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）及各種生物質等。各種礦物燃料制 氫，因其制氫成本較其它物質制氫成本低，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 能量后又生成產物水，不造成環(huán)境污染。以煤為燃料制氣生產合成氨、甲醇等化工產品及生活煤氣時，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

2、解制氫是目前應用較廣且比較成熟的方法之一。 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熱化學循環(huán)法、2光化學法、3電解法、4高溫水熱裂法制氫等。熱化學循環(huán)法制氫 是利用太陽能或高溫氣冷堆原子能電站的熱能，使反應不斷 循環(huán)進行，達到連續(xù)制氫的目的。光化學制氫是以水為原料，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。在充滿電解質的電解槽中通入直流電，水分子在電極上發(fā)生電化學反應，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90%;我國研制了 雙反應器制氫工藝。先進的PEM電解工藝，是一種可逆的電 /氫轉換裝置，是燃料電池和產氫的電解槽的統一，總轉換 效率可達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

4、與其規(guī)模成正比，大型堿電池制氫系統 的單位投資成本一般為400-600美兀/kW,電解水的規(guī)模可以大到11 萬千瓦。目前市場上的電解槽可以分為三種：(1)堿性電解槽(2)質子交 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，雖然其效率是三種電解槽中最低的，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。堿性電解槽的缺點 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 提出要禁止石棉。堿性電解槽中的使用。質子交換膜電解槽由于轉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(PEM),具有很好的機械強度和化學穩(wěn)定性，并且歐姆損

5、失較小 在日本，效率達94.4%的質子交換膜電解槽已經研制成功11. 但 由于質子交換膜(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。這種電解槽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 應溫度使得電化學反應中，部分電能被熱能代替，從而效率較高，尤 其是當余熱被汽輪機，制冷系統等回收利用時，系統效率可達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。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%。根據生產工藝的要求，一氧化碳經變換制 得到氫，甲烷經轉化制得氫?？辗种蒲跏牵諝饨泬嚎s、冷卻、分離、 精餾得到氧氣和氮氣。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lOOOONm(CO+H /h需耗標煤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a2000 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(CO+H能力為40900Nm3/h造氣裝置投資按4千萬計，運 行15年，每年7200 h,每產生10000Nm (

8、CO+H設備成本為90.56 元。25000空分裝置投資按8千萬計，運行15年，每年7200 h，每 產生2000NrTiO2設備成本為59.26元。標煤按250元計，電價按0.25 元計,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 )序號名稱規(guī)格單位數量單價總價備注1標煤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1761.6表二：空分生

9、產2000Nm/02成本估算序號名稱規(guī)格單位數量單價總價備注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349.66含lOOOONm （CO+2H的粗煤氣，經變換、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)格單位數量單價總價備注1標煤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2411.24.2電解水制氧電解水制氫設備成本按 3850元/KW計,1 Nm3/H2用電5KW,產生 2000Nm/02,同時產生4000Nm/H2。產生4000 NmHk，裝置投資7.7千 萬，每產生4000 Nm3/H2,設備拆舊費713元。電價按0.25元計。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 號名稱規(guī)格單位數量單價總價備注1電kw.h200000.2550002水電解水t3.2412.83電解水裝置折舊713共計5725.8

11、5小結當電費0.25元時，電解水產生 2000Nrm(O2、4000Nm/H2,時費用 5725.8元?？?分生產2000Nm/02成本349.66元，煤制 氣產生 4000Nm/H2成本824.64元，共計成本1174.3。當電費為0.25元時電 解水產生氫、氧的成本是煤制氣的 4.88倍。當電費為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，用此流程產生14000 NnVM成本是：20000X+12.8+713+1761.6+300=20000X+2787.4當電費為X時，空分制氧，氧氣供造氣爐中使用，用此流程產生 14000 NnV成本是：(2411.2-112.8+451.2X) X 1.4=3217.8+631.7X當上述兩種流程成本相當時：20000X+2787.4=3217.8+631.7XX=0.022用現有的生產工藝，當電費低至0.022元時，用電解水制氫、氧, 氧氣