煤燃烧国家重点实验室
主要内容
1 2 3 4
能源结构与现状 氢能的利用 制氢技术简介 煤气化制氢
制氢技术简介
1 2 3 4
化石燃料制氢 电解水制氢 生物制氢 光催化制氢
化石燃料制氢
1甲烷重整(Steam Methane Reformation,SMR ) 甲烷重整 SMR
优点：气体燃料重整制氢中最为经济合理的。 优点：气体燃料重整制氢中最为经济合理的。 缺点：反应需吸收大量的热，能耗高； 缺点：反应需吸收大量的热，能耗高； 反应速度慢，制氢能力低，需建大规模装置，投资高。 反应速度慢，制氢能力低，需建大规模装置，投资高。
制氢技术简介
主要内容
1 2 3 4
能源结构与现状 氢能的利用 制氢技术简介 煤气化制氢
能源结构与现状
中国
40%
世界
石油
石油
其他
2% 6% 17%
24%
75%
煤
天然气 煤 其他
10%
天然气
26%
世界能源主要依赖不可再生的化石资源； 世界能源主要依赖不可再生的化石资源； 我国能源结构面临经济发展和环境保护的双层压力； 我国能源结构面临经济发展和环境保护的双层压力； 氢能可再生，且超级洁净，生成物为水， 氢能可再生，且超级洁净，生成物为水，基本能实 现污染物零排放，被誉为“二十一世纪的能源” 现污染物零排放，被誉为“二十一世纪的能源”；
氢 气
缺点：煤的转化率低； 缺点：煤的转化率低； 需氧气，成本高， 需氧气，成本高，且使空分系统容量加大而带来耗功大 幅度增加。 幅度增加。
煤燃烧国家重点实验室
部分氧化气化制氢零排放系统
1基于 基于IGCC的制氢零排放系统 基于 的制氢零排放系统
1.1从水煤气变换产生 从水煤气变换产生CO2和H2中分离氢气 从水煤气变换产生
(1) 碱性水溶液电解
(2) 质子膜电解水发生器
2OH-→ H2O ＋ ½O2+2e
2H2O+2e → 2OH- + H2
采用Ni或 合金电极 效率～ ％ 合金电极， 采用 或Ni合金电极，效率～75％ SPE电解水技术的主要问题是质子交 电解水技术的主要问题是质子交 换膜和电极材料的价格昂贵。 换膜和电极材料的价格昂贵。
<5%
48%
设计在可见区内有强吸收半导体材料是高效利用太阳能的关键
煤燃烧国家重点实验室
主要内容
1 2 3 4
能源结构与现状 氢能的利用 制氢技术简介 煤气化制氢
煤气化制氢
1发展趋势
燃煤气化电厂的发电效率普遍不高， 燃煤气化电厂的发电效率普遍不高，且排出的尾对 环境的污染严重，故需发展高效、 环境的污染严重，故需发展高效、近零污染物排 的煤气化系统。 放的煤气化系统。
煤燃烧国家重点实验室
部分氧化气化制氢零排放系统
1.2直接从合成煤气将氢气分离出来 直接从合成煤气将氢气分离出来
林汝谋等提出的煤气化制氢系统
优点：陶瓷质子膜分离法，分离成本、能耗低， 优点：陶瓷质子膜分离法，分离成本、能耗低，且得到的氢 气纯度高。膜分离法与深冷法结合流程的新型空分系统， 气纯度高。膜分离法与深冷法结合流程的新型空分系统， 制氧与压缩能耗低。 制氧与压缩能耗低。
煤燃烧国家重点实验室
光催化制氢
1光催化制氢体系 光催化制氢体系
半导体光 催化制氢 悬浮体系 光催化法 光电化学 体系制el, et al, Nature, 1991, 353: 737; Nature,1998, 395: 583; S.U.M. Khan, et al, Science, 2002, 297: 2243; Z.G.Zou, et al., Nature, 2001, 414, 625.
美国能源部(DOE)提出的煤气化制氢系统 优点：燃烧前分离，与燃烧后分离方法相比，由于分离与吸收 优点：燃烧前分离，与燃烧后分离方法相比，由于分离与吸收CO2是在未 被氮气稀释的合成煤气中进行,减少了分离器的尺寸以及分离溶剂的量 减少了分离器的尺寸以及分离溶剂的量， 被氮气稀释的合成煤气中进行 减少了分离器的尺寸以及分离溶剂的量， 从而大大降低了能耗和成本,系统净效率相比燃烧后提高 系统净效率相比燃烧后提高1% ~2%。 从而大大降低了能耗和成本 系统净效率相比燃烧后提高 。 缺点：水煤气转化使燃料气冷煤气效率降低。 缺点：水煤气转化使燃料气冷煤气效率降低。
煤燃烧国家重点实验室
主要内容
1 2 3 4
能源结构与现状 氢能的利用 制氢技术简介 煤气化制氢
氢能的利用
直接燃烧----------火箭推进剂， 直接燃烧----------火箭推进剂，内燃机等 ----------火箭推进剂 燃料电池发电-----------水热电联供系统 燃料电池发电------水热电联供系统 核聚变------------氢弹，300美元/1kg氘 1.2万美 ------------氢弹 美元/1kg 核聚变------------氢弹，300美元/1kg氘，1.2万美 /1kg浓缩铀 能量巨大，聚变能可用几亿年。 浓缩铀, 元/1kg浓缩铀,能量巨大，聚变能可用几亿年。
2煤气化制氢方法
两种方法： 两种方法：部分氧化和外部供热气化
煤燃烧国家重点实验室
部分氧化气化
1原理
燃烧一部分煤放出热量,供给反应体系来实现煤的气化反应。 燃烧一部分煤放出热量,供给反应体系来实现煤的气化反应。
2工艺流程
空气 煤原料
空分 备煤
气 化 炉
一 氧 化 碳 变 换
酸 性 气 体 脱 除
氢 气 提 纯
煤燃烧国家重点实验室
CO2接受体气化制氢零排放系统
美国GE能源与环境研究公司的系统
优点：发电效率高， 3MPa的压力下可高达67%。 优点：发电效率高，在3MPa的压力下可高达67%。 的压力下可高达67% 缺点：煤灰与床料相互反应从影响整个过程的经济性； 缺点：煤灰与床料相互反应从影响整个过程的经济性；气化 可能会转变成N 氧传输系统还在研发中。 时NH3可能会转变成N2，氧传输系统还在研发中。
煤燃烧国家重点实验室
CO2接受体气化制氢零排放系统
美国零排放利用煤联盟的系统
优点：气化、碳酸化制氢、 优点：气化、碳酸化制氢、锻烧各过程分别在各自的反应器 内完成，容易实现各过程的优化。 内完成，容易实现各过程的优化。 缺点：系统相对较复杂，而且要求气化炉的碳转化率很高。 缺点：系统相对较复杂，而且要求气化炉的碳转化率很高。
煤燃烧国家重点实验室
部分氧化气化制氢零排放系统
2 IGCC与化工过程结合的多联产制氢零排放系统 与化工过程结合的多联产制氢零排放系统
美国“展望21”计划提出的煤气化制氢多联产系统 优点：将化工生产过程和动力系统热力过程有机整合， 优点：将化工生产过程和动力系统热力过程有机整合，完成发电供热制冷 等功能的同时,还利用各种能源资源生产出清洁燃料 氢气、合成气等) 还利用各种能源资源生产出清洁燃料(氢气 等功能的同时 还利用各种能源资源生产出清洁燃料 氢气、合成气等 和化工产品(如甲醇 醋酸等)， 如甲醇、 和化工产品 如甲醇、醋酸等 ，从而实现多领域功能需求和能源资源 高增值。 高增值。 煤燃烧国家重点实验室
煤燃烧国家重点实验室
电解水制氢
机理：正极： 机理：正极： 2OH－ → H2O + ½ O2 + 2e φ = 0.401V 负极： － 负极： 2H2O + 2e → 2OH－ + H2 φ =－0.828V 理论分解电压1.23V，每1Kg氢电耗为 32.9 KWh 。实际为～46.8KWh。 ， 实际为～ 理论分解电压 氢电耗为 。
外部供热气化
1原理
靠外部间接提供反应所需热量,来实现煤的气化反应。 靠外部间接提供反应所需热量,来实现煤的气化反应。
2工艺流程
煤原料
备煤 外部供热
气 化 炉
一 氧 化 碳 变 换
酸 性 气 体 脱 除
氢 气 提 纯
氢 气
优点：不需要燃烧掉一部分煤来供热,提高了煤炭的转化率; 优点：不需要燃烧掉一部分煤来供热,提高了煤炭的转化率; 过程不需要氧气,成本低。 过程不需要氧气,成本低。 难点：实现热量有效地供给；实现很高的热传递效率。 难点：实现热量有效地供给；实现很高的热传递效率。
2生物制氢方法比较 生物制氢方法比较
两类：光解产氢生物（绿藻、蓝细菌和光合细菌）和发酵产氢细菌。 两类：光解产氢生物（绿藻、蓝细菌和光合细菌）和发酵产氢细菌。 蓝细菌和光合细菌产氢能力是绿藻的１ １０００ 无研发价值， １０００， 蓝细菌和光合细菌产氢能力是绿藻的１/１０００，无研发价值，而绿 藻产氢效率又很低，研发缓慢。 藻产氢效率又很低，研发缓慢。 发酵法具有三大优点： 发酵法具有三大优点： a.产氢能力和菌种生长速度高于光合产氢菌种。 产氢能力和菌种生长速度高于光合产氢菌种。 产氢能力和菌种生长速度高于光合产氢菌种 b.无需光源，操作管理简便。 无需光源， 无需光源 操作管理简便。 c.原料来源广，成本低。 原料来源广， 原料来源广 成本低。
煤燃烧国家重点实验室
化石燃料制氢
3煤气化制氢
机理: 机理: (g） C(s)+H2O(g)→ CO(g)+H2(g） CO(g)+H2O(g)→ CO2(g)+H2(g） (g）
优点：煤炭资源丰富， 优点：煤炭资源丰富，在我国一次能源结构中一直占有举足 轻重的地位；洁净煤气化技术的兴起。 轻重的地位；洁净煤气化技术的兴起。 缺点：效率较低、污染严重，需对污染物进行处理，增加成本。 缺点：效率较低、污染严重，需对污染物进行处理，增加成本。
隔膜:全氟磺酸膜 隔膜 全氟磺酸膜 (Nafion) 阴极:Pt黑 阴极 黑 阳极:Pt、 等的 阳极 、Ir等的 合金或氧化物
煤燃烧国家重点实验室