氢能的重要性和制氢方法浅析

维普资讯 http://www.cqvip.com ＲＯＵＮＤＴＡＢＬＥ　ＦＯＲＵＭ　Ｉ　氢能的重要性和制氢方法浅析　潘健民　／南京理工大学上海工程技术大学　魏运洋／南京理工大学　李永峰徐菁利／上海工程技术大学　摘要氢能是一种储量丰富、热值高、无污染的新能源。常见的工业制氲方法有：化石燃料制氢工艺、电解水　制氢，催化热分解碳氢化合物制氢，生物制氢等。当前世界范围内的制氢研究十分活跃，开发氢能源及在未来　发展氢能经济对于经济高速增长、能源进口依赖较大、消耗与日俱增的我国，具有十分重要的战略意义。　关键词　氢能　化石燃料　催化热分解　生物制氢　工业革命以来，传统的化石燃料能　来越多的关注。氢能开发正在引发一场　热点　源日益枯竭，化石燃料能源的储藏量　深刻的能源革命，并将成为２１世纪理想　１．１资源丰富　日益枯竭。温室气体浓度迅速上升，以　的二次能源．并由此引发了对氢能经济　ＣＯ。为例，自１７５０年至今，其全球浓　的讨论和思考…。　度上升了３１％。而过去２０年　其浓度　的增加率保持在每年０．４％，近１０年加　ｌ氢能的特点　速为０－７％，这种惊人的增加率已经加　速了全球变暖的进程，导致了明显的　“氢能经济”或”氢经济”一词，为　地球上的氢资源极其丰富。据估　算，地球上的海水有１．３　Ｘ　１０　ｔ　其中，　含氢量为１．５１×１０”ｔ。　１　２热值高　氢具有最高的能质比。氢的燃烧值　远比烃类和醇类化合物高，约为汽油或　气候变化，引发了一系列资源与环境　美国通用汽车公司于１　９７０年石油危机　天然气的２ｌ７倍，煤的３．５倍【　。　问题。　时所创　主要为描绘未来氢气取代石油　１．３无污染　与化石燃料燃烧时排放大量污染物　人们迫切需要在有效地利用化石燃　成为支撑全球经济的主要能源后，整个　料的同时．及时开发清洁、价廉的新能　氢能源生产、配送、贮存及使用的市场运　和温室气体不同，氢气燃烧的唯一产物　源，以逐步取代现有的化石燃料　达到　作体系［　２－３］。但随后２０年间中东形势趋　是水　它是理想的清洁能源。减少污染与温室气体排放、最终实现零　缓　原油价格下跌，对于氢能经济发展的　’　排放的目的。而氢能以其储量丰富、热　相关研究渐少。２０世纪９０年代末期能源　２发展氢能的重要性　我国石油能源相对稀缺，５０％以　值高、清洁、高效、便于运输等特点在　问题和气候变化问题引起重视以后　氢　人们探索的众多新能源中，引起人们越　能与氢能经济再度成为世界各国研究的　｛上海市重点学科“天然源农药化学工程”（Ｐ１　４　ｏ　２）和上海市重点科技攻关项目“生态氢的制备与储氢载体的研究与运用”（Ｐ　ｏ　７１　６　０　５１　２　２）及上海市教委　项目“发酵法纯培养生物制氢机理与工程技术”的共同资助　｛十潘健民、现挂职上海市宝山区环保局副局长。　｛ｉｎ　如，ｊ｝　５９　誊　！｜　０ｌ酗　嚷ｌｌＩ１　＿　维普资讯 http://www.cqvip.com ｜　上的机动车燃料依赖进口。在国际　池的热效率比内燃机和～般火力发电高　上．石油已经成为一个影响国际地缘　２０％～５０％而化石燃料制氢吸热为６３ｋＪ／ｍｏｌ，　因此，发展氢能可大大地　而化石燃料制氢过程大约要排放０．４３ｍｏｌ　Ｃ０２／ｍｏｌ　Ｈ。。甲烷催化裂解制氢是甲烷　在高温下被催化分解为氢和碳．由于基　政治、经济，甚至引起战争问题。因　节能。　此，我国必须改变能源结构．发展可　再生能源。　３工业制氢的几种主要方法　本不产生ＣＯ。．被认为是连接化石燃料　和可再生能源之间的过渡工艺。其关键　２．１解决我国能源短缺问题　随着我国工业、交通运输业等高　３．１化石燃料中制氢　能源消耗行业的发展，大幅拉升了我　问题是　所产生的碳应具有重要用途和　从含烃的化石燃料中制氢是过去及　广阔的市场前景，否则大量的副产品一　国能源需求。传统化石燃料储量有限　解决能源短缺的根本对策之一就是开　发新能源　在此氢能不失为一个好的　选择。　２．２适应清洁环境的要求　我国是世界上最大的煤炭消费国，　ＣＯ。排放总量居世界第二。根据《京都　协议书》，我国在２０１２年前不承担减排　义务．但是从长远看面临的压力会越来　越大。面对清洁生产的呼声，氢能可以　更方便地得到推广。　２．３缓解石油价格上涨对我国经济的冲击　近两年我国石油消费增长速度超　过１Ｏ％以上，能源消费弹性系数明显　上升．我国石油对外依存度已达到　４０％国际油价大幅攀升必将给国民　经济各行业带来较大的；中击。从我国　经济发展的总体状况来看．高油价恶　化了我国外部经济环境．抑制了我国　经济增长势头，增加经济走向的变数，　加剧潜在通胀压力　加大调控政策操　作的难度　增加外汇开支．加大ＲＩ＇；Ｅ平　衡压力。　２．４促进各类可再生能源的发展　氢能有很多优点．它是一种二次能　源　要由一种一次能源来生产，各种可　再生能源　与氢能相结合．往往会得到　更加充分的利用。因为各种可再生能源　均不易贮存，例如在发展风能过程中，　就遇到风能的贮存问题，特别是半夜电　网处于低负荷时．如果此时正好遇上风　大．可充分供电时，如果配上电解水制　氢设备　就可以利用此时丰富的风电．　电解水制氢　其他如水电站在丰水期　等　均有潜力可挖。由于氢能和燃料电　６ｏ｛‘“．☆ｊｆ　现在采用最多的方法。它是以煤、石油或　天然气等化石燃料作原料来制取氢气［６Ｊ。　用蒸汽和煤作原料来制取氢气的基本反　应过程为Ｃ＋２Ｈ２０一ＣＯ　＋２Ｈ　：用蒸　汽和天然气作原料的制氢化学反应为　ＣＨ　＋２Ｈ２Ｏ—ＣＯ２＋４Ｈ２。上述反应均为　吸热反应．反应过程中所需的热量可以　从煤或天然气的部分燃烧中获得，也可　利用外部热源。自从天然气大规模开采　后．９０％以上的制氢都以天然气为原　料。天然气和煤都是宝贵的燃料和化工　原料，其储量有限　且制氢过程会对环　境造成污染。故用它们来制氢显然摆脱　不了人们对常规能源的依赖和对自然环　境的破坏［　。　３．２电解水制氢　分解水所需要的能量是由外加电能　提供的。为了提高制氢效率，电解通常　在高压环境下下进行，采用的压力多为　３．０～５．０ＭＰａ。目前电解效率约为　５０％～７０％。由于电解水的效率不高且　需消耗大量的电能，因此利用常规能源　生产的电能来大规模地电解水制氢，显　然很不经济。　３．３催化热分解碳氢化合物制氢　化石燃料制氢在制氢的同时会产生　上千万吨的ＣＯ。　处理这些对环境有害　的ＣＯ，代价很大　近年来，甲烷热分解（高温分解．裂　解）无ＣＯ，制氢能避免ＣＯ，的排放，成为　人们研究的热点。甲烷分解是一个温和　的吸热反应．１ｍｏｌ氢气只需要３７．８　ｋＪ的　能量．该法的ＣＯ。的排放量约为０．０５ｍｏｌ　ＣＯ。／ｍｏｌ　Ｈ。。　ＣＨ４一Ｃ＋２Ｈ２，△Ｈ０＝７５．６　ｋＪ　碳不能得到很好的应用，必将限制其　规模的扩大【　。　金属催化剂催化分解甲烷甲烷是　种很稳定的有机分子．其Ｃ—Ｈ键　能较高（４４０　ｋＪ／ｍｏ１），热分解甲烷需　要１　０００。Ｃ以上的高温。过渡金属催化　剂可用来降低甲烷分解的温度。镍基　催化剂在适中的温度下（５００～７００　。ｃ），以其高的催化活性和生产碳纤维　或碳纳米管的能力成为人们竞相研究　的热点：铁基催化剂在稍高的温度条　件下有较高的分解效率，也可以催化　形成碳纳米管。当金属颗粒被无活性　的石墨层所包裹时．催化剂将失活。金　属催化剂催化甲烷分解在较高的温度　还有可能生成其他形式的碳．同时由　于碳沉积阻塞活性位而造成催化剂快　速失活。无催化剂的甲烷分解反应在　高于１　０００～１　１Ｏ０。Ｃ的情况下会生成　不同形态的无定形碳和炭黑。　碳基催化剂催化分解甲烷碳基催　化剂相对于金属催化剂有效率高、失　活后易再生、成本低的优点。碳基催化　剂通过活性碳颗粒催化分解甲烷产生　富氢气体产物，同时产生的碳沉积在　催化剂碳颗粒表面。该过程可以用自　身产生的碳来催化分解甲烷，不需要　外加催化剂和从碳催化剂上分离除去　沉积碳。碳基催化剂催化分解甲烷在　相对高的温度下可以使碳颗粒的比表　面积保持的时间比较长，催化分解甲　烷的氢产率比较高。　３．５生物制氢技术　在１９世纪．人们就已经认识到细　菌和藻类具有产生分子氢的特性。２０　ＲＯＵＮＤＴＡＢＬＥ　ＦＯＲＵＭ　Ｉ　维普资讯 http://www.cqvip.com 世纪７０年代的石油危机使各国政府和　科学家意识到急需寻求替代能源　生　廉，产氢所转化的能量来自生物质能　和太阳能，完全脱离了常规的化石燃　物制氢第一次被认为具有实用的可能　料。因此，发展生物制氢技术符合国　＿９＿人们以碳水化合物为供氢体．利用　家环保和能源发展的中、长期政策．　前景广阔。　纯的光合细菌或厌氧细菌制备氢气．　并先后用一些微生物载体或包埋剂．　细菌固定化的一系列反应器系统进行　４结语　了研究。直到２０世纪９０代年后期．人　们直接以厌氧活性污泥作为天然产气　微生物，以碳水化合物为供氢体．通过　节能减排，保护环境是人类实现　可持续发展的迫切要求　而清。、，＋￣　１９ｂ源一　厌氧发酵成功，制备出生物氢气　因　而使生物制取成本大大降低．并使生　物制氢技术在走向实用化方面有了实　氢能的开发及利用．是一种切实可行　的道路，以氢能经济为主的工业经济模　式将在可期的未来．给人类生活带来巨　质性的进展。以厌氧活性污泥为菌种　大变革。①　来源，利用非固定化菌种进行生物制　氢，大大提高了生物制氢技术工业化　参考文献　的可行性，也成为近来国际上生物制　［１】毛宗强．氯能　氢技术研究的热点［伸］。　２１佳！＝纪的绿色能源　ｆＭ］．北京：化学工业出版社，２００　５．　Ｐｈｉ１ｉＰ　Ｉ｛．Ａｂｅｌｓｏｎ，Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　生物制氢技术的优越性体现在所　［２］　Ｃｅｌｌｓ［Ｊ】．Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｌ９９０（７）．　使用的原料极为广泛且成本低廉．包　Ｆｕｅｌ　３］Ｄｅｒｅｋ　Ｐ．Ｇｒｅｇｏｒｙ，Ｔｈｅ　Ｈｙｄｒｏｇｅｎ　括一切植物、微生物材料　工业有机　１ｉ］ＹＩ川．ＳＣｉｅ　ＴＩｔｉｆｉＣ　ＡＩｌｌｅｒｉ　Ｃａｎ，　物和水：在生物酶的作用下，反应条　ＥＣＯｎｏｉ件为温和的常温常压，操作费用低　一一～一一～一一一～～～一～一一一一一一～～一一　ｌ　９７　３（１）．　一～一一　一　～一　一　一～～～～～一一～　～一　一～　一　～　一一一～～一　一一～一　一一～一　一一～～～一一～一一一一　鄂托克经济开发区创新机制确保环境安全　＿二　，　、ｕ　．二　曙　№　Ｊ＾　与环　粉境　．　鄂尔多斯市鄂托克经济开发区环保局明确自身职责范畴，结合地区实际，对维护社会环境安全建立了　全新的“２ｊ　４　５’’工作机制，在今后维护社会环境安全工作方面做到“两个严惩不怠”、“三个高度负责”、“四　个积极配合”、“五个自加压力”。　“两个严惩不怠”：对违法企业严惩不怠；对个人的环境违法行为严惩不怠。　“三个高度负责”：对人民群众的生命财产安全高度负责；对维护地区环境的安全、和谐、稳定高度负　责；对环境危险事件的本身高度负责。　“四个积极配合”：积极配合属地领导稳妥、迅速地解决突发环境事件；积极配合相关部门做好宣传引　导，杜绝发生环境越级上访及群体性事件；积极配合相关部门尽快建好与人民生活环境息息相关的垃圾处　理厂、污水处理厂等集中处理设施；积极配合有关部门做好敏感企业环境安全防范工作。　“五个自加压力”：在进一步维护社会稳定方面自加压力；在积极推行政务公开，鼓励公众参与舆论监　督方面自加压力；在对环境安全隐患的排查梳理方面自加压力；在进一步严格对违法事件当事人的依法处　理方面自加压力；在进一步加大对环境污染事件的责任追究方面自加压力。　（何万丽马宁）　｛ｔ　ｊｒ　６１