免费在线 概述 氢能是一种二次能源，最丰富的含氢物质是水 H O，其次是各 2 种矿物燃料（煤、石油、天然气）及各种生物质等。各种矿物燃料制氢， 因其制氢成本较其它物质制氢成本低，是目前制氢的最主要方法。但 矿物燃料储量有限，且制氢过程会对环境能够造成污染。从长远看以水为 原料制取氢气是最有前途的方法，原料取之不尽，而且氢燃烧放出能 量后又生成产物水，不造成环境污染。 以煤为燃料制气生产合成氨、甲醇等化工产品及生活煤 时，造 气炉多以氧作为辅助气化剂。氧气靠空分装置分离空气得到。电解水 制氢气、氧气，氧气供造气炉用，氢气作为合成气使用。此流程能使氢、 氧得到很好的使用。 2 电解水制氢、氧 水分解制氢是目前应用较广且很成熟的方法之一。水为原料制 氢过程是氢与氧燃烧生成水的逆过程，因此只要提供一定形式一定的 能量，则可使水分解。以水为原料制氢主要有：1 热化学循环法、2 光化 学法、3 电解法、4 高 温 水 热 裂 法 制 氢 等。热化学循环法制氢是利 用 太 阳 能 或 高 温 气冷 堆 原 子 能 电站 的 热能 ， 使 反 应 不 断 循 环 进 行 ， 达 到 连续 制 氢 的 目 的 。 光化学制氢是以水为原料，光催化 分解制取氢气的方法。光催化过程是指含有催化剂的反应体系，在光 照下由于有催化剂存在，促使水解制得氢气。水电解制氢是一种较为 方便的方法。在充满电解质的电解槽中通入直流 电，水分子在电极上 发生电化学反应，分解成氢气和氧气。高温水 热裂法制 氢 ：将水蒸 汽加 热 300K 以上，使水分子 热裂，直接分解成 氢 气和氧气。 水 电解制氢是目前工业化制氢、氧所采用的最广泛的方法。 电解水制 氢 ，关键 是耗能 问 。以 电能 换氢能，成本很高。 日 本 开发 了 高 温 加压 法 ， 将 电解 水 的 效 率 提 高 到 75% ； 美 国 建 成 一 种 SPE 工 业 装 置 ， 能 量 效 率 达 90% ； 我 国 研 制 了 双 反 应器制 氢 工 艺 。先进 的 PEM 电解工 艺 ，是一种可逆的 电／ 氢 转换 装 置 ， 是 燃 料 电池 和 产氢 的 电解 槽 的 统 一 ， 总转换效 率 可 达 95% 。 电解 水 制 氢 的 电耗 一 般 为 4.5 ～ 5.5kwh/m3 。 正 在 开 发 的 新 工 艺有 : 固 体 电解 质电 解 水 制 氢 ， 可 简 化 流 程 ， 提 高 制 氢 效 率 和 降 低 能 耗 ； 高 温 水 蒸 汽 电解 工 艺 ， 电耗 可 降 低 到 3kwh/ m3 。 电解水制氢气的投资所需成本与其规模成正比，大型碱 电池制氢系统 的单位投资成本一般为 400-600 美兀/kW, 电解水的规模可以大到 11 万千瓦。 目前市场上的 电解槽可大致分为三种: (1)碱性 电解槽(2) 质子交换 膜 电解槽(3)固体氧化物电解槽。碱性 电解槽是最早商业化的 电解槽 1 技术, 虽然其效率是三种 电解槽中最低的, 但由于价格低, 目前仍 然被普遍的使用, 尤其是在大规模制氢工业中。碱性电解槽的缺点是效 率较低和使用石棉作为隔膜. 石棉具有致癌性, 很多国家已经提出要 禁止石棉。碱性 电解槽中的使用。质子交换膜 电解槽由于转换效率很 高而成为很有发展前途的制氢装置. 由于采用很薄的固体电解质 (PEM), 具有非常好的机械强度和化学稳定性, 并且欧姆损失较小. 在 日本, 效率达 94.4%的质子交换膜 电解槽已经研制成功 [11]. 但由于 质子交换膜( 目前常用的是由杜邦公司的Nafion)和使用铂电极催化剂, 价格昂 贵, 制 约 了其普遍的使用。固体氧化物 电解槽 (Solid Oxide Electrolyzer)是另一种新兴的电解槽技术。这种 电解槽的缺点是工作 在高温, 给材料的选择带来了一定限制. 优点是较高的反应温度使得 电化学反应中,部分 电能被热能代替, 从而效率较高, 尤其是当余热 被汽轮机, 制冷系统等回收利用时, 系统效率可达 90%。目前三种电 解槽的成本分 别为: 碱性 电解槽 US$400-600/kW, PEM 电解槽 约 US$2000/kW, 固体氧化物电解槽约 US$1000-1500/kW 。 电解水的规 模可以大到 11 万千瓦。考虑到投资所需成本及规模，本方案采用碱性 电解 槽。 3 煤制氢、空分制氧 煤制氢是，煤为燃料，氧气、水蒸汽为气化剂，在造气炉中生成含 2 氢、一氧化碳、甲烷、二氧化碳的粗煤气。不同的造气炉各有优缺点。 以碎煤熔渣气化炉为例， 5-40mm 的煤以氧、蒸汽为气化剂 ，在 1300-1350℃，3.0Mpa 的条件下,生成的粗煤气中氢占 33.4%,一氧化碳 占33.5%, 甲烷占7.3%。根据生产的基本工艺的要求，一氧化碳经变换制得到 氢，甲烷经转化制得氢。空分制氧是，空 经压缩、冷却、分离、精馏 得到氧气和氮气。 4 空分制氧与电解水制氧比较 4.1 空分制氧 3 10000Nm / （CO+H ）/h 例，空分制氧供造气炉作为气化剂使用与 2 电解水制氧供造气炉使用，氢作为合成气两方案比较如下。空分制氧 3 供造气炉作为气化剂使用，造 时 10000Nm / （CO+H ）/h 需耗标煤 6.2 2 t, 380V 电 400Kwh,低 压蒸汽 0.3 t,一次水 10t,循环水 100 t,氧 2000 3 3 Nm / （O ）。空分生产 2000 Nm /O 需耗循环水 500 t,中压蒸汽 5.28 t, 2 2 6000V 电 32Kwh, 380V 电 19.2Kwh。Ф 3600mm 气化炉的单炉生产 （CO+H ）能力为 40900Nm3/h。造气装置投资按 4 千万计，运行 15 年， 2 3 每年 7200 h，每产生 10000Nm / （CO+H ）设备成本为 90.56 元。25000 2 空 分 装 置 投 资按 8 千 万 计 ， 运 行 15 年 ， 每 年 7200 h， 每 产 生 3 2000Nm /O2 设备成本为 59.26 元。标煤按 250 元计，电价按 0.25 元计, 3 3 循环水 0.08 元/ m ,一次水 0.16 元/ m ,中压蒸汽 45 元/ t,低压蒸汽 38 3 元/ t 。 3 表一：煤制气造气成本估算（10000Nm /CO+H /h） 2 序 规 单 单 总 数 备 名称 量 注 号 格 位 价 价 6 2 15 1 标煤 t .2 50 50 0 0 3 11. 2 蒸汽 .6MP t .3 8 4 a k 4 0 10 3 电 w.h 00 .25 0 3 m 1 0 4 循环水 8 2℃ 3 00 .08 3 m 1 0 5 一次水 1.6 2℃ 3 0 .16 造气装 90. 6 置折旧 56 17 共计 61.6 4 3 表二：空分生产 2000Nm /O2 成本估算 序 规 单 单 总 数 备 名称 量 注 号 格 位 价 价 4. 5 4 23 1 蒸汽 t 9MPa .28 5 7.6 k 5 0 12. 2 电 w.h 1.2 .25 8 32 m 5 0 3 循环水 40 ℃ 3 00 .08 空分装 59. 4 置折旧 26 34 共计 9.66 3 含 10000Nm / （CO+H ）的粗煤气，经变换、净化成合成气的成本 2 按 300 元考虑。 表三：空分制氧供煤制气，净化得到氢的成本估算： 序 规 单 单 总 数 备 名称 量 注 号 格 位 价 价 5 6 2 15 1 标煤 t .2 50 50 0. 0 3 11. 2 蒸汽 t 6MPa .3 8 4 4. 5 4 23 3 蒸汽 t 9MPa .28 5 7.6 k 4 0 11 4 电 w.h 51.2 .25 2.8 32 m 6 0 5 循环水 48 ℃ 3 00 .08 32 m 1 0 6 一次水 1.6 ℃ 3 0 .16 净化成 30 7 本 0 造气装 90. 8 置折旧 56 空分装 59. 9 置折旧 26 6 24 共计 11.2 4.2 电解水制氧 3 电解水制氢设备成本按 3850 元/KW 计,1 Nm /H2 用 电 5KW, 产 3 3 3 生 2000Nm /O ,同时产生 4000Nm /H 。产生 4000 Nm /H ，装置投资 2 2 2 3 7.7 千万,每产生 4000 Nm /H ,设备拆旧费 713 元。电价按 0.25 元计。 2 3 3 电解水制氢、氧成本估算（2000Nm /O 、4000Nm /H ） 2 2 3 3 表四：电解水制 2000Nm /O 、4000Nm /H 成本估算 2 2 序 规 单 单 总 数 备 名称 量 注 号 格 位 价 价 k 20 0 50 1 电 w.h 000 .25 00 电 3. 12. 2 水 t 4 解水 2 8 电解水装 71 3 置折旧 3 57 共计 25.8 7 5 小结 3 3 当电费0.25 元时, 电解水产生 2000Nm /O 、4000Nm /H ,时费用 2 2 3 5725.8 元 。 空 分 生 产 2000Nm /O2 成 本 349.66 元 ,煤 制 产 生 3 4000Nm /H2 成本 824.64 元,共计成本 1174.3。当电费为0.25 元时电解 水产生氢、氧的成本是煤制气的 4.88 倍。 当电费为X 时，用电解水制氢、氧，氧气供造气炉中使用，氢气并 3 入合成气中，用此流程产生 14000 Nm /H2 成本是： 20000X+12.8+713+1761.6+300=20000X+2787.4 当电费为X 时，空分制氧, 氧气供造气炉中使用，用此流程产生 3 14000 Nm /H2 成本是： (2411.2-112.8+451.2X)×1.4=3217.8+631.7X 当上述两种流程成本相当时: 20000X+2787.4=3217.8+631.7X X=0.022 用现有的生产的基本工艺,当电费低至 0.022 元时, 用 电解水制氢、 氧，氧气供造气炉中使用，氢气并入合成气中流程，与空分制氧, 氧 气供造气炉中使用流程生产所带来的成本相当。考虑到现有的新工艺，电解效 率从 75%提到 95%，电耗降至 3kwh/ m3 。 鞍山市水电解制氢项 目组 的技术人员研制出的制氢装置 电耗低至 2.51kwh/ m3 。当材料技术 的 发展 ， 电解 设备 的 成 本 进 一 步 降 ， 电解水制氢、氧，氧气供造 8 气炉中使用，氢气并入合成气的方案是可行的。 9

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