氢气不仅是重要的工业原料和还原剂,也是燃料电池的必要燃料。随着燃料电池的推广和普及,燃料电池汽车进入成熟市场,氢的消耗量也会以惊人的速度增加。目前工业制氢主要有几种方法:
采用化石燃料制取氢气;
从化工副产物中提取氢气;
采用来自生物的甲醇甲烷制取氢气;
利用太阳能、风能等自然能量进行水的电解。
氢气制造方法
化石燃料制氢
化石燃料制氢是比较传统的制氢方法,也是制氢的老工艺,但仍然离不开对化石燃料的依赖,并且会排出二氧化碳等温室气体,导致燃料电池环保价值降低。一般用于制氢的化石燃料为天然气。天然气制氢的过程是:在一定的压力和高温及催化剂作用下,天然气中烷烃和水蒸汽发生化学反应。转化气经过沸锅换热、进人变换炉使C0变换成H2和CO2。再经过换热、冷凝、汽水分离,通过程序控制将气体依序通过装有3种特定吸附剂的吸附塔,由变压吸附(PSA)升压吸附N2、CO、CH4、CO2,提取产品氢气。
天然气制氢原理
焦炉气制氢
焦炉气制氢技术是采用变压吸附的工艺,从炼焦行业副产的焦炉气中提取纯氢。其基本原理是利用固体吸附剂对气体的吸附具有选择性,以及气体在吸附剂上的吸附量随其分压的降低而减少的特性,实现气体混合物的分离和吸附剂的再生,达到提纯制氢的目的。
焦炉气制氢原理
甲醇裂解制氢
甲醇裂解制氢的工艺过程是甲醇和除盐水按一定的配比混合,加热至270℃左右的混合物蒸汽,在催化剂(Cu-Zn-Al)或者(Cu-Zn-Cr)的作用下,发生催化裂解和转化反应。
甲醇裂解制氢原理
电解水制氢
氢气还能够通过传统的电解水法获得,但这种方法由于能耗过高,除已建成装置外,已少有新建装置。
电解水制氢
有上述各方法可知,在工业上目前已经有多种制氢的途径。这些方法都有各自的优势和局限性。天然气制氢和焦炉气制氢均适用于大规模制氢,但也均受限于原料的供应,并且具有污染性。在环保方面,焦炉气制氢利用的虽然是炼焦的副产物,但无法去除其中的污染物,而天然气制氢依然需要化石燃料作为原料。相比之下,甲醇裂解制氢具有投资低、建成快、无污染等特点,并且甲醇作为原料可以更为灵活,但甲醇裂解制氢难以进行大规模的制氢。
从经济性上看,制氢的成本很大程度上取决于原料的成本,随原料价格的波动非常明显。就目前的原料价格水平看,焦炉气制氢和天然气制氢成本更低。
综合目前工业制氢方式的优劣势及成本考虑,如果用氢装置附近有丰富的焦炉气资源,焦炉气制氢技术是首选的工艺技术方案。考虑到制氢规模的要求,天然气制氢技术在能够取得天然气资源的情况下也是优选的方案。甲醇裂解制氢的成本波动性大,制氢规模小,但装置成本低,因此适用于间断性、补充性的氢气制造。
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