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1、制氢水电站构想前期准备汇报,湖南大学电气与信息工程学院2012.3.5,主要内容,氢能源简介氢能源的工业应用工业制氢方法比较氢能源利用的障碍小水电建设电解水制氢的设备和工艺,2012.03.05,总结汇报,I 氢能源简介,目前所用的能源如石油、天然气、煤，均属不可再生资源，地球上存量有限，而人类生存又时刻离不开能源，所以必须寻找新的能源。氢正是这样一种在常规能源危机的出现和开发新的二次能源的同时，人们期待的新的二次能源,2012.03.05,总结汇报,I 氢能源简介,重量最轻的元素 标准状态下，密度为 0.8999g/l导热性最好的气体 比大多数气体的导热系数高出10倍自然界存在最普遍的元素
2、据估计它构成了宇宙质量的 75%，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质,2012.03.05,总结汇报,I 氢能源简介,理想的发热值 除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍燃烧性能好 点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快,2012.03.05,总结汇报,I 氢能源简介,无毒 与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境，且燃烧生成的
3、水还可继续制氢，反复循环使用。产物水无腐蚀性，对设备无损。,2012.03.05,总结汇报,I 氢能源简介,利用形式多 既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料可以多种形态存在 以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求,2012.03.05,总结汇报,I 氢能源简介,耗损少 可以取消远距离高压输电，代以远近距离管道输氢，安全性相对提高，能源无效损耗减小利用率高 氢取消了内燃机噪声源和能源污染隐患，利用率高,2012.03.05,总结汇报,I 氢能源简介,运输方便 氢可以减轻燃料自重，可以增加运载工
4、具有效载荷，这样可以降低运输成本从全程效益考虑社会总效益优于其他能源减少温室效应 氢取代化石燃料能最大限度地减弱温室效应,2012.03.05,总结汇报,II 氢能源的工业应用,1、石油化工合成氨、甲醇：石油炼制：利用加氢工艺可以改善石油化学品的质量，增加最有价值的石油化学品的产量.合成多重有机化合物：如乙二醇的合成、合成聚甲烯、醇的同系化反应、与不饱和烃反应制醛等,II 氢能源的工业应用,2、电子工业多晶硅的制备氢氧合成氧化电真空材料和器件如钨和钼的生产制造非晶硅太阳电池光导纤维,II 氢能源的工业应用,3、浮法玻璃生产 在浮法玻璃成形设备中装有熔融的锡液，它极易被氧化，生成氧化锡，造成玻璃
5、沾锡，增加锡的消耗量，因此需要将锡槽密封，并连续不断送人纯净的氢氮混合气，维持槽内正压与还原气氛，保护锡液不被氧化。,II 氢能源的工业应用,4、冶金工业在冶金工业中，氢气主要用作还原气，以便将金属氧化物还原成金属在高温锻压一些金属器材时，经常用氢气作为保护气以使金属不被氧化,2012.03.05,总结汇报,2012.03.05,总结汇报,II 氢能源的工业应用,5、食品加工工业天然食用油具有很大程度的不饱和性，经氢化处理后，产品可稳定贮存，并能抵抗细菌的生长，提高油的粘度食用油加氢的产品可加工成人造奶油和食用蛋白质等非食用油加氢可得到生产肥皂和畜牧业饲料的原料,2012.03.05,总结汇报
6、,II 氢能源的工业应用,6、空间技术与燃气应用氢气可以用作燃料电池的燃料由于氢具有较高的导热系数，在大型发电机组中经常用氢气作冷却剂用氢气和氧气可进行焊接在气相色谱分析中经常用氢气作载气,2012.03.05,总结汇报,II 氢能源的工业应用,BMW氢能7系装备了能够使用液氢燃料和汽油的6.0升V12发动机，最大输出功率为191千瓦/260马力，在4,300转/分钟的转速下，最大扭矩可达390牛顿米，,2012.03.05,总结汇报,在9.5秒内即可从零加速到100公里/小时，最高电子限速为230公里/小时。,II 氢能源的工业应用,中国上海安亭加氢站是由同济大学、上海舜华新能源系统有限公司
7、及上海航天能源有限公司共同研发并建设的-上海首座为燃料电池汽车服务加氢站，该加氢,站已于2009年7月15日正式开业。目前储氢量最大可达800公斤，一次能连续为6辆大巴、20辆小汽车加注氢气，其规模在全球数一数二。,II 氢能源的工业应用,2012.03.05,总结汇报,III工业制氢方法比较,工业制氢方法：天然气蒸汽重整制氢 甲醇蒸汽转化制氢 电解水制氢 烃类氧化重整制氢 其他含氢物质分解制氢。其中，前三种方法使用较为普遍。,2012.03.05,总结汇报,III工业制氢方法比较,天然气水蒸气重整制氢：以天然气为原料,用水蒸气转化制取富氢混合气，应用的是合成氨生产领域成熟的一段炉造气工艺。该
8、工艺包含两个步骤:天然气脱硫和烃类的蒸汽转化。出口混合气含氢量约为70%。,2012.03.05,总结汇报,III工业制氢方法比较,主要消耗定额(以1 Nm3,纯度为99.99%的氢气产品为基准,下同):原料天然气0.48 Nm3 燃料天然气0.12 Nm3 锅炉给水1.7 kg 电0.2 kW h。天然气中的甲烷含量按96.9%(体积分数)计。,2012.03.05,总结汇报,III工业制氢方法比较,甲醇裂解制氢：250oC，1.5MPa下，甲醇和水的混合液经过预热、气化后，进人转化反应器，在催化剂(双功能催化剂)作用下，同时发生甲醇的催化裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成约75的氢气和约2
9、5的二氧化碳以及少量杂质。,2012.03.05,总结汇报,III工业制氢方法比较,主要消耗定额:原料甲醇0.65 kg 原料脱盐水0.38 kg 燃料天然气0.17 Nm3 电0.4 kW h。导热油炉按燃气炉考虑，天然气中的甲烷含量按96.9%计。,2012.03.05,总结汇报,III工业制氢方法比较,电解水制氢：直流电作用下，水分子分解为氢离子和氢氧根离子，在阳极氢氧根离子失去电子产生氧气，在阴极氢离子得到电子产生氢气。电解水制氢效率较高，且工艺成熟，设备简单无污染，但耗电大，一般氢气电耗为4.55.5kW/m3，生产成本高，电费占整个生产费用的80%左右。主要消耗定额：原料脱盐水0.
10、82kg，电耗5.5kWh,2012.03.05,总结汇报,III工业制氢方法比较,为改善水的导电性能、降低电耗，通常电解槽内的液体不是纯水，而是一定浓度的KOH水溶液。目前国内的电解槽，小室电压2 V，单台最大产氢量可达300 Nm3h-1；电解槽工作压力可达4.0 MPa(产氢量40 Nm3h-1 的电解槽，工作压力可达5.0 MPa)，出槽气体温度90，经分离碱液和水分后的氢气纯度可达99.9%、氧气纯度可达99.5%。若进一步经纯化装置处理，氢气的最高纯度可达99.9999%。,2012.03.05,总结汇报,III工业制氢方法比较,三种工业制氢方法比较,2012.03.05,总结汇报
11、,IV氢能源利用的障碍,2012.03.05,总结汇报,开发氢能还存在一个难题，就是氢气的储存，它直接影响到氢能的应用。怎样用经济可行的方法将氢约束，为人类服务，下面简述几种储存氢的方法。氢的贮存有三种方法：高压气态贮存；低温液氢贮存；金属氢化物贮存。要想用氢作为未来广泛能源，可能目前只有采用高压气态贮存比较现实。,IV氢能源利用的障碍,1.高压气态贮存 气态氢可贮存在地下库里，也可装人钢瓶中。必须先将氢气压缩，为此需消耗较多的压缩功。一般一个充气压力为20MP的高压钢瓶贮氢重量只占1.6；供太空用的钛瓶储氢重量也仅为5。为提高贮氢量，目前正在研究一种微孔结构的储氢装置，这个研制还在进行中。,
12、IV氢能源利用的障碍,2.低温液氢贮存 氢气在1个大气压下，冷冻至-252.720C以下即可变为液态氢，这时它的密度提高，体积缩小。但是，液态氢需保存在专门的深冷杜瓦瓶里面，虽然其制造技术已有很大发展，最大容积可达5000m3以上，不过造价昂贵，而且每千克氢气由气态变为液态的过程中，实际需要消耗大11kWh的电力。所以非特殊要求，这种深冷液化储氢方法在经济上是不易被人们接受的。现在多数火箭燃料还是使用液态氢，其储运办法只有此法可取。,IV氢能源利用的障碍,3.金属氢化物贮存 为解决氢的储存问题，人们发现钛、铌、镁、锆等金属和它们的合金，能像海绵吸水一样将氢储存起来，形成储氢金属，而且还可以根据
13、需要随时将氢释放出来，这就是金属氢化物储氢。这样，就大大方便了人们对氢的储存、运送和使用。,IV氢能源利用的障碍,氢虽然具有很好的可运输性，但不论是气态氢还是液氢，它们在使用过程中都存在着不可忽视的特殊问题。首先，由于氢特别轻，与其他燃料相比在运输和使用过程中单位能量所占的体积特别大，即使液态氢也是如此。其次，氢特别容易泄漏，贮氢容器和输氢管道、接头、阀门都要采取特殊的密封措施。第三，液氢的温度极低只要有一点滴掉在皮肤上就会发生严重的冻伤，因此在运输和使用过程中应特别注意采取各种安全措施。,IV氢能源利用的障碍,能否将氢气像运输煤气一样用管道从储存库运往用量最多的消费部门。国外有些国家已经建成
14、了这种输氢管道：现在美国德克萨斯州有条约20 km的输氢管道，管径203 mm，采用40号新钢种，输送1.38 kPa的纯洁氢，已安全运行24年；德国有条200多千米长的输氢管道，采用无缝钢管，管道直径130150 mm，输送1.8 kPa的不纯氢，主要用于化工厂，使用年限已超过40年，运行情况仍然良好；南非在20世纪90年代初也建成了一条80多千米的输氢管道。可见氢气的管道输送技术较为成熟，但一般认为短距离较好，距离过长，要有中间加压措施，建造比较复杂。,IV氢能源利用的障碍,运输液态氢短距离可用专门的液氢管道输送，长距离用绝热保护的车船运输。如国外已有3.580m3的公路专用液氢槽车；深冷
15、铁路槽车也已问世，储液氢量可达100200m3，可以满足用氢大户的需要，是较快速和经济的运氢方法。美国宇航局还专门建造了输送液氢的大型驳船，船上的杜瓦罐储液氢的容积可达1000m3左右，能从海上将路易斯安娜州的液氢运到佛罗里达州的肯尼迪空间发射中心，这样无疑比陆上运氢更加经济和安全。,V小水电建设,小水电建设存在问题 小水电项目的建设，其效益显著，但也存在着如下一些不容忽视的问题，严重影响了小水电项目的经济效益。设备利用率偏低。用电负荷与自然资源不协调。经营体制不完善，规章制度不健全。上网电价偏低。,2012.03.05,总结汇报,利用小水电低价电能发展电解水制氢产业,我国有些偏远山区具有丰富
16、的水利资源。但是，这些地区地广人稀，居住分散，交通不便，经济落后，当地用电负荷很小，无法就近消耗小水电生产的大量电能；再加上这些地区距离电网很远，很难通过远距离输电线路与电力系统并网。因此，有些偏远山区丰富的水利资源，得不到开发利用。开发利用偏远山区的水利资源，兴建径流式小水电站，获得低价电能，发展电解水制氢产业，就地就近消耗小水电生产的电能，不仅技术上可行，而且还有非常可观的经济、社会和环境效益。径流式水电站单位投资有望降到4000元/kW以下，而发电成本则可能降到0.2元/kWh以下，甚至0.1元/kWh以下。,2012.03.05,总结汇报,结合“小水电代燃料工程”发展电解水制氢产业,自
17、2003年以来，水利部牵头在全国5个省26个县启动了小水电代燃料工程试点，兴建和扩建了几十座小型水电站。这些水电站大部分都并网运行，以较低的电价给农民供电。丰水期剩余电量上网销售，枯水期从电网购电保证代燃料电量供应。小水电代燃料到户电价约为0.2元kWh，上网电价约为0.24元kWh，而枯水期从电网回购电价约为0.35元kWh。目前，我国正在积极推进“小水电代燃料生态建设工程”，如果在一些小水电站内增加电解水制氢产业，不仅解决了农村用电问题，还可以利用富余电力制取氢气。这样一来小水电站不仅出售电能，而且还出售氢气和氧气，提高了水电站的综合经济效益。,2012.03.05,总结汇报,电解水制氢效
18、益分析,电解水制氢纯度可达99.599.8，达到了工业氢一等品99.5的纯度指标。目前工业氢每立方米售价5-6元m3。国内外普遍认为电解水制氢，每度电可以制氢0.2m3，产氧气1.6m3。举例说明。,2012.03.05,总结汇报,电解水制氢效益分析,浙江省某化肥厂电解水制氢，电费按工业电价0.4元/kWh计算，在制氢气成本中电费占84.41，其他工资及附加费、设备折旧及检修费、原材料及辅助材料费分别为4.68、8.05、1.86。初步测算，如果在装机容量为300kW的小型水电站内设置电解水制氢车间，电站每天可向制氢车间提供5000kWh电能。按每年连续生产300天计算，制氢车间可年产氢气30
19、万m3，耗电150万kWh。小型水电站就近就地给制氢车间供电，每度电降到0.10.2元/kWh，如果按0.2元/kWh计算，则年电费为30万元。随着电价的降低，电费占制氢成本比例也会降低，可能由80降到50左右。全年制氢总成本为60万元左右。工业氢售价按56元/m3计算，制氢车间年产值可达150180万元，则税前利润为90120万元。经济效益十分可观。,2012.03.05,总结汇报,电解水制氢的设备和工艺,一套完备的制氢工艺装置应该由电解槽、气液处理器、整流装置、控制柜(计算机管理系统)、加水泵、碱箱、水箱、附属设备框架，除盐水闭式冷却装置以及系统内的电气及控制设备、管道、阀门和仪表等几大部
20、分组成。制氢装置和纯化系统为氯化氢合成、三氯氢硅合成、还原炉、氢化炉系统所需的氢气，其纯度和湿度应满足各用氢系统的要求。,电解水制氢的设备和工艺,制氢装置基本由七个系统组成1气体系统2电解液循环系统3气体排空（氮气置换）系统4原料补充系统5冷却水系统6排污系统7补碱系统,电解水制氢的设备和工艺,制氢系统简介中压电解水制氢装置是一组可以安全可靠地连续生产氢气的成套设备，它采用工作温度为7085的碱性水溶液电解装置，其主设备为电解槽。在电解槽后连有氢侧系统、氧侧系统及补给水系统和碱液系统等，如下图所示。,电解水制氢的设备和工艺,电解槽+气液分离器,电解水制氢的设备和工艺,电解槽原理和结构电解槽是制
21、氢装置的主体设备，它的主要性能要求是：制得的氢气纯度高；能耗低；结构简单；制造维修方便且使用寿命长；材料的利用率高；价格低廉。目前广泛使用的是压滤式水电解槽，其结构如下图所示。,电解水制氢的设备和工艺,电解水制氢的设备和工艺,在直流电作用于氢氧化钾水溶液时，在阴极和阳极上分别发生下列放电反应，见图：,电解水制氢的设备和工艺,电解槽中的主要部件和材料如下：（1）极板与端极板。电解槽中间的隔板叫极板。极板由三片钢板组成，中间一块起分隔电解室及支持作用，无孔。其两侧分别铆接一块镍丝网，一侧为阳极，一侧为阴极。阳极的一侧为防止氧腐蚀而镀有镍保护层。阴极的一侧为减少超电压而镀有活化层。电解槽两端的极板称
22、为端极板，阴、阳端极板内侧各焊一块镀镍的阳极和不镀镍的阴极。端极板除了起引入电流的作用外，也起紧固整个电解槽钢板的作用，所以要厚一些。（2）隔膜框。隔膜框是构成各电解室的主要部分，每一个隔膜框构成一个电解室。它是一种空心环状厚钢板，在里圈由压环将石棉布固定在上面。石棉布呈多微孔组织，以便通过K+和OH-。隔膜框上部在氢、氧两侧均开有小孔，称为气道圈，用以通过氢气和氧气。隔膜框下部设有液道圈，用以通过电解液。,电解水制氢的设备和工艺,（3）绝缘材料。隔膜框与极板之间设有绝缘垫圈。要求绝缘垫圈能够耐碱、耐热、耐压力。它能起到绝缘作用，使隔膜框不带电，而且有密封作用，以防止电解液外漏。（4）电解液。
23、电解液浓度为30%的KOH溶液。电解液中的杂质对水的电解有很大的影响。Cl-和SO能强烈地腐蚀镍阳极；Fe3+附着于石棉布隔膜和阴极上，会增大电解电压，CO能恶化电解液的导电度，含量过高会析出结晶；Ca2+、Mg2+有可能生成其碳酸盐沉淀，堵塞进液孔和出气小孔，造成电解液循环不良。另外，在电解过程中不断地补充水和碱都将可能引入上述杂质离子。,电解水制氢的设备和工艺,所以，为了保证电解槽的正常运行和延长使用周期，固体碱、补充水和电解液应当符合如下标准：,电解水制氢的设备和工艺,气液处理器（包括气液分离器、气体洗涤器、碱液及气体冷却器、碱液过滤器、屏蔽泵等）气液处理器是一个包含许多化工过程的多功能
24、综合设备，它的作用如下：（1）借助于重力，使水电解产生的氢气和氧气与循环碱液分离。（2）借助于氢、氧分离器的压力控制，保持电解槽小室中阴极侧和阳极侧的压力平衡。（3）维持水电解过程中所需的电解液含量。并观察液位。（4）通过处理器内设置的蛇管冷却循环碱液，控制槽温。（5）除掉气体中的碱雾及液滴并降低气体温度,电解水制氢的设备和工艺,气液处理器的结构：该型处理器分为两段，下部为分离冷却段，上部为洗涤冷却除雾段。,电解水制氢的设备和工艺,气液分离器电解槽产生的氢气与氧气由电解槽溢出时，携带了部分呈雾状的电解液与气体一同进入各系统中。分离器的作用之一就是利用冷却和扩容作用充分分离出电解液，并使之重新流
25、回电解槽，分离器的第二个作用就是保证电解槽在满负荷或空载时，始终充满电解液。另外，由于电流通过电解液时有一部分电能变为热能而使电解液温度升高，分离器还有冷却电解液的作用，使温度保持在80以下。,电解水制氢的设备和工艺,气体洗涤器从分离器送出的氢、氧气体的温度较高，其中仍然含有水蒸气和少量电解液，所以必须再经过气体洗涤器进一步冷却、洗涤。在洗涤器中将气体温度降至常温，减少气体中的含水量，洗去电解液，以满足用氢设备的要求。气体洗涤器中部通入由补给水箱送来的纯水，氢气由上部进入，通过下部喇叭口，在穿过洗涤水时将残留的电解液溶于水中，再由中上部排出，成为较纯净的氢气。洗涤器的下部由于溶解了气体中的微量
26、碱液而排出稀碱液。这些稀碱液并入碱液循环系统作为补充水进入电解槽。,电解水制氢的设备和工艺,压力调节器中压生产流程中利用此装置调整电解槽氢、氧两侧的压力，防止由于槽内的压力不平衡而造成氢、氧气互相渗透形成爆炸气体(低压生产流程中则可甩贮气柜、分离器、洗涤器来调整压力)。目前采用的压力调整器有浮球调节阀式和薄膜调节阀式两种。,电解水制氢的设备和工艺,冷却器冷却器的构造与分离器的基本相同，如图所示。容器内有蛇形管，冷却水在容器内由下至上进行循环冷却。冷却器与分离器的不同之处是氢气走蛇形管，冷却水走管外。冷却器只在氢侧系统中设置。冷却器的作用在于分离和除掉由平衡箱出来的氢气中所带的少量水分，并使气体
27、得到冷却，它可使氢气中的水含量降低到5g/m3以下，冷凝后的水分可通过排污门定期排出。,电解水制氢的设备和工艺,砾石阻火器、水封槽系统运行时为保障安全而设置这两个设备。如果气体出口处发生火灾，两个设备可以阻止火焰延烧到系统内部，避免造成重大事故。氧侧系统中设有水封槽，结构如右图所示，它的作用是净化氧气，也起挡火密封的作用。一般氧气不收集而对空排放掉，因此，水封槽的重要性就更大了。阻火器内部充填粒度为1020mm的洁净碎石，设置于氢气放空出口处，三个氢气储罐在弹簧安全阀后面可以串联起来，使用一个挡火器。,电解水制氢的设备和工艺,干燥器干燥器为圆形立式设备，其主要作用是利用干燥剂对氢气进一步干燥，
28、以获得更干燥的氢气。干燥器内一般装填5A的球形分子筛，其再生温度为180250，再生时间为810h。储气罐电解产生的氢气、氧气，经过一系列净化和冷却处理，最后存入储气罐备用。为防止着火事故，储氢罐与大气间安有阻火器和弹簧安全阀。当罐内压力超过规定值时，气体可安全排出。,电解水制氢的设备和工艺,碱液过滤器和碱液溶解箱碱液过滤器的作用是消除电解液中的残渣污物，使电解槽运行正常。一般采用80100目的镍丝网制作过滤器的滤芯，并且要定期清洗。配碱箱用于配制KOH电解液及储存碱液，一般为不锈钢制容器，也可内衬耐腐蚀的塑料板，箱侧装有液位计。可控硅整流装置：整流装置由整流变压器、整流柜组成，用于供给电解所
29、需直流电源。控制柜：控制柜包括工控机（PLC）、二次仪表、氢气和氧气分析仪、稳压电源及操作按钮、开关等、可实现自动检测、调节、显示、故障报警、联锁、自动开机与停机等功能。工控机是控制部分的核心。,电解水制氢的设备和工艺,三、纯化装置纯化装置主要由脱氧器、干燥器、冷却器、气水分离器、气体过滤器及各种阀门管道组成。,电解水制氢的设备和工艺,气体纯化装置,电解水制氢的设备和工艺,1、脱氧器脱氧器利用脱氧器内的催化剂去除氢气中的氧杂质等。一般可将氢气中的氧气杂质从百分之几纯化到ppm级。在催化剂的作用下，氧和氢迅速反应生成水，通常选用氧化铝镀钯为催化剂，它具有很高的活性，在高气流速度下也能达到很高的脱
30、氧深度。氢、氧在催化剂的作用下反应时放出大量的热量，当混合气体中含量为1%时，在绝热条件下气体的理论升可达到165。,电解水制氢的设备和工艺,2、干燥器干燥器是利用干燥器内的活性氧化铝和分子筛对水的强烈的吸附能力来达到消除氢气中所含有的水份。当吸附剂工作一段时间后就会因吸附量达到饱和而失去继续工作的能力，这时必有对干燥剂进行再生方可继续使用。该流程由于采用产品氢气再生干燥剂，再生效果好，产品氢气可达到99.9999%，露点可低于-70。,电解水制氢的设备和工艺,3、冷却器冷却器的作用是将再生的热氢气进行冷凝，脱除热氢气从干燥剂中夹带出的水，提高再生效果。冷却器为列管式冷却器，管内通7的冷却水，管间能气体，并装有折流板，以增加传热效果。冷却水流向和气体流向一般采取逆流。,电解水制氢的设备和工艺,4、气水分离器气水分离器为一不锈钢容器，其内部装有不锈钢丝网或滤芯，其主要作用是除去气体中的游离的液滴。其结构如下图：,电解水制氢的设备和工艺,5、气体过滤器气体过滤器为一不锈钢容器，内部装有组合式气体过滤芯，主要作用是滤去气体中夹带的微小粒状物质。其结构如下图：,演示结束,谢谢大家！,
