電解水制氫氧

1、電解水制氫氧作者:日期:1概述氫能是一種二次能源，最豐富的含氫物質(zhì)是水H20,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(guò)程會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。從長(zhǎng)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、氧得到很好的使用。2電解水制氫、氧水分

2、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(guò)程是氫與氧燃燒生成水的逆過(guò)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(yáng)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(guò)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

3、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(wèn)題。以電能換氫能，成本很 高。日本開(kāi)發(fā)了高溫加壓法，將電解水的效率提高到75%; 美國(guó)建成一種SPE工業(yè)裝置，能量效率達(dá)90%;我國(guó)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4.55.5kwh/m3。 正在開(kāi)發(fā)的新工藝有：固體電解質(zhì)電解水制氫，可簡(jiǎn)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

4、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(wàn)千瓦。目前市場(chǎng)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) 是效率較低和使用石棉作為隔膜.石棉具有致癌性，很多國(guó)家已經(jīng) 提出要禁止石棉。堿性電解槽中的使用。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

5、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(SolidOxide Electrolyzer)是另一種新興的電解槽技術(shù)。這種電解槽的缺點(diǎn)是工作在高溫，給材料的選擇帶來(lái)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

6、$1000-1500/kW電解水 的規(guī)?？梢源蟮?1萬(wàn)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 1300-1350C, 3.0Mpa的條件下，生成的粗煤氣中氫占33.4%, 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?空分制氧與電解水制氧比較4.1空分制氧lOOOON

7、rm (CO+H /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。 空分制氧 供造氣爐作為氣化劑使用，造氣時(shí)lOOOONm(CO+H /h需耗標(biāo)煤6.2 t, 380V 電400Kwh低壓蒸汽0.3 t, 一次水10t,循環(huán)水100 t, 氧2000 Nm/(Q)?？辗稚a(chǎn)2000 NR1/O2需耗循環(huán)水500 t,中壓蒸 汽 5.28 t, 6000V 電 32Kwh, 380V 電 19.2Kwh。 3600mm氣化爐的單 爐生產(chǎn)(CO+H能力為40900Nm3/h造氣裝置投資按4千萬(wàn)計(jì)，運(yùn) 行15年，每年7200 h,每產(chǎn)生10000Nm (

8、CO+H設(shè)備成本為90.56 元。25000空分裝置投資按8千萬(wàn)計(jì)，運(yùn)行15年，每年7200 h，每 產(chǎn)生2000NrTiO2設(shè)備成本為59.26元。標(biāo)煤按250元計(jì)，電價(jià)按0.25 元計(jì),循環(huán)水0.08元/ m3, 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+H/h )序號(hào)名稱(chēng)規(guī)格單位數(shù)量單價(jià)總價(jià)備注1標(biāo)煤t6.225015502蒸汽0.6MPat0.33811.43電kw.h4000.251004循環(huán)水32 C3m1000.0885一次水32 C3m100.161.66造氣裝置折舊90.56共計(jì)1761.6表二：空分生

9、產(chǎn)2000Nm/02成本估算序號(hào)名稱(chēng)規(guī)格單位數(shù)量單價(jià)總價(jià)備注1蒸汽4.9MPat5.2845237.62電kw.h51.20.2512.83循環(huán)水32 C3 m5000.08404空分裝置折舊59.26共計(jì)349.66含lOOOONm （CO+2H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(hào)名稱(chēng)規(guī)格單位數(shù)量單價(jià)總價(jià)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32 C3m6000.08486一次水32 C3 m100.161

10、.67凈化成本3008造氣裝置折舊90.569空分裝置折舊59.26共計(jì)2411.24.2電解水制氧電解水制氫設(shè)備成本按 3850元/KW計(jì),1 Nm3/H2用電5KW,產(chǎn)生 2000Nm/02,同時(shí)產(chǎn)生4000Nm/H2。產(chǎn)生4000 NmHk，裝置投資7.7千 萬(wàn)，每產(chǎn)生4000 Nm3/H2,設(shè)備拆舊費(fèi)713元。電價(jià)按0.25元計(jì)。電解水制氫、氧成本估算（2000Nm02、4000Nm/H2）表四：電解水制2000Nm/02、4000Nm/H2成本估算序 號(hào)名稱(chēng)規(guī)格單位數(shù)量單價(jià)總價(jià)備注1電kw.h200000.2550002水電解水t3.2412.83電解水裝置折舊713共計(jì)5725.8

11、5小結(jié)當(dāng)電費(fèi)0.25元時(shí)，電解水產(chǎn)生 2000Nrm(O2、4000Nm/H2,時(shí)費(fèi)用 5725.8元?？?分生產(chǎn)2000Nm/02成本349.66元，煤制 氣產(chǎn)生 4000Nm/H2成本824.64元，共計(jì)成本1174.3。當(dāng)電費(fèi)為0.25元時(shí)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(shí)，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14000 NnVM成本是：20000X+12.8+713+1761.6+300=20000X+2787.4當(dāng)電費(fèi)為X時(shí)，空分制氧，氧氣供造氣爐中使用，用此流程產(chǎn)生 14000 NnV成本是：(2411.2-112.8+451.2X) X 1.4=3217.8+631.7X當(dāng)上述兩種流程成本相當(dāng)時(shí)：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(shí)，用電解水制氫、氧, 氧氣