乙醇水填料塔精餾裝置設(shè)計(jì)和電化學(xué)技術(shù)在新能源中的利用

PAGEPAGE3《化工原理課程設(shè)計(jì)》報(bào)告乙醇~水填料塔精餾裝置設(shè)計(jì)

目錄1、設(shè)計(jì)依據(jù)/32、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求/33、設(shè)計(jì)計(jì)算/43.1工藝物料計(jì)算/43.1.1原料液的組成/43.1.2最小回流比，操作回流比的計(jì)算/53.1.3塔頂產(chǎn)品產(chǎn)量、釜液量、及加熱蒸汽量的計(jì)算/73.1.4全凝器冷凝介質(zhì)的消耗量/74、主體設(shè)備計(jì)算/84.1塔徑的計(jì)算/84.1.1泛點(diǎn)氣速的計(jì)算/84.1.2塔徑的計(jì)算/94.2塔高的計(jì)算/94.2.1計(jì)算塔高/94.2.2填料塔壓降/105、塔主要附屬構(gòu)件結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算設(shè)計(jì)/115.1液體分布器/115.1.15.1.2設(shè)計(jì)計(jì)算/115.2導(dǎo)流板/115.3各接管尺寸的確定/115.3.1進(jìn)料管/125.3.2釜?dú)堃撼隽瞎?125.3.3回流液管/125.3.4塔頂上升蒸汽管5.3.5水蒸氣進(jìn)口管/136、主要輔助設(shè)備揚(yáng)程/136.1進(jìn)料泵/136.1.1泵的基本計(jì)算/136.1.2泵的選用/146.2再沸器/146.3冷凝器/141、設(shè)計(jì)依據(jù)本設(shè)計(jì)依據(jù)于教科書的設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)所提出的題目進(jìn)行分析并做出理論計(jì)算。2、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求原料：乙醇~水混合溶液，日產(chǎn)量35噸乙醇含量：35%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，原料液溫度：25℃條件：泡點(diǎn)進(jìn)料，剛鮑爾環(huán)填料，塔頂壓強(qiáng)為5kPa（表壓）加熱蒸汽為壓力0.17MPa（表壓）的飽和水蒸氣，冷卻介質(zhì)為25℃設(shè)計(jì)要求：塔頂?shù)囊掖己坎恍∮?4.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))塔底的乙醇含量不大于0.25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))表1乙醇~水溶液體系的平衡數(shù)據(jù)液相中乙醇的含量(摩爾分?jǐn)?shù))汽相中乙醇的含量(摩爾分?jǐn)?shù))液相中乙醇的含量(摩爾分?jǐn)?shù))汽相中乙醇的含量(摩爾分?jǐn)?shù))0.00.00.400.6140.0040.0530.450.6350.010.110.500.6570.020.1750.550.6780.040.2730.600.6980.060.340.650.7250.080.3920.700.7550.100.430.750.7850.140.4820.800.820.180.5130.850.8550.200.5250.8940.8940.250.5510.900.8980.300.5750.950.9420.350.5951.01.0表2鋼鮑爾環(huán)的結(jié)構(gòu)特性參數(shù)公稱直徑/16253850個(gè)數(shù)/(1/)14300055900130006500堆積密度/（）216427365395孔隙率/％0.9280.9340.9450.949比表面積/()239219129112.3填料因子/（）2992691531313、設(shè)計(jì)計(jì)算計(jì)算之前進(jìn)行對(duì)物性數(shù)據(jù)的查詢，部分物性數(shù)據(jù)列于表1、表2中，其它數(shù)據(jù)見參考資料與互聯(lián)網(wǎng)上資源。3.1工藝物料計(jì)算3.1.1原料液組成由于精餾過程的計(jì)算均以摩爾分?jǐn)?shù)為準(zhǔn)，需先把設(shè)計(jì)要求中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化為摩爾分?jǐn)?shù)。原料液的摩爾組成：同理可求得：原料液的平均摩爾質(zhì)量：同理可求得：查表可得在25℃時(shí)，原料液中，由此可查得原料液、塔頂和塔底混合物的沸點(diǎn)，列表3表3原料液、溜出液、釜液的流量和溫度名稱原料液溜出液釜?dú)堃簒/％3594.50.25摩爾分?jǐn)?shù)0.17400.87050.0010平均摩爾質(zhì)量（）22．342.37418.208沸點(diǎn)（℃）83.8378.183．1.2最小回流比、操作回流比的計(jì)算根據(jù)乙醇和水的兩相平衡數(shù)據(jù)做汽液平衡圖如下：由泡點(diǎn)進(jìn)料，可知，過點(diǎn)e（0.174，0.174）做一條直線X=0.174交平衡線與點(diǎn)d，讀取，因此：但是，當(dāng)回流比減小到某一數(shù)值時(shí)，精餾段操作線首先與平衡線相切于e點(diǎn)，此時(shí)即使無窮多塊等效塔板也不能跨越切點(diǎn)，故該點(diǎn)回流比為最小回流比，又過點(diǎn)a（0.8705,0.8705）作平衡線的切線，切點(diǎn)為，讀得其坐標(biāo)為，，因此：而?。ǎ?，操作線如下圖：由此圖作圖可得填料塔等效塔板數(shù)為18塊，精餾段15塊，提餾段3塊。精餾端操作線方程：提餾段操作線方程：3.1.3塔頂產(chǎn)品產(chǎn)量、釜液量、及加熱蒸汽量的計(jì)算每天開車24小時(shí)計(jì)，進(jìn)料量為：由全塔的物料衡算方程可得（設(shè)加熱蒸汽量為，直接蒸汽加熱）：可知，代入數(shù)據(jù)解得：且3.1.4全凝器冷凝介質(zhì)的消耗量塔頂全凝器的熱負(fù)荷：可以查得，所以：取水為冷凝介質(zhì)，其進(jìn)出冷凝器的溫度分別為25℃和35℃則平均溫度下的比熱4、主體設(shè)備計(jì)算4.1塔徑的計(jì)算4.1.1泛點(diǎn)氣速的計(jì)算計(jì)算泛點(diǎn)氣速采用埃克特泛點(diǎn)氣速關(guān)聯(lián)圖法，先求得橫坐標(biāo)：然后查埃克特泛點(diǎn)氣速關(guān)聯(lián)圖得對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)，有：根據(jù)縱坐標(biāo)的計(jì)算式可以求出泛點(diǎn)氣速u，再根據(jù)就可求出塔徑。精餾段：冷凝器為全凝器，故可得：質(zhì)量流速計(jì)算塔頂與進(jìn)料口的算術(shù)平均值:注：進(jìn)料處的氣相組成由乙醇-水的兩相平衡數(shù)據(jù)表差得，再根據(jù)組成計(jì)算平均摩爾質(zhì)量，計(jì)算方法與前面相同，故不列出。塔頂組成為，根據(jù)乙醇-水系統(tǒng)t-x-y數(shù)據(jù)，用差值法計(jì)算塔頂溫度：解得塔頂溫度，由此差得塔頂液相：，3，結(jié)合乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)a=94.5％，有：在進(jìn)料口有，，乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)a=35％，有：則對(duì)于氣相，根據(jù)，有：塔頂進(jìn)料口代入橫坐標(biāo)計(jì)算式有從?？颂貓D上查得縱坐標(biāo)Y=0.21。查得塔頂粘度：，，同樣根據(jù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算：查得塔底粘度：，，用相同方法計(jì)算：由代入以上數(shù)據(jù)解得：提餾段：提餾段與精餾段的計(jì)算方法一致，最后計(jì)算可得。4.1.2塔徑的計(jì)算對(duì)、安全系數(shù)取0.5-0.8，最終圓整可得u=1.2m/s。則有：4、2塔高的計(jì)算4.2.1計(jì)算塔高采用默奇等板高度經(jīng)驗(yàn)公式：取，，。精餾段：由之前的計(jì)算有：，塔頂?shù)南鄬?duì)揮發(fā)度，進(jìn)料口的相對(duì)揮發(fā)度，則根據(jù)有：，代入數(shù)據(jù)解得：精餾段填料高度：提餾段：提餾段的計(jì)算方法與精餾段一致，最終計(jì)算得，提餾段的填料高度塔釜高度：取裝填系數(shù)為0.5，則有塔釜的高度：那么有塔高（不計(jì)入法蘭和封頭及群做的高度）。4.2.2計(jì)算填料塔壓降已經(jīng)求出氣速，再次利用埃克特壓降通用關(guān)系圖得精餾段的，在圖上查得；提餾段的，在圖上查到（注：）。所以可得精餾段的壓降，而提餾段的壓降。5、塔主要附屬構(gòu)件結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算設(shè)計(jì)5.1液體分布器槽式液體分布器具有較大的操作彈性和好的抗污堵性，具有優(yōu)良的分布性能，應(yīng)用廣泛，故選用槽式液體分布器。5．1.1噴淋密度的確定選用的鋼鮑爾環(huán)的比表面積為239，查表4得沒平方米噴淋點(diǎn)數(shù)為100表4比表面積（）125125300450700每噴淋點(diǎn)數(shù)100100806045-505.1.2設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)流體力學(xué)孔流公式，重力分布器的排液量與小孔數(shù)目及管徑存在關(guān)系：采用的打孔方式為沖孔，則，小孔以上的液高度h=0.025m，由于設(shè)計(jì)的Q很小，故采用規(guī)定中的最小值2.5mm。塔的筒體中使用錐形液體再分布器。5．2導(dǎo)流板由于此設(shè)計(jì)中的流體流速很小，故不需要設(shè)計(jì)導(dǎo)流板。5.3各接管尺寸的確定5.3.1進(jìn)料管進(jìn)料管的體積流量取適宜的輸送速度，可得：經(jīng)圓整選取冷軋無縫鋼管，規(guī)格管內(nèi)實(shí)際流速。5.3.2釜?dú)堃撼隽瞎芨獨(dú)堃旱捏w積流量取適宜的輸送速度，可得：經(jīng)圓整選取冷軋無縫鋼管，規(guī)格管內(nèi)實(shí)際流速。5.3.3回流液管回流液體的體積流量取適宜的回流速度，可得：經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管，規(guī)格管內(nèi)實(shí)際流速。5.3.4塔頂上升蒸汽管塔頂上升蒸汽的體積流量取適宜的輸送速度，可得：經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管，規(guī)格管內(nèi)實(shí)際流速。5.3.5水蒸氣進(jìn)口管通入塔的水蒸氣體積流量取適宜的輸送速度，可得：經(jīng)圓整選取冷軋無縫鋼管，規(guī)格管內(nèi)實(shí)際流速。6、主要輔助設(shè)備計(jì)算6.1進(jìn)料泵6.1.1泵的基本計(jì)算①泵的體積流量為，選取安全系數(shù)為1.2，則有。②由伯努利方程可得：揚(yáng)程可認(rèn)為，據(jù)題有，，代入解得：取安全系數(shù)為1.1，則實(shí)際泵的揚(yáng)程6.1.2泵的選用由介質(zhì)為乙醇-水，性質(zhì)接近水，選用單吸收式清水泵，根據(jù)計(jì)算所得的泵的流量和揚(yáng)程，由IS型離心泵系列特性曲線可查得選用泵型為IS50-32-160。因設(shè)計(jì)要求的泵的揚(yáng)程和流量都較小，故所選泵符合要求，不必進(jìn)行揚(yáng)程和流量的校核。對(duì)泵進(jìn)行軸功率校核，計(jì)算公式為，查樣本泵可取，代入計(jì)算得，達(dá)到要求。6.2再沸器查得在0.1MPa，100℃時(shí)水的汽化潛熱為2257.2kJ/kg,且有相變的質(zhì)量流量為，由此可得再沸器的熱流量：表壓為0.17MPa的飽和水蒸氣，查表得溫度為130℃，使其溫度降到100則有，，，。傳熱溫度差傳熱面積。6.3冷凝器由前面的物料衡算可知冷凝器的熱量流量：：表壓為0.17MPa的飽和水蒸氣，查表得溫度為130℃，使其溫度降到100則有，，，。傳熱溫度差傳熱面積。參考文獻(xiàn)：[1]陳敏恒叢德滋方圖南編著化工原理北京：化學(xué)工業(yè)出版社2005.12[2]刁玉瑋王立業(yè)喻鍵良編著化工機(jī)械設(shè)備基礎(chǔ)大連：大連理工大學(xué)出版社2006.12[3]黃璐王保國編著化工設(shè)計(jì)北京：化學(xué)工業(yè)出版社2000.2[4]匡國柱史啟才編著化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)北京：化學(xué)工業(yè)出版社2007.9[5]李志國馬玉仲編著AutoCAD2009基礎(chǔ)教程北京：清華大學(xué)出版社2008.7

電化學(xué)技術(shù)在新能源中的利用一.能源的概況1.能源的重要性1.能源的重要性自古以來,人類就為改善生存條件和促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而不停地進(jìn)行奮斗.在這一過程中,能源一直扮演著重要的角色.從世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀來看,能源問題已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中一個(gè)具有戰(zhàn)略意義的問題,能源的消耗水平已成為衡量一個(gè)國家國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的重要標(biāo)志,能源問題對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著決定性的作用.2.能源的種類2.能源的種類大自然賦予人類的能源是多種多樣的,一般可分為常規(guī)能源和新能源兩大類.常規(guī)能源包括煤炭,石油,天然氣和水能,而新能源有生物質(zhì)能,核能,風(fēng)能,地?zé)崮?海洋能,太陽能和氫能等.其中煤炭,石油,天然氣被成為化石能源,水能,生物質(zhì)能,風(fēng)能,太陽能和氫能等是可再生能源.3.化石能源的問題(1)化石能源的短缺化石能源的短缺能源是人類賴以生存和社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈,但目前主要使用的化石能源的儲(chǔ)量不多.據(jù)2002年世界探明的化石能源的儲(chǔ)量和使用量統(tǒng)計(jì),世界上煤,石油和天然氣的儲(chǔ)采比分別為204,40和60年,中國的情況更為嚴(yán)峻,據(jù)2002年統(tǒng)計(jì),中國煤,石油和天然氣的儲(chǔ)采比只有82,15和46年.這表明在人類歷史的長河中,只有很短的一段時(shí)間能使用化石能源.隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速增長,對(duì)能源的需求也持續(xù)攀升.我國一次能源消費(fèi)總量從1978年的5.3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,上升到2002年的14.3億噸.據(jù)估計(jì),我國在2004,2020和2050年的石油消費(fèi)量達(dá)3,4.5和6億噸,其中進(jìn)口量分別為1,2.7和4億噸.4億噸的進(jìn)口量相當(dāng)于目前美國的石油進(jìn)口量,這不但會(huì)制約我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,而且對(duì)國家的安全也十分不利.(2)化石燃料造成嚴(yán)重環(huán)境污染和氣候異常化石燃料造成嚴(yán)重環(huán)境污染和氣候異?；剂系氖褂靡鸬沫h(huán)境污染,排放的CO2會(huì)造成溫室效應(yīng),使全球氣候變暖.有關(guān)機(jī)構(gòu)已向聯(lián)合國發(fā)出警告,如再不對(duì)CO2的排放采取嚴(yán)厲措施,在10年內(nèi),世界的氣候?qū)a(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的變化.我國的環(huán)境污染問題更是日趨嚴(yán)重,目前,我國CO2排放量占世界總排放量的14%,在美國之后位居第二,估計(jì)到2025年,將位居第一.在本世紀(jì)初聯(lián)合國關(guān)于環(huán)境污染的調(diào)查中,發(fā)現(xiàn)在世界上十個(gè)環(huán)境污染最嚴(yán)重的城市中,七個(gè)在中國.它們是太原,北京,烏魯木齊,蘭州,重慶,濟(jì)南和石家莊.4.21世紀(jì)世界能源發(fā)展趨勢(shì)世紀(jì)世界能源發(fā)展趨勢(shì)(1)節(jié)能技術(shù)將備受重視節(jié)能技術(shù)將備受重視節(jié)能就是提高能源利用率,減少能源的浪費(fèi).目前節(jié)能技術(shù)水平已是一個(gè)國家能源利用情況的綜合性指標(biāo),也是一個(gè)國家總體科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志.許多研究報(bào)告指出,依靠節(jié)能可以將能源需求量降低2530%.我國在能源利用方面的效率很低,我國的能耗很高,是世界平均水平的2倍,發(fā)達(dá)國家的5-10倍,因此更應(yīng)重視節(jié)能技術(shù),我國應(yīng)該充分重視化石能源的高效利用.(2)世界能源系統(tǒng)將發(fā)生重大變革世界能源系統(tǒng)將發(fā)生重大變革據(jù)預(yù)測(cè),20世紀(jì)形成的以化石燃料為主的世界能源系統(tǒng)將在21世紀(jì)轉(zhuǎn)換成以可再生能源為主的新的世界能源系統(tǒng).在20世紀(jì)末,化石燃料的使用量占了世界一次能源用量的89.5%.據(jù)世界能源委員會(huì)(WEC)和國際應(yīng)用分析系統(tǒng)研究所的研究報(bào)告認(rèn)為,在20世紀(jì)上半葉,化石燃料仍將是世界一次能源的主體,但到21世紀(jì)下半葉,太陽能,生物質(zhì)能,風(fēng)能等新能源將占世界能源的50%左右.(3)煤炭將作為過渡能源而受到重視煤炭將作為過渡能源而受到重視由于石油和天然氣的儲(chǔ)量較少,而煤炭儲(chǔ)量相對(duì)較多,因此煤炭將作為一種過渡能源而在21世紀(jì)上半葉受到重視.主要發(fā)展的技術(shù)是潔凈煤技術(shù),煤液化和汽化技術(shù).(4)新化石能源的開發(fā)將得到強(qiáng)化新化石能源的開發(fā)將得到強(qiáng)化近年來發(fā)現(xiàn),在海洋300米深處有甲烷水合物存在.目前,甲烷水合物的開發(fā)已經(jīng)受到特別的關(guān)注.據(jù)估計(jì),世界甲烷水合物的儲(chǔ)量可能超過石油,天然氣和煤炭儲(chǔ)量的總和.因此,甲烷水合物作為儲(chǔ)量巨大的未開發(fā)能源開始受到世界各國的高度重視.(5)核能的利用將進(jìn)一步得到重視核能的利用將進(jìn)一步得到重視據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì),在20世紀(jì)末,全世界運(yùn)行的核電站有436座,總發(fā)電量為3.5億千瓦.這些電站主要分布在美,法,日,英,俄等31個(gè)國家,近年來,由于擔(dān)心核電站運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性,核廢料對(duì)環(huán)境的影響和核技術(shù)擴(kuò)散對(duì)世界安全性的影響,核能的發(fā)展在發(fā)達(dá)國家已有下降趨勢(shì),但在亞洲地區(qū)仍有強(qiáng)勁的增加趨勢(shì),我國準(zhǔn)備在今后幾年內(nèi)建造4座核電站.受控核聚變是一直受人們關(guān)心的技術(shù),因?yàn)樵诤Ｋ写蠹s有23.4億萬噸氘,如受控核聚變技術(shù)在21世紀(jì)能得到應(yīng)用,在21世紀(jì)末,核能可望占世界一次能源的30%左右.(6)可再生能源的開發(fā)將越來越受到重視可再生能源的開發(fā)將越來越受到重視鑒于化石燃料的短缺及化石燃料的使用引起嚴(yán)重的環(huán)境污染和氣候異常,人們對(duì)新能源的開發(fā)越來越重視.其中水力能,地?zé)崮?海洋能和風(fēng)能的可利用資源有限,因此,太陽能,生物質(zhì)能和氫能的利用將倍受關(guān)注.二.生物質(zhì)能的利用1.生物質(zhì)能的優(yōu)點(diǎn).(1)生物質(zhì)來源豐富地球上每年生長的生物質(zhì)總量約14001800億噸,相當(dāng)于目前世界總能耗的10倍,我國的生物質(zhì)能也極為豐富,可作為能源開發(fā)的生物質(zhì)能總量可達(dá)4.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤.加上生物質(zhì)能可再生.因此,生物質(zhì)能的高效,規(guī)?；每捎行Ь徑馐澜缒茉垂┬杳?(2)生物質(zhì)能可多途徑利用(a)直接燃燒.其熱能和蒸汽可發(fā)電,技術(shù)成熟,但效率低.(b)生物轉(zhuǎn)化.包括制沼氣和水解發(fā)酵制取醇類.生物質(zhì)制甲醇和乙醇技術(shù)基本成熟,但生產(chǎn)成本較高.生物質(zhì)制沼氣技術(shù)相當(dāng)成熟.2002年全國已建1300多萬個(gè)沼氣池.(c)光熱轉(zhuǎn)化.通過氣化,裂解,光催化等技術(shù),獲得氣,液體燃料來發(fā)電.(d)生物柴油.從油料植物提取植物油,經(jīng)甲酯化得生物柴油.它有含氧高,含硫低,分解性能好,燃燒效率高等優(yōu)點(diǎn).(3)生物質(zhì)能利用的環(huán)境污染少由于生物質(zhì)利用過程中釋放的CO2是其生長過程通過光合作用從環(huán)境吸收的,所以生物質(zhì)能的利用過程不排放額外的CO2,而對(duì)環(huán)境污染少.生物質(zhì)能的利用還能降低污染.如可利用生物質(zhì)熱解汽化技術(shù)處理生活垃圾等,可得到以甲烷為主的燃?xì)?實(shí)現(xiàn)垃圾的減量化,無害化,資源化.2.生物質(zhì)能利用的問題2.生物質(zhì)能利用的問題生物質(zhì)能利用的缺點(diǎn)主要是生物質(zhì)分布廣,大面積收集成本高,經(jīng)濟(jì)的收集半徑在50公里以內(nèi),只適合建立小型,分散的生物質(zhì)能利用系統(tǒng).而小型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率低,不提高生物質(zhì)能的利用效率就不能獲得好的經(jīng)濟(jì)效益,這是生物質(zhì)能至今未能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵問題之一.因此,如何在小型,分散體系實(shí)現(xiàn)能量的高效,清潔及規(guī)?；檬瞧惹行枰鉀Q的問題.三.太陽能的利用1.太陽能的優(yōu)點(diǎn)太陽能的優(yōu)點(diǎn)(1)太陽能來源豐富太陽能來源豐富太陽能來源豐富是眾所周知的,這似乎是一種用之不絕,取之不盡的能源.太陽內(nèi)部不停地進(jìn)行熱核反應(yīng),釋放出巨大的能量,輻射到地球上的能量只占起輻射總能量的極小部分,約1/22億,但地球每年接收的太陽能至少有6×1017千瓦小時(shí),相當(dāng)于74萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能量.其中被植物吸收的僅占0.015%.可見,開發(fā)太陽能利用的潛力很大.(2)太陽能的使用沒有污染問題太陽能的使用沒有污染問題這也是眾所周知的,太陽能的使用基本上沒有污染問題.(3)太陽能可多途徑利用太陽能可多途徑利用(a)太陽能的熱利用.如太陽能熱水器,太陽灶,太陽能蓄熱池發(fā)電等.(b)太陽能發(fā)電.如太陽能電池和光電池.(c)光催化和光電催化制氫.主要用這兩種技術(shù)從水或生物質(zhì)中制得氫氣.2.太陽能利用的概況太陽能利用的概況近年來,太陽能的利用發(fā)展很快,據(jù)1997年的數(shù)據(jù),全球太陽能發(fā)電量已達(dá)800兆瓦.到2000年,日本已有7萬個(gè)住宅用上太陽能電池,美國和歐盟計(jì)劃在2010年前安裝100萬套太陽能電池.特別是把太陽能電池與屋頂瓦結(jié)合成光電發(fā)電系統(tǒng),目前歐洲已有300套,年發(fā)電量為1億千瓦.這種系統(tǒng)不但可供應(yīng)清潔能源,而且美觀耐用,壽命可達(dá)25年.太陽能的熱利用發(fā)展更快.特別在我國,太陽能熱水器的年產(chǎn)值已達(dá)60多億元,居世界首位.3.太陽能利用的問題太陽能利用的問題開發(fā)太陽能利用的主要問題是如何提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率,其次是降低成本,這對(duì)我國特別重要,目前我國生產(chǎn)太陽能電池的能力已達(dá)幾百兆瓦,但由于價(jià)格高,基本上都銷往國外.第三,一些技術(shù),如光催化和光電催化制氫技術(shù)還沒成熟,沒有達(dá)到實(shí)用化的階段,應(yīng)該抓緊這方面的研究和發(fā)展.四.氫能的利用1.氫能的優(yōu)點(diǎn)氫能的優(yōu)點(diǎn)(1)氫是自然界儲(chǔ)量最豐富的元素.(2)氫是除核燃料外發(fā)熱量最大的燃料.(3)氫燃燒生成水,是世界上最清潔的燃料.(4)燃燒性能好,可燃范圍大,燃燒速度快.(5)氫可用多種方法大規(guī)模生產(chǎn).(6)氫的利用形式多,可通過燃燒發(fā)電,通過燃料電池發(fā)電等.2.對(duì)氫能利用的重視2002年加拿大舉辦了以"氫行星"為主題的第14屆世界氫能源大會(huì).2003年在華盛頓召開15個(gè)國家和地區(qū)參加的"國際氫能經(jīng)濟(jì)合作伙伴"會(huì)議.冰島計(jì)劃用40年時(shí)間將冰島建成"氫社會(huì)".布什將投資120億美元來促進(jìn)氫能源的發(fā)展.過去5年,工業(yè)化國家在氫能開發(fā)領(lǐng)域的投入年均遞增20.5%.氫將取代天然氣,油和煤而成為未來世界的主要能源,進(jìn)入氫能時(shí)代已成為近年來的熱門話題,21世紀(jì)將是氫能世紀(jì).布什舉著使用氫燃料的照相機(jī)我國對(duì)發(fā)展氫能經(jīng)濟(jì)也開始重視,參加了2003年在華盛頓召開的有15國家參加的"國際氫能經(jīng)濟(jì)合作伙伴"會(huì)議.2004和2005舉辦了兩次關(guān)于氫能經(jīng)濟(jì)的中美雙邊會(huì)議.今年一月,中國科學(xué)院院士局召開了關(guān)于"石油替代能源"的研討會(huì),主要討論石油資源可持續(xù)性分析,石油的替代能源,氫能燃料和我國的石油替代能源.并要組織人員進(jìn)行軟課題研究.3.氫能的問題3.氫能的問題(1)氫的價(jià)格氫的制備,儲(chǔ)存和運(yùn)輸中的價(jià)格問題,是影響走進(jìn)氫能時(shí)代的很關(guān)鍵的問題.要降低其價(jià)格,必須形成氫的制備,儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)木W(wǎng)絡(luò).(2)廉價(jià)清潔的制氫技術(shù)問題(2)廉價(jià)清潔的制氫技術(shù)問題目前制氫效率很低,氫的制取要消耗大量的能量,因此尋求大規(guī)模的廉價(jià)清潔的制氫技術(shù)是各國科學(xué)家共同關(guān)心的問題.(a)化石燃料制氫:目前,96%氫從化石燃料制備,技術(shù)成熟,但要造成環(huán)境污染.(b)電解水制氫:技術(shù)成熟,但耗能多,價(jià)格高.一般每生產(chǎn)1立方米的氫氣,需要消耗4.2-6度的電能,其能量轉(zhuǎn)化率不到32%.(c)生物質(zhì)制氫:有可再生,產(chǎn)量大,可儲(chǔ)存,碳循環(huán)等優(yōu)點(diǎn),從中長期看是最有前途的制氫方式.目前生物質(zhì)制氫效率低.(d)生物制氫:國內(nèi)外在選育高效產(chǎn)氫菌株工作進(jìn)展不快,制氫效率低.(e)風(fēng)能制氫:用風(fēng)能發(fā)電來電解水產(chǎn)生氫,技術(shù)上沒有問題,降低成本和風(fēng)能發(fā)電量少是主要的問題.(f)太陽能制氫:該法還處在基礎(chǔ)研究階段,離商業(yè)化還有較遠(yuǎn)的距離.(3)氫的儲(chǔ)運(yùn)問題(3)氫的儲(chǔ)運(yùn)問題氫的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)主要解決儲(chǔ)運(yùn)的安全性和成本,現(xiàn)在由于儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)不過關(guān),因此浪費(fèi)了許多氫.許多工業(yè)過程,如煉油,煉焦,氯堿,合成氨,合成甲醇及煤氣制造等多有大量的副產(chǎn)品氫氣,只是由于儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的問題而不能被利用.我國每年放空和燒掉的氫氣至少在1010標(biāo)立方米以上.因此解決氫的儲(chǔ)運(yùn)問題也是走進(jìn)氫能時(shí)代的一個(gè)很關(guān)鍵的問題.目前氫的儲(chǔ)運(yùn)還有很大問題.(a)高壓儲(chǔ)氫:儲(chǔ)氫量少,只有1%左右,還有不安全的問題.(b)液氫儲(chǔ)氫:很不方便,儲(chǔ)氫設(shè)備大,蒸發(fā)損失大.(c)吸附儲(chǔ)氫:這是目前的研究熱點(diǎn),但儲(chǔ)氫容量還較低,一般不超過2%.鎂合金儲(chǔ)氫在3%,但儲(chǔ)放不可逆.熱門一時(shí)的納米碳管儲(chǔ)氫也已沒有了希望,最終的儲(chǔ)氫量也只有1%左右.(e)化合物儲(chǔ)氫:放氫不容易.(4)燃料電池還沒有商品化用氫作燃料的燃料電池的出現(xiàn)是促進(jìn)氫能利用的重要原因.近年來,由于化石燃料資源短缺和環(huán)境污染日趨嚴(yán)重,各國對(duì)燃料電池的研究十分重視.美國《時(shí)代周刊》把燃料電池列為21世紀(jì)十大高新科技之首,燃料電池已被認(rèn)為是21世紀(jì)極具應(yīng)用前景的一種新型能源系統(tǒng).雖然燃料電池有很誘人的優(yōu)點(diǎn),而且燃料電池的發(fā)展已有100多年的歷史,但至今還沒有一種燃料電池已經(jīng)真正商品化,因此,燃料電池何時(shí)才能商品化是一個(gè)與氫能利用密切相關(guān)的問題.4.反對(duì)氫能的意見4.反對(duì)氫能的意見(a)氫以化合物形式存在,制氫要消耗能源.它不是一種能源,而是能源的流通手段.(b)氫的泄漏會(huì)改變氣候.氫不可避免泄漏,泄漏量可達(dá)15%.泄漏的氫會(huì)在大氣形成水霧,它會(huì)象二氧化碳一樣,使天氣變暖.(c)現(xiàn)在一般用高壓氫作燃料電池燃料,氫的泄漏會(huì)產(chǎn)生很大的不安全性,手機(jī)等的火花就會(huì)使泄漏的氫發(fā)生爆炸.(d)冰島能做的,其他國家不一定能做,冰島的氫都是電解水制得的,因該國70%的電是由地?zé)岷退娬井a(chǎn)生的.(5)氫的清潔生產(chǎn)要用風(fēng)能和太陽能.據(jù)估計(jì),如用風(fēng)能發(fā)電制氫,當(dāng)風(fēng)能發(fā)電量達(dá)到美國6%的用電量,風(fēng)能發(fā)電機(jī)要占的面積要有半個(gè)加州那么大.(6)布什承諾投資120億美元用于氫能的研究是一個(gè)微不足道的投資.美國去年用于核能和礦物質(zhì)燃料方面的研究經(jīng)費(fèi)大于氫燃料的研究經(jīng)費(fèi).美國推行"健康婚姻"的預(yù)算就有150億美元.美國用于伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)的經(jīng)費(fèi)每月390億美元.(7)氫燃料電池價(jià)格昂貴.目前內(nèi)燃機(jī)成本為每千瓦50美元,而氫燃料電池為800美元.估計(jì)大量使用后,也要300美元.另外所有的加油站改成加氫站也要花費(fèi)大量的資金.五.燃料電池加速氫能利用1.燃料電池的優(yōu)點(diǎn).(1)燃料電池是一種高效清潔的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),可降低環(huán)境污染和氣候異常.(2)燃料電池能高效利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的氣,液物質(zhì)和氫作燃料,因此,能促進(jìn)氫能的利用.(3)燃料電池的發(fā)電效率不受體系規(guī)模限制,小型燃料電池同樣能夠?qū)崿F(xiàn)高效發(fā)電,適合于生物質(zhì)分散性的特點(diǎn).2.燃料電池定義燃料電池是一種不經(jīng)燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)的方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置,只要連續(xù)供應(yīng)燃料,燃料電池就能連續(xù)發(fā)電.3.原理陽極反應(yīng):H2=2H++2e陰極反應(yīng):1/2O2+2H++2e=H2O總的反應(yīng):H2+1/2O2=H2O4.燃料電池分類堿性燃料電池(AFC)(1)堿性燃料電池(AFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Ag,氧化劑:氧電解液:30%KOH隔膜:石棉膜工作溫度:60-80oC用途:航天器和潛艇的動(dòng)力源優(yōu)點(diǎn):比能量和比功率高缺點(diǎn):對(duì)CO2敏感,不宜地面使用(2)磷酸燃料電池(PAFC)磷酸燃料電池(PAFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:98%磷酸工作溫度:200oC用途:家庭住宅能源和汽車動(dòng)力源優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定性好,已有商品生產(chǎn)缺點(diǎn):用貴金屬作催化劑,價(jià)格高.(3)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:含水的質(zhì)子交換膜工作溫度:60-80oC用途:汽車和潛艇等的動(dòng)力源優(yōu)點(diǎn):比能量和比功率高,壽命長,應(yīng)用范圍廣缺點(diǎn):對(duì)CO敏感,價(jià)格高,800美元/千瓦,而內(nèi)燃機(jī)50美元/千瓦.氫源問題.(4)直接甲醇燃料電池(DMFC)直接甲醇燃料電池(DMFC)陽極:催化劑:Pt合金,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:含硫酸的質(zhì)子交換膜工作溫度:60-80oC用途:可移動(dòng)的小型電子儀器設(shè)備動(dòng)力源優(yōu)點(diǎn):比能量高,體積小問題:Pt對(duì)甲醇氧化電催化效率低,易被甲醇氧化中間產(chǎn)物毒化,甲醇會(huì)透過質(zhì)子交換膜.(5)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)陽極:催化劑:Ni,燃料:氫陰極:催化劑:NiO,氧化劑:氧電解液:熔融碳酸鹽(NaCO3-LiCO3)工作溫度:600oC用途:發(fā)電站優(yōu)點(diǎn):反應(yīng)溫度高,不需貴金屬催化劑.可用含CO的燃料氣.壽命長.能量轉(zhuǎn)換率高,可達(dá)80%.問題:高溫下,電解液會(huì)腐蝕電極材料.壽命2萬小時(shí),商業(yè)上要4萬小時(shí).(6)固體氧化物燃料電池(SOFC)固體氧化物燃料電池(SOFC)陽極:催化劑:NiZrO2,燃料:甲烷,氫陰極:催化劑:NaCrO4等,氧化劑:氧電解液:ZrO2,CeO2等工作溫度:900oC用途:發(fā)電站優(yōu)點(diǎn):不需貴金屬催化劑.壽命長.可用各種燃料氣.抗中毒能力強(qiáng).能量轉(zhuǎn)換率最高,可達(dá)80%以上.問題:高溫下,密封困難,放大困難.價(jià)格高.5.PEMFC發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀(1)世界各國對(duì)世界各國對(duì)PEMFC的重視世界各國對(duì)的重視近十年來,近十年來,PEMFC技術(shù)的研究開發(fā)受到技術(shù)的研究開發(fā)受到許多國家的政府和跨國大公司的極大重視,許多國家的政府和跨國大公司的極大重視,已出現(xiàn)許多PEMFC電動(dòng)車樣車.電動(dòng)車樣車.已出現(xiàn)許多電動(dòng)車樣車我國計(jì)劃,年奧運(yùn)會(huì)期間,我國計(jì)劃,到2008年奧運(yùn)會(huì)期間,將有我年奧運(yùn)會(huì)期間國生產(chǎn)的燃料電池電動(dòng)車會(huì)小批量,國生產(chǎn)的燃料電池電動(dòng)車會(huì)小批量,示范性地行駛在街頭.性地行駛在街頭.年世博會(huì)期間,輛燃料電池公交到2010年世博會(huì)期間,20輛燃料電池公交年世博會(huì)期間輛燃料電池出租車,車,300輛燃料電池出租車,1000輛電動(dòng)輛燃料電池出租車輛電動(dòng)汽車以及一批燃料電池場(chǎng)地車和郵政車都將投入運(yùn)行,屆時(shí),上海將建成5座加氫將投入運(yùn)行,屆時(shí),上海將建成座加氫站來滿足這些車輛對(duì)氫燃料的需求對(duì)氫燃料的需求.站來滿足這些車輛對(duì)氫燃料的需求.(2)PEMFC商業(yè)化的問題商業(yè)化的問題(a)價(jià)格問題價(jià)格問題美國能源部認(rèn)為,汽車用PEMFC的最終的價(jià)格達(dá)到$50-100/kW時(shí),才能有競(jìng)爭(zhēng)能力,因?yàn)楝F(xiàn)在內(nèi)燃機(jī)的價(jià)格為$50/kW左右,而現(xiàn)在PEMFC的價(jià)格在$800/kW左右