氫能的發(fā)展與利用

1、淺述氫能的開發(fā)與利用院（系、部）:姓名：班級(jí)：專業(yè)：指導(dǎo)教師：2011年10月10日北京淺述氫能的開發(fā)與利用摘要：氫能是公認(rèn)的清潔能源，作為低碳和零碳能源正在脫穎而出。 近年來，我國(guó)和美國(guó)、日本、加拿大、歐盟等都制定了氫能發(fā)展規(guī)劃， 并且目前我國(guó)已在氫能領(lǐng)域取得了多方面的進(jìn)展， 在不久的將來有望 成為氫能技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)先的國(guó)家之一，也被國(guó)際公認(rèn)為最有可能率先 實(shí)現(xiàn)氫燃料電池和氫能汽車產(chǎn)業(yè)化的國(guó)家。氫能是公認(rèn)的清潔能源， 作為低碳和零碳能源正在脫穎而出。近年來，我國(guó)和美國(guó)、日本、加 拿大、歐盟等都制定了氫能發(fā)展規(guī)劃，并且目前我國(guó)已在氫能領(lǐng)域取 得了多方面的進(jìn)展，在不久的將來有望成為氫能技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)

2、先的國(guó) 家之一，也被國(guó)際公認(rèn)為最有可能率先實(shí)現(xiàn)氫燃料電池和氫能汽車產(chǎn) 業(yè)化的國(guó)家。關(guān)鍵詞：氫；燃料；發(fā)展1 .引言氫是一種能源載體，人們可以大規(guī)模利用儲(chǔ)藏在氫中的能量。 大 約250年前人們就發(fā)現(xiàn)了氫，約250年前氫獲得工業(yè)應(yīng)用。在使用天 然氣之前，人們就用所謂的城市瓦斯來取暖、做飯或道路照明；那種 瓦斯含氫高達(dá)60%。我國(guó)在推廣天然氣之前，廣泛使用的由煤制取的 城市煤氣中氫含量高達(dá)50%U上。但是人們對(duì)氫作為能源的認(rèn)識(shí)并不 深刻。隨著石化能源的資源枯竭和所帶來的危害日益嚴(yán)重，人們開始更加關(guān)注氫能。2 .氫氣的制備我國(guó)制氫裝置從小到大，產(chǎn)能由百噸級(jí)發(fā)展到千噸級(jí)、萬噸級(jí)、 十萬噸級(jí)，特別是最近1

3、0年間的跨越式發(fā)展，目前我國(guó)氫氣年產(chǎn)量 已超過1000萬to 2.1煤制氫我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)為貧油、少氣、富煤，煤炭占能源總量的70%認(rèn)上，年產(chǎn)量達(dá)到30億t。煤制氫氣主要工序?yàn)槊禾吭诿簹獍l(fā)生爐制 得水煤氣，經(jīng)脫硫、水膜除塵、電除塵、壓縮后，再經(jīng)變換，變換氣 脫硫后制得變脫氣，最后經(jīng)PSAW氫得到產(chǎn)品氫氣。煤制氫工藝流程 見圖1。見。蒸汽空氣氫氣- PSA制氫卜變脫1變脫硫換一變換 圖1煤制氫工藝流程2.2 天然氣制氫1天然氣制氫工藝是在高溫下與水蒸汽反應(yīng)，或用部分氧化法制得 水煤氣，再經(jīng)變換，PSA制氫制得產(chǎn)品氫氣。天然氣制氫工藝流程見 圖2。圖2天然氣制氫工藝流程2.3 焦?fàn)t煤氣制氫2隨著鋼鐵

4、工業(yè)的發(fā)展，我國(guó)焦炭產(chǎn)能已突破 4億t/a, 2009年 共生產(chǎn)焦炭3.45億t ,噸焦炭副產(chǎn)焦?fàn)t煤氣400 m3,而焦?fàn)t煤氣含 有50%60購氫氣，是非常好的制氫原料氣。焦?fàn)t煤氣制氫工藝是， 先將焦?fàn)t煤氣進(jìn)行脫票及脫硫，除去焦油、苯、祭及硫化物后，進(jìn)行 壓縮、再送入預(yù)處理裝置進(jìn)一步凈化后，進(jìn)入 PSAX序，制得產(chǎn)品氫 氣。焦?fàn)t煤氣制氫工藝流程見圖3。焦?fàn)t煤氣 ,除茶脫硫 f 壓縮預(yù)處F41f PSA制氧一氫氣解吸氣 圖3焦?fàn)t煤氣制氫工藝流程我國(guó)工業(yè)氫氣的來源還有甲醇制氫、氨分解制氫、水電解制氫。 煉廠重整裝置副產(chǎn)氫、乙烯廠、氯堿廠副產(chǎn)氫、各行業(yè)富含氫尾氣回 收等。我國(guó)的制氫工藝主要以煤和天然

5、氣制氫為主，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯的氫氣生產(chǎn)企業(yè)采用煤制氫，年產(chǎn)量達(dá)到18萬t,是世界最大制氫工廠。另外，我國(guó)的制氫設(shè)備生產(chǎn)能力也向大型化及小型 化延伸，如大型煤轉(zhuǎn)化制氫單套設(shè)備的產(chǎn)氫能力達(dá)到28萬哥/h,小型天然氣轉(zhuǎn)化制氫設(shè)備產(chǎn)氫能力 200 m3/h。3 .氫能是解決我國(guó)能源短缺的根本對(duì)策之一眾所周知，我國(guó)能源資源并不富有，人均資源量則更低，研究人 員認(rèn)為氫能是解決我國(guó)能源短缺的根本對(duì)策之一36。我國(guó)2001年人均石油可采儲(chǔ)量只有2.6t ,僅為世界平均值的11% 2001年原油產(chǎn) 量1.65億t ,原油生產(chǎn)已進(jìn)入高峰期。公路運(yùn)輸是汽油和柴油的主要用戶，2000年消費(fèi)量分別為4410 萬

6、t和1970萬t。今后，隨著私人汽車擁有量的迅速增加，公路運(yùn) 輸勢(shì)將成為拉動(dòng)我國(guó)石油需求大幅增長(zhǎng)的一個(gè)主要因素。從1993年起我國(guó)成為石油凈進(jìn)口國(guó)，2000年石油凈進(jìn)口 6960萬t。圖4給出我 國(guó)歷年石油進(jìn)口和出口量的統(tǒng)計(jì)。綜合國(guó)內(nèi)和國(guó)際能源機(jī)構(gòu)（IEA）、 美國(guó)能源部能源信息署（DOE/EIA等機(jī)構(gòu)2002年的預(yù)測(cè)，我國(guó),2010 年汽車的油需求量將達(dá) 0.9億一1.1億t , 2020年達(dá)1.5億一2.3億 t。 2010年石油總需求量將達(dá) 3.4億一3.8億t, 2020年達(dá)4.3億一 5.3億t 。我國(guó)專家預(yù)測(cè)有所不同且需求量也相當(dāng)高7。圖4我國(guó)石油進(jìn)口和出口量如此巨大的能源短缺，直

7、接關(guān)系到能源安全、國(guó)家安全。要解決 這一能源短缺問題，近期應(yīng)考慮其它液體替代能源，如甲醇、二甲醍 等，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看應(yīng)考慮氫能的作用813。4 .燃料電池氫能的應(yīng)用主要是通過氫燃料電池來實(shí)現(xiàn)的， 氫燃料電池發(fā)電的 基本原理是電解水的逆反應(yīng)，把氫和氧分別供給陰極和陽極，氫通過 陰極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放出電子通過外部的負(fù)載到達(dá)陽 極14。燃料電池汽車采用氫氣作為燃料，通過氫氣與氧氣的化學(xué)反應(yīng)， 將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能驅(qū)動(dòng)汽車，最終排出的是清潔的水，因此完全無 污染，是真正意義上的“零排放”。而加一次氫只有幾分鐘，可以最 多行駛300 km。上海世博會(huì)服務(wù)的新能源汽車中， 燃料電池汽車就有196輛

8、，包 括專用于貴賓接待的90輛燃料電池汽車、6輛燃料電池公交客車和 100輛燃料電池觀光車。燃料電池汽車入園以來，作為世博園區(qū)最繁 忙的交通工具，日均接待游客上萬人。園區(qū)共建有兩個(gè)加氫站，氫氣 由上海焦化廠副產(chǎn)的焦?fàn)t煤氣分離和提純而成，實(shí)現(xiàn)了副產(chǎn)氫氣的循 環(huán)利用，提純后的氫氣純度可達(dá) 99.99%,產(chǎn)能可保證世博期間燃料 電池汽車每天600 kg的需求。表1各種氣體污染指數(shù)（以CO為基準(zhǔn)）氣體種類二氧化碳(CO)甲烷(CH)氮氧化物(NO)氟碳華物(CF, GF6, GF* GF14)氟硫化物(SR)CFCsHCFCsHFC 23,125HFC 134a污染指數(shù)1213106500920023

9、900100005001170038001300 (replacement for CFCs )5.結(jié)論(1)氫能是清潔能源，是我國(guó)未來新能源發(fā)展的必然選擇，從 現(xiàn)在起就應(yīng)從政府層面上重視氫能并加大投入力度。即使幾十年后， 利用氫同位素的受控?zé)岷司圩?“人造太陽”)可以成功地解決地球能 源問題，那么交通運(yùn)輸系統(tǒng)的汽車、船舶、飛機(jī)、火車也還離不開氫 能燃料電池，需要?dú)渥鳛槟茉础?2)燃料電池技術(shù)是使用氫能的最佳方法之一，但是燃料電池 研究發(fā)展已160多年了還未定型；隨著新材料、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)， 新型燃料電池還會(huì)相繼出現(xiàn)。我們應(yīng)該抓住機(jī)遇借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家燃料電 池的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，開發(fā)新型燃料電池。當(dāng)前

10、我國(guó)氫能研究相對(duì)弱、相 對(duì)分散，建議組建國(guó)家級(jí)氫能研究中心，穩(wěn)定、持久地開發(fā)氫能，為 我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。(3)根據(jù)我國(guó)國(guó)情，宜采取多種用氫方式，擇優(yōu)而行。氫燃料 電池是使用氫能的最高級(jí)#最有效的方式，我國(guó)已經(jīng)有較為雄厚的基 礎(chǔ)，做了大量的工作，要繼續(xù)努力。同時(shí)對(duì)于氫的直接燃燒方法的研 究也要給予重視。純氫氣燃燒有其特殊性，主要是火焰溫度高、無色 等，使用純氫氣時(shí)應(yīng)考慮到燃燒系統(tǒng)的適應(yīng)性； 而若將氫按一定比例 添加到天然氣中，混合后的燃?xì)庥擅裼锰烊粴庹竟┙o作為居民生活燃 料，或由CNGffl氣站按原加氣方式注入燃料罐直接使用，這樣不用改 變用戶的任何設(shè)備，氫在目前就可以得到使用，而

11、不用等到 20年之后。北京市目前有約2000輛CN宓共汽車，預(yù)計(jì)到2008年將有 50008000輛CN心共汽車，如果摻入)15%20%(體積)的氫，則相 當(dāng)于有幾百輛燃燒純氫的公共汽車，將會(huì)給首都的能源供應(yīng)、環(huán)境保護(hù)帶來相當(dāng)大的好處。參考文獻(xiàn)1 彭奕，李淑芳.工業(yè)制氫方案的分析和探討J.化工設(shè)計(jì)，2003, (4): 712.2 任培兵，張振廣，解紅梅，等.焦?fàn)t煤氣制氫系統(tǒng)的優(yōu)化J.燃料與化工，2006, 37 (2): 5253.3 顧樹華，張希良.城市交通的可持續(xù)發(fā)展與能源問題J.環(huán)境保護(hù)，2003 (1): 52554 胡衛(wèi)華，謝起成，韓曉東.燃料電池電動(dòng)汽車的燃料J.公路交通科技.2

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