電解水制氫氧

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1、1概述氫能是一種二次能源，最豐富的含氫物質(zhì)是水H2O，其次就是各種礦物燃料（煤、石油、天然氣）及各種生物質(zhì)等。各種礦物燃料制氫，因其制氫成本較其它物質(zhì)制氫成本低，是目前制氫的最主要方法。但礦物燃料儲(chǔ)量有限，且制氫過程會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。從長遠(yuǎn)看以水為原料制取氫氣是最有前途的方法，原料取之不盡，而且氫燃燒放出能量后又生成產(chǎn)物水，不造成環(huán)境污染。以煤為燃料制氣生產(chǎn)合成氨、甲醇等化工產(chǎn)品及生活煤氣時(shí)，造氣爐多以氧作為輔助氣化劑。氧氣靠空分裝置分離空氣得到。電解水制氫氣、氧氣，氧氣供造氣爐用，氫氣作為合成氣使用。此流程能使氫

2、、氧得到很好的使用。2電解水制氫、氧水分解制氫是目前應(yīng)用較廣且比較成熟的方法之一。水為原料制氫過程是氫與氧燃燒生成水的逆過程，因此只要提供一定形式一定的能量，則可使水分解。以水為原料制氫主要有：1熱化學(xué)循環(huán)法、2光化學(xué)法、3電解法、4高溫水熱裂法制氫等。熱化學(xué)循環(huán)法制氫是利用太陽能或高溫氣冷堆原子能電站的熱能，使反應(yīng)不斷循環(huán)進(jìn)行，達(dá)到連續(xù)制氫的目的。光化學(xué)制氫是以水為原料，光催化分解制取氫氣的方法。光催化過程是指含有催化劑的反應(yīng)體系，在光照下由于有催化劑存在，促使水解制得氫氣。6水電解制氫是一種較為方便的方法。在充

3、滿電解質(zhì)的電解槽中通入直流電，水分子在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，分解成氫氣和氧氣。高溫水熱裂法制氫：將水蒸汽加熱300K以上，使水分子熱裂，直接分解成氫氣和氧氣。水電解制氫是目前工業(yè)化制氫、氧所采用的最廣泛的方法。電解水制氫，關(guān)鍵是耗能問題。以電能換氫能，成本很高。日本開發(fā)了高溫加壓法，將電解水的效率提高到75%；美國建成一種SPE工業(yè)裝置，能量效率達(dá)90%；我國研制了雙反應(yīng)器制氫工藝。先進(jìn)的PEM電解工藝，是一種可逆的電／氫轉(zhuǎn)換裝置，是燃料電池和產(chǎn)氫的電解槽的統(tǒng)一，總轉(zhuǎn)換效率可達(dá)95%。電解水制氫的電耗一般為4.5～

4、5.5kwh/m3。正在開發(fā)的新工藝有:固體電解質(zhì)電解水制氫，可簡化流程，提高制氫效率和降低能耗；高溫水蒸汽電解工藝，電耗可降低到3kwh/m3。電解水制氫氣的投資成本與其規(guī)模成正比，大型堿電池制氫系統(tǒng)的單位投資成本一般為400-600美兀/kW,電解水的規(guī)?？梢源蟮?1萬千瓦。目前市場上的電解槽可以分為三種:(1)堿性電解槽(2)質(zhì)子交換膜電解槽(3)固體氧化物電解槽。堿性電解槽是最早商業(yè)化的電解槽技術(shù),雖然其效率是三種電解槽中最低的,但由于價(jià)格低廉,目前仍然被廣泛使用,尤其是在大規(guī)模制氫工業(yè)中。堿性電解槽的缺點(diǎn)

5、是效率較低和使用石棉作為隔膜.石棉具有致癌性,很多國家已經(jīng)提出要禁止石棉。堿性電解槽中的使用。6質(zhì)子交換膜電解槽由于轉(zhuǎn)換效率很高而成為很有發(fā)展前景的制氫裝置.由于采用很薄的固體電解質(zhì)(PEM),具有很好的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性,并且歐姆損失較小.在日本,效率達(dá)94.4%的質(zhì)子交換膜電解槽已經(jīng)研制成功[11].但由于質(zhì)子交換膜(目前常用的是由杜邦公司的Nafion)和使用鉑電極催化劑,價(jià)格昂貴,制約了其廣泛使用。固體氧化物電解槽(SolidOxideElectrolyzer)是另一種新興的電解槽技術(shù)。這種電解槽的缺點(diǎn)是

6、工作在高溫,給材料的選擇帶來了一定限制.優(yōu)點(diǎn)是較高的反應(yīng)溫度使得電化學(xué)反應(yīng)中,部分電能被熱能代替,從而效率較高,尤其是當(dāng)余熱被汽輪機(jī),制冷系統(tǒng)等回收利用時(shí),系統(tǒng)效率可達(dá)90%。目前三種電解槽的成本分別為:堿性電解槽US$400-600/kW,PEM電解槽約US$2000/kW,固體氧化物電解槽約US$1000-1500/kW。電解水的規(guī)?？梢源蟮?1萬千瓦?？紤]到投資成本及規(guī)模，本方案采用堿性電解槽。3煤制氫、空分制氧煤制氫是，煤為燃料，氧氣、水蒸汽為氣化劑，在造氣爐中生成含氫、一氧化碳、甲烷、二氧化碳的粗煤氣。不

7、同的造氣爐各有優(yōu)缺點(diǎn)。以碎煤熔渣氣化爐為例，5-40mm的煤以氧、蒸汽為氣化劑，在1300-1350℃，3.0Mpa的條件下,生成的粗煤氣中氫占33.4%,一氧化碳占33.5%,甲烷占7.3%。根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，一氧化碳經(jīng)變換制得到氫，甲烷經(jīng)轉(zhuǎn)化制得氫?？辗种蒲跏?，空氣經(jīng)壓縮、冷卻、分離、精餾得到氧氣和氮?dú)狻?4空分制氧與電解水制氧比較4.1空分制氧10000Nm3/（CO+H2）/h例，空分制氧供造氣爐作為氣化劑使用與電解水制氧供造氣爐使用，氫作為合成氣兩方案比較如下?？辗种蒲豕┰鞖鉅t作為氣化劑使用，造氣時(shí)10

8、000Nm3/（CO+H2）/h需耗標(biāo)煤6.2t,380V電400Kwh,低壓蒸汽0.3t,一次水10t,循環(huán)水100t,氧2000Nm3/（O2）。空分生產(chǎn)2000Nm3/O2需耗循環(huán)水500t,中壓蒸汽5.28t,6000V電32Kwh,380V電19.2Kwh。Ф3600mm氣化爐的單爐生產(chǎn)（CO+H2）能力為40900Nm3/h。造氣裝置投資按4千萬