電解水制氫氧

1、1概述氫能是一種二次能源，最豐富的含氫物質(zhì)是水HO,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。但礦物燃料儲量有限，且制氫過程會對環(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，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、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。

2、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。水電解制氫是一種較為方便的方法。在充滿電解質(zhì)的電解梢中通入直流電，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

3、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)氫的電解梢的統(tǒng)一，總轉(zhuǎn)換效率可達(dá)95%。電解水制氫的電耗一般為4.55.5kwh/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

4、,電解水的規(guī)?？梢源蟮?1萬千瓦。目前市場上的電解梢可以分為三種：（1）堿性電解梢（2）質(zhì)子交換膜電解梢（3）固體氧化物電解梢。堿性電解梢是最早商業(yè)化的電解梢技術(shù)，雖然其效率是三種電解梢中最低的，但由于價格低廉，目前仍然被廣泛使用，尤其是在大規(guī)模制氫工業(yè)中。堿性電解梢的缺點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。堿性電解梢中的使用。質(zhì)子交換膜電解梢由于轉(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)子交換膜電解梢已經(jīng)研制成功11,但由于質(zhì)子交換膜(目前常用

5、的是由杜邦公司的Nafion)和使用鉗電極催化劑，價格昂貴，制約了其廣泛使用。固體氧化物電解梢(SolidOxideElectrolyzer)是另一種新興的電解梢技術(shù)。這種電解梢的缺點是工作在高溫，給材料的選擇帶來了一定限制,優(yōu)點是較高的反應(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,系統(tǒng)效率可達(dá)90%目前三種電解梢的成本分別為：堿性電解梢US$400-600/kW,PEM電解梢約US$2000/kW,固體氧化物電解梢約US$1000-1500/kW電解水的規(guī)模可以大到11萬千瓦?？紤]到投資成本及規(guī)模，本方案采用堿性電解梢。3煤制氫、空分

6、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。不同的造氣爐各有優(yōu)缺點。以碎煤熔渣氣化爐為例，5-40mm的煤以氧、蒸汽為氣化劑，在1300-1350C,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?？辗种蒲跏牵諝饨?jīng)壓縮、冷卻、分離、精儲得到氧氣和氮氣。4空分制氧與電解水制氧比較4.1空分制氧10000N吊(CO+目/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

7、，造氣時10000N吊(CO+H/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2000Nni/(02)?？辗稚a(chǎn)2000NM/O2需耗循環(huán)水500t,中壓蒸汽5.28t,6000V電32Kwh,380V電19.2Kwh。3600m日化爐的單爐生產(chǎn)(CO+H能力為40900Nm3/h造氣裝置投資按4千萬計，運(yùn)行15年，每年7200h,每產(chǎn)生10000Nm(CO+H設(shè)備成本為90.56元。25000空分裝置投資按8千萬計，運(yùn)行15年，每年7200h,每產(chǎn)生2000Nm(O2設(shè)備成本為59.26元。標(biāo)煤按250元計，電價按0.25元計，循環(huán)水0.08

8、元/m3,一次水0.16元/m3,中壓蒸汽45元/t,低壓蒸汽38元/t。表一：煤制氣造氣成本估算(10000NmCO+田h)廳P名稱規(guī)格單位數(shù)量單價總價備注1標(biāo)煤t6.225015502蒸汽0.6MPat0.33811.43電kw.h4000.251004循環(huán)水32C3m1000.0885一次水32C3m100.161.66造氣裝置折舊90.56共計1761.6表二：空分生產(chǎn)2000N由O2成本估算廳p名稱規(guī)格單位數(shù)量單價總價備注1蒸汽4.9MPat5.2845237.62電kw.h51.20.2512.83循環(huán)水32C3m5000.08404空分裝置折舊59.26共計349.66含1000

9、0Nm(CO+23的粗煤氣，經(jīng)變換、凈化成合成氣的成本按300元考慮。表三：空分制氧供煤制氣，凈化得到氫的成本估算：序號名稱規(guī)格單位數(shù)量單價總價備注1標(biāo)煤t6.225015502蒸汽0.6MPat0.33811.43蒸汽4.9MPat5.2845237.64電kw.h451.20.25112.85循環(huán)水32c3m6000.08486一次水32c3m100.161.67凈化成本3008造氣裝置折舊90.569空分裝置折舊59.26共計2411.24.2電解水制氧電解水制氫設(shè)備成本按3850元/KW計,1Nm3/H2用電5KW,產(chǎn)生2000Nm(O2,同時產(chǎn)生4000Nr7/H2O產(chǎn)生4000Nr

10、Hz,裝置投資7.7千萬，每產(chǎn)生4000Nm3/H2,設(shè)備拆舊費(fèi)713元。電價按0.25元計。電解水制氫、氧成本估算(2000Nrm(O2>4000Nrr/H2)表四：電解水制2000N吊。2、4000N吊H2成本估算序號名稱規(guī)格單位數(shù)量單價總價備注1電kw.h200000.2550002水電解水t3.2412.83電解水裝置折舊713共計5725.85小結(jié)當(dāng)電費(fèi)0.25元時，電解水產(chǎn)生2000N吊。2、4000NMH2,時費(fèi)用5725.8元?？辗稚a(chǎn)2000N吊O2成本349.66元，煤制氣產(chǎn)生34000NMH2成本824.64兀，共計成本1174.3。當(dāng)電費(fèi)為0.25兀時電解水產(chǎn)生氫、氧的成本是煤制氣的4.88倍。當(dāng)電費(fèi)為X時，用電解水制氫、氧，氧氣供造氣爐中使用，氫氣并入合成氣中，用此流程產(chǎn)生14000Nn3/H2成本是：20000X+12.8+713+1761.6+300=20000X+2787.4當(dāng)電費(fèi)為X時，空分制氧，氧氣供造氣爐中使用，用此流程產(chǎn)生14000Nn3/H2成本是：(2411.2-112.8+451.2X)X1.4=3217.8+631.7X當(dāng)上述兩種流程成本相當(dāng)時:20000X+2787.4=3217.8+631.7XX=0.022用現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝，當(dāng)電費(fèi)低至0.022元時，用電解水制氫、氧,