氢方法比较主要消耗定额(以1Nm3,纯度为99.99%的氢气产品为基准,下同):原料天然气0.48Nm3燃料天然气0.12Nm3锅炉给水1.7kg电0.2kW·h。天然气中的甲烷含量按96.9%(体积分数)计。2012.03.05总结汇报III工业制氢方法比较甲醇裂解制氢：250oC，1.5MPa下，甲醇和水的混合液经过预热、气化后，进人转化反应器，在催化剂(双功能催化剂)作用下，同时发生甲醇的催化裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成约75％的氢气和约25％的二氧化碳以及少量杂质。2012.03.05总结汇报-123mol90.8kJ2HCO(OH)CH-1222mol47.3kJHCOOHCOIII工业制氢方法比较主要消耗定额:原料甲醇0.65kg原料脱盐水0.38kg燃料天然气0.17Nm3电0.4kW·h。导热油炉按燃气炉考虑，天然气中的甲烷含量按96.9%计。2012.03.05总结汇报III工业制氢方法比较电解水制氢：直流电作用下，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。电解水制氢效率较高，且工艺成熟，设备简单无污染，但耗电大，一般氢气电耗为4.5~5.5kW/m3，生产成本高，电费占整个生产费用的80%左右。主要消耗定额：原料脱盐水0.82kg，电耗5.5kW·h2012.03.05总结汇报III工业制氢方法比较为改善水的导电性能、降低电耗，通常电解槽内的液体不是纯水，而是一定浓度的KOH水溶液。目前国内的电解槽，小室电压≤2V，单台最大产氢量可达300Nm3·h-1；电解槽工作压力可达4.0MPa(产氢量≤40Nm3·h-1的电解槽，工作压力可达5.0MPa)，出槽气体温度90℃，经分离碱液和水分后的氢气纯度可达99.9%、氧气纯度可达99.5%。若进一步经纯化装置处理，氢气的最高纯度可达99.9999%。2012.03.05总结汇报III工业制氢方法比较三种工业制氢方法比较2012.03.05总结汇报比较项目天然气蒸汽转化-变压吸附制氢甲醇蒸汽转化-变压吸附制氢水电解制氢-纯化技术成熟性成熟较成熟成熟一次性投资高低较高生产成本（元•Nm-3）~1.32.55~6适用规模（Nm3·h-1）100020~25002~300(单槽)最高纯度/%99.99999.99999.9999杂质种类CO2、CO、CH4CO2、COO2、H2O建设地点受限于天然气的供应较自由：要求在合理的距离内有甲醇供应自由：几乎不存在建设地域限制主装置占地大较小较大IV氢能源利用的障碍2012.03.05总结汇报开发氢能还存在一个难题，就是氢气的储存，它直接影响到氢能的应用。怎样用经济可行的方法将氢约束，为人类服务，下面简述几种储存氢的方法。氢的贮存有三种方法：高压气态贮存；低温液氢贮存；金属氢化物贮存。要想用氢作为未来广泛能源，可能目前只有采用高压气态贮存比较现实。IV氢能源利用的障碍1.高压气态贮存气态氢可贮存在地下库里，也可装人钢瓶中。必须先将氢气压缩，为此需消耗较多的压缩功。一般一个充气压力为20MP的高压钢瓶贮氢重量只占1.6％；供太空用的钛瓶储氢重量也仅为5％。为提高贮氢量，目前正在研究一种微孔结构的储氢装置，这个研制还在进行中。IV氢能源利用的障碍2.低温液氢贮存氢气在1个大气压下，冷冻至-252.720C以下即可变为液态氢，这时它的密度提高，体积缩小。但是，液态氢需保存在专门的深冷杜瓦瓶里面，虽然其制造技术已有很大发展，最大容积可达5000m3以上，不过造价昂贵，而且每千克氢气由气态变为液态的过程中，实际需要消耗大11kW·h的电力。所以非特殊要求，这种深冷液化储氢方法在经济上是不易被人们接受的。现在多数火箭燃料还是使用液态氢，其储运办法只有此法可取。IV氢能源利用的障碍3.金属氢化物贮存为解决氢的储存问题，人们发现钛、铌、镁、锆等金属和它们的合金，能像海绵吸水一样将氢储存起来，形成储氢金属，而且还可以根据需要随时将氢释放出来，这就是金属氢化物储氢。这样，就大大方便了人们对氢的储存、运送和使用。IV氢能源利用的障碍氢虽然具有很好的可运输性，但不论是气态氢还是液氢，它们在使用过程中都存在着不可忽视的特殊问题。首先，由于氢特别轻，与其他燃料相比在运输和使用过程中单位能量所占的体积特别大，即使液态氢也是如此。其次，氢特别容易泄漏，贮氢容器和输氢管道、接头、阀门都要采取特殊的密封措施。第三，液氢的温度极低只要有一点滴掉在皮肤上就会发生严重的冻伤，因此在运输和使用过程中应特别注意采取各种安全措施。IV氢能源利用的障碍能否将氢气像运输煤气一样用管道从储存库运往用量最多的消费部门。国外有些国家已经建成了这种输氢管道：现在美国德克萨斯州有条约20km的输氢管道，管径203mm，采用40号新钢种，输送1.38×kPa的纯洁氢，已安全运行24年；德国有条200多千米长的输氢管道，采用无缝钢管，管道直径130～150mm，输送1.8×kPa的不纯氢，主要用于化工厂，使用年限已超过40年，运行情况仍然良好；南非在20世纪90年代初也建成了一条80多千米的输氢管道。可见氢气的管道输送技术较为成熟，但一般认为短距离较好，距离过长，要有中间加压措施，建造比较复杂。310310IV氢能源利用的障碍运输液态氢短距离可用专门的液氢管道输送，长距离用绝热保护的车船运输。如国外已有3.5～80m3的公路专用液氢槽车；深冷铁路槽车也已问世，储液氢量可达100～200m3，可以满足用氢大户的需要，是较快速和经济的运氢方法。美国宇航局还专门建造了输送液氢的大型驳船，船上的杜瓦罐储液氢的容积可达1000m3左右，能从海上将路易斯安娜州的液氢运到佛罗里达州的肯尼迪空间发射中心，这样无疑比陆上运氢更加经济和安全。V小水电建设小水电建设存在问题小水电项目的建设，其效益显著，但也存在着如下一些不容忽视的问题，严重影响了小水电项目的经济效益。①设备利用率偏低。②用电负荷与自然资源不协调。③经营体制不完善，规章制度不健全。④上网电价偏低。2012.03.05总结汇报利用小水电低价电能发展电解水制氢产业我国有些偏远山区具有丰富的水利资源。但是，这些地区地广人稀，居住分散，交通不便，经济落后，当地用电负荷很小，无法就近消耗小水电生产的大量电能；再加上这些地区距离电网很远，很难通过远距离输电线路与电力系统并网。因此，有些偏远山区丰富的水利资源，得不到开发利用。开发利用偏远山区的水利资源，兴建径流式小水电站，获得低价电能，发展电解水制氢产业，就地就近消耗小水电生产的电能，不仅技术上可行，而且还有非常可观的经济、社会和环境效益。径流式水电站单位投资有望降到4000元/kW以下，而发电成本则可能降到0.2元/kWh以下，甚至0.1元/kWh以下。2012.03.05