电解水制氢氧

1、电解水制氢氧作者:日期:1概述氢能是一种二次能源，最丰富的含氢物质是水H20,其次就是各种矿物燃料（煤、石油、天然气）及各种生物质等。各种矿物燃料制 氢，因其制氢成本较其它物质制氢成本低，是目前制氢的最主要方法。 但矿物燃料储量有限，且制氢过程会对环境造成污染。从长远看以水 为原料制取氢气是最有前途的方法， 原料取之不尽，而且氢燃烧放出 能量后又生成产物水，不造成环境污染。以煤为燃料制气生产合成氨、甲醇等化工产品及生活煤气时，造 气炉多以氧作为辅助气化剂。氧气靠空分装置分离空气得到。电解水 制氢气、氧气，氧气供造气炉用，氢气作为合成气使用。此流程能使 氢、氧得到很好的使用。2电解水制氢、氧水分

2、解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。 水为原料制 氢过程是氢与氧燃烧生成水的逆过程，因此只要提供一定形式一定的 能量，则可使水分解。以水为原料制氢主要有：1热化学循环法、2光化学法、3电解法、4高温水热裂法制氢等。热化学循环法制氢 是利用太阳能或高温气冷堆原子能电站的热能，使反应不断 循环进行，达到连续制氢的目的。光化学制氢是以水为原料，光 催化分解制取氢气的方法。光催化过程是指含有催化剂的反应体系， 在光照下由于有催化剂存在，促使水解制得氢气。水电解制氢是一种较为方便的方法。在充满电解质的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。高温水热裂法制氢：将水蒸汽加热

3、300K以上，使水分子热裂，直接分解成氢气 和氧气。水电解制氢是目前工业化制氢、 氧所采用的最广泛的方法。电解水制氢，关键是耗能问题。以电能换氢能，成本很 高。日本开发了高温加压法，将电解水的效率提高到75%; 美国建成一种SPE工业装置，能量效率达90%;我国研制了 双反应器制氢工艺。先进的PEM电解工艺，是一种可逆的电 /氢转换装置，是燃料电池和产氢的电解槽的统一，总转换 效率可达95%。电解水制氢的电耗一般为4.55.5kwh/m3。 正在开发的新工艺有：固体电解质电解水制氢，可简化流 程，提高制氢效率和降低能耗；高温水蒸汽电解工艺，电耗 可降低到3kwh/ m3。电解水制氢气的投资成本

4、与其规模成正比，大型碱电池制氢系统 的单位投资成本一般为400-600美兀/kW,电解水的规模可以大到11 万千瓦。目前市场上的电解槽可以分为三种：(1)碱性电解槽(2)质子交 换膜电解槽(3)固体氧化物电解槽。碱性电解槽是最早商业化的电解 槽技术，虽然其效率是三种电解槽中最低的，但由于价格低廉，目 前仍然被广泛使用，尤其是在大规模制氢工业中。碱性电解槽的缺点 是效率较低和使用石棉作为隔膜.石棉具有致癌性，很多国家已经 提出要禁止石棉。碱性电解槽中的使用。质子交换膜电解槽由于转换效率很高而成为很有发展前景的制氢装置.由于采用很薄的固体电解质(PEM),具有很好的机械强度和化学稳定性，并且欧姆损

5、失较小 在日本，效率达94.4%的质子交换膜电解槽已经研制成功11. 但 由于质子交换膜(目前常用的是由杜邦公司的 Nafion)和使用铂电极 催化剂，价格昂贵，制约了其广泛使用。固体氧化物电解槽(SolidOxide Electrolyzer)是另一种新兴的电解槽技术。这种电解槽的缺点是工作在高温，给材料的选择带来了一定限制.优点是较高的反 应温度使得电化学反应中，部分电能被热能代替，从而效率较高，尤 其是当余热被汽轮机，制冷系统等回收利用时，系统效率可达90% 目前三种电解槽的成本分别为：碱性电解槽US$400-600/kW, PEM电 解槽约US$2000/kW,固体氧化物电解槽约 US

6、$1000-1500/kW电解水 的规模可以大到11万千瓦。考虑到投资成本及规模，本方案采用碱 性电解槽。3煤制氢、空分制氧煤制氢是，煤为燃料，氧气、水蒸汽为气化剂，在造气炉中生成 含氢、一氧化碳、甲烷、二氧化碳的粗煤气。不同的造气炉各有优缺 点。以碎煤熔渣气化炉为例，5-40mm的煤以氧、蒸汽为气化剂，在 1300-1350C, 3.0Mpa的条件下，生成的粗煤气中氢占33.4%, 氧化 碳占33.5%,甲烷占7.3%。根据生产工艺的要求，一氧化碳经变换制 得到氢，甲烷经转化制得氢。空分制氧是，空气经压缩、冷却、分离、 精馏得到氧气和氮气。4空分制氧与电解水制氧比较4.1空分制氧lOOOON

7、rm (CO+H /h例，空分制氧供造气炉作为气化剂使用与 电解水制氧供造气炉使用，氢作为合成气两方案比较如下。 空分制氧 供造气炉作为气化剂使用，造气时lOOOONm(CO+H /h需耗标煤6.2 t, 380V 电400Kwh低压蒸汽0.3 t, 一次水10t,循环水100 t, 氧2000 Nm/(Q)。空分生产2000 NR1/O2需耗循环水500 t,中压蒸 汽 5.28 t, 6000V 电 32Kwh, 380V 电 19.2Kwh。 3600mm气化炉的单 炉生产(CO+H能力为40900Nm3/h造气装置投资按4千万计，运 行15年，每年7200 h,每产生10000Nm (

8、CO+H设备成本为90.56 元。25000空分装置投资按8千万计，运行15年，每年7200 h，每 产生2000NrTiO2设备成本为59.26元。标煤按250元计，电价按0.25 元计,循环水0.08元/ m3, 次水0.16元/ m3,中压蒸汽45元/ t,低 压蒸汽38元/ t。表一：煤制气造气成本估算(10000NmCO+H/h )序号名称规格单位数量单价总价备注1标煤t6.225015502蒸汽0.6MPat0.33811.43电kw.h4000.251004循环水32 C3m1000.0885一次水32 C3m100.161.66造气装置折旧90.56共计1761.6表二：空分生

9、产2000Nm/02成本估算序号名称规格单位数量单价总价备注1蒸汽4.9MPat5.2845237.62电kw.h51.20.2512.83循环水32 C3 m5000.08404空分装置折旧59.26共计349.66含lOOOONm （CO+2H的粗煤气，经变换、净化成合成气的成本按300元考虑。表三：空分制氧供煤制气，净化得到氢的成本估算:序号名称规格单位数量单价总价备注1标煤t6.225015502蒸汽0.6MPat0.33811.43蒸汽4.9MPat5.2845237.64电kw.h451.20.25112.85循环水32 C3m6000.08486一次水32 C3 m100.161

10、.67净化成本3008造气装置折旧90.569空分装置折旧59.26共计2411.24.2电解水制氧电解水制氢设备成本按 3850元/KW计,1 Nm3/H2用电5KW,产生 2000Nm/02,同时产生4000Nm/H2。产生4000 NmHk，装置投资7.7千 万，每产生4000 Nm3/H2,设备拆旧费713元。电价按0.25元计。电解水制氢、氧成本估算（2000Nm02、4000Nm/H2）表四：电解水制2000Nm/02、4000Nm/H2成本估算序 号名称规格单位数量单价总价备注1电kw.h200000.2550002水电解水t3.2412.83电解水装置折旧713共计5725.8

11、5小结当电费0.25元时，电解水产生 2000Nrm(O2、4000Nm/H2,时费用 5725.8元。空 分生产2000Nm/02成本349.66元，煤制 气产生 4000Nm/H2成本824.64元，共计成本1174.3。当电费为0.25元时电 解水产生氢、氧的成本是煤制气的 4.88倍。当电费为X时，用电解水制氢、氧，氧气供造气炉中使用，氢气 并入合成气中，用此流程产生14000 NnVM成本是：20000X+12.8+713+1761.6+300=20000X+2787.4当电费为X时，空分制氧，氧气供造气炉中使用，用此流程产生 14000 NnV成本是：(2411.2-112.8+451.2X) X 1.4=3217.8+631.7X当上述两种流程成本相当时：20000X+2787.4=3217.8+631.7XX=0.022用现有的生产工艺，当电费低至0.022元时，用电解水制氢、氧, 氧气