1、氫能及其制備技術(shù)氫能及其制備技術(shù)祝星 12 魏永剛 12 王華 12 李孔齋 121 昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院昆明 6500935102 冶金節(jié)能減排教育部工程研究中心昆明 650093摘要氫能作為未來的清潔能源與理想能源載體能夠避免傳統(tǒng)化石能源利用過程中帶來的環(huán)境污染并減少二氧化碳的排放其制備技術(shù)對于推動氫能經(jīng)濟的發(fā)展具有重要意義全面介紹了氫能及其制備技術(shù)闡釋了包括天然氣蒸汽重整制氫部分氧化煤氣化分解水生物質(zhì)制氫與生物學(xué)制氫等化石燃料與可再生資源制氫技術(shù)原理與能量轉(zhuǎn)換途徑比較了不同制氫技術(shù)特點并對各制氫技術(shù)發(fā)展前景作了展望傳統(tǒng)天然氣蒸汽重整油重整與煤氣化仍是目前的主要制氫途徑但在未來像

2、水制氫與生物制氫這類利用可再生資源為原料及能量來源的制氫方式將得到極大的發(fā)展關(guān)鍵詞氫能制備化石燃料可再生資源中圖分類號TK9115Hydrogen Energy and Hydrogen Production TechnologiesZHU Xing12 WEI Yonggang12 WANG Hua12 LI Kongzhai121 Faculty of Metallurgical and Energy Engineering KunmingUniversity of Science andTechnology KunMing 65009320253035402 Engineering Re

3、search Center of Metallurgical Energy Conservation and Emission ReductionMinistry of Education KunMing 650093Abstract Hydrogen is considered as a clean energy source and perfect energy carrier which willplay an important role in hydrogen economy in the near futherUtilization of hydrogen energy canav

4、oid entironment pollution and reduce emission of carbon dioxideHydrogen productiontechnologies was introduced according to the two kinds divided by fossil fuels and renewableenergy sources The principles of hydrogen technologies includingsteam refoming of natural gaspartial oxdiation of hydrocarbons

5、 gasification of coal water splitting and hydrogen productionfrom biomass were elucidated and the energy conversion during those hydrogen productionprocesses were also indicated The characteristics of the differenthydrogen technologies werecompared to find a sustainable way for the next decades Base

6、d on the understanding of thehydrogen technology status the development prospects was reviewedCurrently steam refomingof natural gas oil reforming and gasification of coal are the main hydrogen production sourcesBut in the futher hydrogen production from renewable sources such as water and biomass w

7、ill begreatly developedKeywords hydrogen production fossil fuel renewable energy sources0 引言能源是人類賴以生存與發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)同時也是當(dāng)今國際政治經(jīng)濟與軍事關(guān)注的焦點可持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟社會離不開有利的能源保障1 人類對能源的開發(fā)利用正從過去以木材煤為主的固體燃料時代逐漸轉(zhuǎn)向當(dāng)今以石油烴類等為主的液體燃料時代而發(fā)展趨勢目前正向以天然氣氫氣等氣體燃料為主的方向轉(zhuǎn)變這一脫碳過程演變的趨勢必將導(dǎo)致氫燃料主導(dǎo)未來的能源市場2 另一方面石油逐漸枯竭與價格攀升所帶來的全球能源與環(huán)境危機導(dǎo)致了人類對清潔可再生能源的迫切

8、需求特別是本世紀(jì)以來全球?qū)Χ趸寂欧排c全球變暖的高度關(guān)注人類在發(fā)展過程中燃燒大量的化石燃料燃燒過程中產(chǎn)生的二氧化基金項 目高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金新教師基金課題 No20095314120005 國家自然科學(xué)基金 No510040605110407451174105 51204083作者簡介祝星1984-男助教能源新技術(shù)通信聯(lián)系人魏永剛 1977- 男副教授冶金節(jié)能減排與能源新技術(shù)E-mailweiygcpycom4550碳使得全球變暖冰山融化海平面上升一些島國將面臨著被淹沒的危險在這種背景下二氧化碳減排形勢十分嚴(yán)峻開發(fā)與利用可再生能源來替代傳統(tǒng)化石燃料已經(jīng)迫在眉睫可再生能源是能源發(fā)展

9、的必然趨勢但是在可再生能源的應(yīng)用過程中需要一種不損害可再生能源清潔程度的綠色能源載體因此眾人寄希望于氫能氫能是最理想的可再生能源載體 3-5 與傳統(tǒng)化石燃料相比氫能具有資源豐富可再生性環(huán)保高效等優(yōu)點可以滿足環(huán)境資源與社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的需要作為未來的重要的二次能源與能源載體世界各國都大量的投入人力和物力對氫能的開發(fā)與應(yīng)用進行研究氫能在各個領(lǐng)域的應(yīng)用也變得越來越廣泛在未來能源發(fā)展史上氫能可能會逐漸取代化石燃料而帶人類進入氫能-可再生能源時代61 氫能及其應(yīng)用55606570氫氣 Hydrogen 是世界上已知的最輕的氣體在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓0下氫氣密度為00899gL 常溫下氫氣的性質(zhì)穩(wěn)定不容易跟其它物

10、質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)但當(dāng)條件改變時如點燃加熱使用催化劑等氫氣就變得不再穩(wěn)定作為一種燃料氫能是一種理想的低污染或零污染的潔凈可再生能源它還是除核燃料外的所有化石燃料化工燃料和生物燃料中發(fā)熱值最高的圖 1 氫能的特點Fig1 Characteristics of hydrogen energy氫能具有特點如圖 1 所示此外氫能在使用過程中產(chǎn)生水對環(huán)境無污染同時水還可以進行再利用具有較好的再生性同時地球上34 的表面被海洋覆蓋是天然的氫礦資源豐富燃料電池的問世使得氫能的應(yīng)用進入一個新時代氫燃料電池具有內(nèi)燃機不可比擬的發(fā)電效率氫能在燃料電池上應(yīng)用優(yōu)勢使得人們在各個領(lǐng)域加強了對氫能的研究 7氫燃料電池技術(shù)能夠

11、提供一種零污染交通運輸方式燃料電池是電化學(xué)裝置能夠?qū)浜脱醯幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿⑶覠o任何污染其發(fā)電效率可以高達(dá)50 以上如圖 2 所示8倍所以作為高能燃料其通常用在火箭航天飛機與衛(wèi)星等航天事業(yè)上 9 氫氣是重要的化工原料與中間產(chǎn)品如合成氨工業(yè)氫氣與氮氣在高溫高壓催化劑存在下可直接合成氨氣目前全世界生產(chǎn)的氫氣有23 用于合成氨工業(yè)冶金與制造行業(yè)也經(jīng)常用氫氣作為還原劑或保護氣此外氫氣還可用于食品工業(yè)合成各種制劑7695808590氫能的應(yīng)用領(lǐng)域隨著氫能利用技術(shù)的開發(fā)與推廣將越來越廣泛人們對氫能在日常生活化工生產(chǎn)航空航天石油加工等領(lǐng)域的應(yīng)用也更加重視雖然當(dāng)前制氫技術(shù)方法較多由于受到技術(shù)條件的限制很多仍

12、不能工業(yè)化生產(chǎn)并不能滿足當(dāng)前快速發(fā)展的工業(yè)需要因此對于開發(fā)廉價的無污染新型的制氫技術(shù)意義重大10圖 2 氫燃料電池工作原理示意圖 11Fig 2 Sketch map of hydrogen fuel cell working principle112 制氫技術(shù)21 制氫技術(shù)比較圖 3 制氫過程中的物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換Fig 3 Mass and energy conversion in hydrogen production processes作為清潔可再生能源人類對氫能的開發(fā)從未停止氫氣資源的獲取主要來自于水生物質(zhì)人為廢物硫化氫化石燃料等含氫資源利用分解水生物質(zhì)轉(zhuǎn)化氫提取硫化氫分解與化石燃料脫碳

13、等技術(shù)可以實現(xiàn)海洋熱潮汐能生物質(zhì)能地?zé)崴︼L(fēng)能太陽能核能化石燃料等可再生能源與不可再生能源向氫能之間的轉(zhuǎn)換最終進而推廣氫能資源的利用見圖 3制氫技術(shù)多種多樣包括化學(xué)生物電解光解等處理過程其中有些已經(jīng)實現(xiàn)了業(yè)化生產(chǎn) 1213 現(xiàn)有制氫技術(shù)按原料來源可分為化石燃料與可再生資源制氫化石燃料制氫為當(dāng)前主要的制氫方式圖 4 是目前世界制氫產(chǎn)業(yè)狀況表1 是對不同制氫方式進行了比較12從目前來看可再生能源或可再生資源制氫雖然代表著未來的發(fā)展趨勢但所占份額-3-仍然很小化石燃料制氫在將來很長一段時間內(nèi)將占主導(dǎo)地位Steam reforming of natural gas4830Oil reforming17

14、Coal gasification5Renewable energyElectrolysis of water100圖 4 世界制氫產(chǎn)業(yè)狀況14Fig4 Status of world hydrogen production industries14表 1 不同制氫方式比較12tecnologies12Table 1 Comparation of different hydrogen production技術(shù) 蒸汽重整部分氧化煤氣化堿性電解生物質(zhì)氣化等離子重整水相重整氨重整自熱重整光催化黑暗發(fā)酵光發(fā)酵微生物電解電池質(zhì)子交換膜電解固體燃料電池分解水 光電化學(xué)分解水原料碳?xì)浠衔锾細(xì)浠衔锩核娚?/p>

15、物質(zhì)碳?xì)浠衔锾妓衔锇碧細(xì)浠衔锾柟馑镔|(zhì)生物質(zhì)太陽光生物質(zhì)電水電水電水熱水太陽光效率70-80 %60-75 %5050-60 %35-50 %9-85 %35-55 %未知60-75 %05%60-80 %01 %78%55-70 %40-60 %未知124%商業(yè)應(yīng)用情況商業(yè)應(yīng)用商業(yè)應(yīng)用商業(yè)應(yīng)用商業(yè)應(yīng)用商業(yè)應(yīng)用長期中期近期近期長期長期長期長期近期中期長期長期10522 化石燃料制氫化石燃料制氫是將含氫化石燃料轉(zhuǎn)化為富氫合成氣或氫氣其包含天然氣蒸汽重整部分氧化自熱重整等離子重整水相重整與高溫分解等方法1315-16 化石燃料制氫也是目前商業(yè)化主要制氫途徑是通向氫能經(jīng)濟初級階段的必經(jīng)之

16、路由于化石燃料的不可再生性110以化石燃料為原料制氫方式也屬于不可再生資源制氫范疇天 然 氣 制 氫 是 工 業(yè) 上 常 用 方 法 天 然 氣蒸 汽 重 整 Steam MethaneReformingingSMR是主要的制氫方式以SMR為例其反應(yīng)式可以表示為CatalystH2CO在催化劑的作用下甲烷與水蒸氣通過重整反應(yīng)制取合成氣合成氣中的摩爾比115值大約為31 一般使用鍥基催化劑在800左右2MPa下完成該過程重整反應(yīng)器內(nèi)出來的合成氣經(jīng)水汽轉(zhuǎn)換Water-Gas Shift Reaction WGS鹿水汽轉(zhuǎn)換裝置中CO在銅基催化劑的催化作用下與水反應(yīng)生成CO2 與 H2 反應(yīng)式可以表示

17、為Catalyst-4-經(jīng)過水汽轉(zhuǎn)換裝置的合成氣變成主要由 CO2 與 H2 組成的合成氣經(jīng)過變壓吸附裝置120125130135Pressure Swing Adsorption PSA 分離除去水與二氧化碳得到純氫經(jīng)熱交換器換熱液化器液化后得到液氫LH產(chǎn)品Note LNG Liquefied Natural Gas LH2 Liquefied Hydrogen LAr LiquefiedArgon LO2 Liquefied OxygenLN2 Liquefied Nitrogen圖 5 液化天然氣蒸汽重整與空氣液化精餾聯(lián)產(chǎn)液氫液氮液氧液氬工藝流圖17Fig5 Flow chart about steam reforming of LNGand air liquefaction and rectification for co-production ofliquid hydrogen nitrogen oxygen and argon17圖 5 是日本最大液氫生產(chǎn)公司大阪氫能時代有限責(zé)任公司 Hydro Edge CoLtd 液化天然氣蒸汽重整與空氣液化精餾聯(lián)產(chǎn)液氫液氮液氧液氬工藝流程圖液化天然氣Liquid