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工业上制氢气的方法及优缺点
我国氢燃料电池基础设施建设已经进入加速期,为氢燃料电池汽
车做好充分准备,但氢气的制备是目前需要攻克的难题。工业制氢气
包括很多种方法,都存在着各自的优势和局限性,本文将主要介绍工
业上制取氢气的方法。
目前,工业上制氢气主要有几种方法:一是采用化石燃料制取氢
气;二是从化工副产物中提取氢气;三是采用生物的甲醇甲烷制取氢
气,四是利用太阳能、风能等自然能量进行水的电解。
1、化石燃料制氢
化石燃料制氢是传统的制氢方法,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,一般用于
制氢的化石燃料是天然气。天然气制氢的过程是:在一定的压力和一
定的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。
2、工业副产物制氢
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。
3、甲醇重整制氢
甲醇水蒸汽重整是国外20世纪80年代兴起的一种制氢技术,
加拿大、英国、澳大利亚等国家在这方面进行了大量研究。该制氢工
艺非常成熟,是国内小型化移动甲醇制氢的先驱企业,并已经将该技
术与燃料电池发电技术高度集成,成功应用在新能源汽车、通讯基站
等领域,应用前景非常好。
4、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。
各种方法的优缺点
工业上已经有多种制氢气的途径。但是,这些方法都存在着各自
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,甲醇重整制氢具有投资低、建成快、无
污染等特点,并且甲醇作为原料可以更为灵活,但甲醇重整制氢难以
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,但是如应用在燃料电池上,还需要额外投入加氢
站、氢罐、运输等成本。而甲醇重整制氢可以直接与燃料电池组合,
无需高价建造加氢站与氢罐。
非民用天然气价格目前正在逐步市场化,2015年11月18日,国
家发改委宣布降低非居民用天然气门站价格,每立方米下调0.7元。目
前非民用天然气价格大约在2.7至3.0元/m3,制氢成本大约在1.5-
1.7元/km3。而焦炉气是焦化企业炼焦过程中产生的副产品,原先都
是在作为燃料燃烧后高空排放,现在用于化工原料时价格一般均低于
0.4元/m3,因此焦炉气制氢成本可以低于1.39元/km3,较天然气制
氢成本更低。2016年6月,甲醇的平均价格为1860元/t,因此制氢
成本为1.37元/km3。就目前各种原料的价格来看,甲醇重整制氢的
经济性较为显著。
综合目前工业制氢气方式的优劣势及成本考虑,甲醇重整制氢具
有以下3个优点:
(1)制氢原料来源广泛且价格低廉,甲醇作为一种常见的化工
原料,既可从化石资源中制得,又可从生物质(一切直接或间接利用
绿色植物光合作用形成的有机物质)中制得;
(2)氢元素利用率高,甲醇分子式为CH3OH,含氢量高,
能量密度高,氢气的产率高;
(3)制氢装置简单,甲醇便于储存和运输,可以做成组装式或
可移动式的甲醇制氢装置。
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