概述 氢能是一种二次能源，最丰富的含氢物质是水 H2O，其次是各种矿物燃料（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能够造成污染。 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。 电解水制氢、氧 水分解制氢是目前应用较广且很成熟的方法之一。 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 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 4.5 ～ 5.5kwh/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所需成本与其规模成正比， 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大致分为三种 : (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 , 目 前仍然被普遍的使用 , 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途的制氢装置 . 由于采用很薄的固体电解质 (PEM), 具有非常好的机械强度和化学稳定性 , 并且欧姆损失较小 . 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 , 制约了其普遍的使用。固体氧化物电解槽 (Solid Oxide 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$1000-1500/kW。电解水的规模可以大到 11 万千瓦。考虑到投资所需成本及规模，本方案采用碱性电解槽。 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1300-1350℃， 3.0Mpa 的条件下 , 生成的粗煤气中氢占 33.4%,一氧化碳占 33.5%, 甲烷占 7.3%。根据生产的基本工艺的要求，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。 空分制氧与电解水制氧比较 4.1 空分制氧 3 10000Nm/ （CO+H2）/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 3 （CO+H2）/h 需耗标煤 供造气炉作为气化剂使用，造气时 10000Nm/ 6.2 t, 380V 电 400Kwh,低压蒸汽 0.3 t, 一次水 10t, 循环水 100 t, 2000 Nm3/ （O2）。空分生产 2000 Nm3/O2 需耗循环水 500 t, 中压蒸汽 5.28 t, 6000V 电 32Kwh, 380V 电 19.2Kwh。Ф 3600mm气化炉的单 炉生产（ CO+H2）能力为 40900Nm3/h。造气装置投资按 4 千万计，运 3 行 15 年，每年 7200 h，每产生 10000Nm/（CO+H2）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 3 2 设备成本为 59.26 元。标煤按 250 元计，电价按 0.25 产生 2000Nm/O 元计 , 循环水 0.08 元/ m 3, 一次水 0.16 元/ m 3, 中压蒸汽 45 元/ t, 低 压蒸汽 38 元/ t 。 3 表一：煤制气造气成本估算（ 10000Nm/CO+H2/h ） 序号 名称 规格 单位 数量 单价 总价 备注 1 标煤 t 6.2 250 1550 2 蒸汽 0.6M t 0.3 38 11.4 Pa 400 3 电 kw.h 0.25 100 4 循环水 32℃ 3 100 0.08 8 m 5 一次水 32℃ 3 10 0.16 1.6 m 6 造气装置折旧 90.56 共计 1761.6 3 表二：空分生产 2000Nm/O2 成本估算 序号 名称 规格 单位 数量 单价 总价 备注 1 蒸汽 4.9MPa t 5.28 45 237.6 2 电 kw.h 51.2 0.25 12.8 3 循环水 32 ℃ 3 500 0.08 40 m 4 空分装置折旧 59.26 共计 349.66 3 含 10000Nm/ （CO+H2）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 t 6.2 250 1550 2 蒸汽 0.6MPa t 0.3 38 11.4 3 蒸汽 4.9MPa t 5.28 45 237.6 4 电 kw.h 451.2 0.25 112.8 5 循环水 32 ℃ 3 600 0.08 48 m 6 一次水 32 ℃ 3 10 0.16 1.6 m 7 净化成本 300 8 造气装置折旧 90.56 9 空分装置折旧 59.26 共计 2411.2 4.2 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 3 3 3 ，装置投资 7.7 千 2000Nm/O , 同时产生 4000Nm/H 。产生 4000 Nm/H 2 2 2 3 元。电价按 0.25 元计。 万, 每产生 4000 Nm/H2, 设备拆旧费 713 电解水制氢、氧成本估算（ 3 2 3 2 2000Nm/O 、4000Nm/H ） 表四：电解水制 3 3 2000Nm/O2、4000Nm/H2 成本估算 序 名称 规格 单位 数量 单价 总价 备注 号 1 电 kw.h 20000 0.25 5000 2 水 电解水 t 3.2 4 12.8 3 电解水装置折旧 713 共计 5725.8 小结 当电费 0.25 元时 , 电解水产生 3 3 2000Nm/O2 、4000Nm/H2, 时费用 3 2 成本 349.66 元 , 煤制气产生 5725.8 元 。 空分生产 2000Nm/O 3 0.25 元时电 4000Nm/H2 成本 824.64 元, 共计成本 1174.3 。当电费为 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 3 并入合成气中，用此流程产生 14000 Nm/H2 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 3 14000 Nm/H2 成本是： (2411.2-112.8+451.2X) ×1.4=3217.8+631.7X 当上述两种流程成本相当时 : 20000X+2787.4=3217.8+631.7X X=0.022 用现有的生产的基本工艺 , 当电费低至 0.022 元时 , 用电解水制氢、氧， 氧气供造气炉中使用， 氢气并入合成气中流程， 与空分制氧 , 氧气供 造气炉中使用流程生产所带来的成本相当。 考虑到现有的新工艺， 电解效率从75%提到 95%，电耗降至 3kwh/ m3 。鞍山市水电解制氢项目组的技术人员研制出的制氢装置电耗低至 2.51kwh/ m 3 。 当材料技术的发 展，电 解设备的成本进一步降，电解水制氢、氧，氧气供造气炉 中使用，氢气并入合成气的方案是可行的。

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