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氢从哪里来?(系列讲座2)

时间:2011-07-14 17:10:16来源:《太阳能》

    一 氢矿在哪里?

    在人类生存的地球上,氢是最丰富的元素,但是自然界却没有纯氢存在。最常见的含氢物质是水(H2O);其次就是各种含氢化合物如石油、天然气、硫化氢及各种生物质等。所以按行业习惯我们将江、河、湖、海称为“氢矿”。可见,“氢矿”到处都有,不难发现。

    二 工业化制氢方法

    目前我国97%的氢气是由化石燃料生产的,其余的通过水电解法生产。化石燃料制造氢气要向大气排放大量的温室气体,对环境不利。水电解制造氢气则不产生温室气体,但是生产成本较高。因此水解制氢适合电力资源如水电、风能、地热能、潮汐能以及核能比较丰富的地区。

    1 以煤为原料制氢

    煤是我国最主要的化石能源,其主要成分是碳,也有很少的碳氢化合物。煤制氢的本质是以碳取代水中的氢,最终生成氢气和二氧化碳。这里,碳起到化学试剂作用并为置换反应提供热。氢几乎全来自于水。

    以煤为原料制取含氢气体的方法主要有两种:

    一是煤的焦化(或称高温干馏),煤在隔绝空气条件下,在 900~1000℃制取焦碳,副产品为焦炉煤气。焦炉煤气组份中含氢气 55~60%(体积)、甲烷23~27%一氧化碳5~8%等。每吨煤可得煤气 300~350m3,作为城市煤气,亦是制取氢气的原料。

    二是煤的气化,使煤在高温常压或加压下,与水蒸汽或氧气(空气)等反应转化成气体产物。气体产物中氢气的含量随不同气化方法而异。煤气化制氢是一种具有我国特点的制氢方法。通常做法是将煤从地下挖出,破碎、分类后放到专门的设备中进行上述反应。其实也可以在地下进行煤制氢,一般在煤矿的地表建成两个井,一个进气,一个出含氢的混合气。在地面上净化,得到可用的氢。煤地下气化方法近数十年已为人们所重视,我国已经在山东、河北一带进行了几个工业化示范,效果很好。地下气化技术具有煤资源利用率高及减少或避免地表环境破坏等优点。

    2 天然气制氢

    天然气的主要成分是甲烷( CH4),本身就含有氢。和煤制氢相比,用天然气制氢产量高、加工成本较低,排放的温室气体少,因此天然气成为国外制造氢气的主要原料。其中天然气蒸汽转化是较普遍的制造氢气方法。工业上甲烷蒸汽转化过程采用镍做催化剂,操作温度750~920℃,操作压力 2.17~2.86MPa。较高的压力可以改善过程效率。反应是吸热的,热量通过燃烧室燃烧甲烷供给。甲烷蒸汽转化制得的合成气,经过高低温变换反应将一氧化碳转化为二氧化碳和额外的氢气。为了防止甲烷蒸汽转化过程析碳,反应进料中需采用过量的水蒸气。最终氢气的收率与采用的技术路线有关。天然气制氢的本质是以甲烷中的碳取代水中的氢,碳起到化学试剂作用并为置换反应提供热。氢大部分来自于水,小部分来自天然气本身。

    3 重油部分氧化制造氢气

    重油是炼油过程中的残余物,可用来制造氢气。重油部分氧化过程中碳氢化合物与氧气、水蒸气反应生成氢气和二氧化碳。该过程在一定的压力下进行,可以采用催化剂,也可以不采用催化剂,这取决于所选原料与过程。催化部分氧化通常是以甲烷或石脑油为主的低碳烃为原料,而非催化部分氧化则以重油为原料,反应温度在 1150~1315℃。重油部分氧化制得的氢主要来自水蒸气。

    4 水电解制造氢气

    水电解制造氢气是成熟的制造氢气的方法,已有80余年生产历史。水电解制得的氢气纯度高,操作简便,但需耗电。水电解制氢的效率一般在 75~ 85%,一般生产1m3氢气和0.5m3氧气的电耗为4~5kWh。根据热力学原理,电解水制得1m3氢气和0.5m3氧气的最低电耗要2.95度电。所以有的发明家得到低于此值的结果就不可信了。当然,如果是电解水溶液,得到氢和另一种非氧的产物,其电耗另当别论。水电解制氢的本质是以电能打开水中的氢和氧的结合键,最终生成氢气和氧气。这里的氢全部来自于水。

    目前我国水电解主要用石棉布电介质和强碱性水溶液,能耗大、不环保。近年已经成功开发采用固体高分子离子交换膜代替石棉布作为电解质,直接电解纯水的新技术。

    水电解制氢所需电能可由各种一次能源提供,其中包括化石燃料、核能或太阳能、水能、风能及海洋能等可再生能源。大型供电系统在低谷时电能也可用于电解水制氢,达到储能的目的。随着可再生能源地位的提高、发电成本的降低,相信水电解制氢会得到更大的发展。

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