能源利用及其污染物控制论文
题目：氢能研究
专业：自动化
班级：11062813
学生姓名：金伟昌
学号：11061315
指导老师：王关晴
氢能研究
内容提要：
在当今时代，随着社会的不断发展，人们对各种能源的需求量不断增大，而能源短缺的事实困扰着人们，阻碍着社会快速发展的脚步，于是越来越多的新能源被开发研究并投入产业应用，用来逐步替换不可再生能源以及污染较大的能源，以达到高效，清洁的成效。

而氢能的发展给我们带来了希望，不仅是是其能源丰富，更是其突出的效益。

在未来，我认为氢能将成为几大能源中最具发展潜力的新能源。

关键词：氢能，特点，开发技术，贮存，领域
注解：
氢能的快速发展已经不可阻挡，在未来，当社会的技术水平达到一定程度后，氢能的综合效益将会得到充分发挥。

一、氢能的概述
氢能是通过氢气和氧气反应所产生的能量。

氢能是氢的化学能，氢在地球上主要以化合态的形式出现，是宇宙中分布最广泛的物质，它构成了宇宙质量的75%，二次能源。

工业上生产氢的方式很多，常见的有水电解制氢、煤炭气化制氢、重油及天然气水蒸气催化转化制氢等。

当然在未来，生物制氢，光解海水制氢也不无可能，科学家们也正在为此努力已达到低成本制氢。

且氢能是一种极为优越的新能源，其主要优点有：燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。

燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。

资源丰富，氢气可以由水制取，而水是地球上最为丰富的资源，演绎了自然物质循环利用、持续发展的经典过程。

因此氢能在二十一世纪成为世界能源舞台上一种举足轻重的新能源是很有可能。

二、氢能的特点
（l）化学元素氢(H——Hydrogen)，在元素周期表中位于第一位，它是所有原子中最小，且其重量最轻。

在标准状态下，它的密度为0.0899g/l；在
-252.7°C时，可成为液体，但若若将压力增大到数百个大气压，液氢就可变为金属氢，虽然这由于技术原因还未实现，但在不久的将来，金属氢将成为工业军事乃至生活中相当重要的能量供给源。

（2）所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体。

（3）氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的75％，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。

据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大90O0倍。

（4）除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。

（5）氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快。

（6）氢与其他燃料相比之下，氢燃烧时是最清洁的，因为氢本身无毒，除了会生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境巨，而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。

让我们看到了解决能源缺乏的方法。

（7）氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。

用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造现在的内燃机稍加改装即可使用。

（8）氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物等形式出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。

这样可以大大提高使用效率，大大减少更换能源的周期。

三、氢能的开发技术
Ⅰ、电解水制氢
水电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能量，则可使水分解。

提供电能使水分解制得氢气的效率一般在 75-85％，其工艺过程简单，无污染，但消耗电量大，因此其应用受到一定的限制。

但随着氢能应用的逐步扩大，水电解制氢方法必将得到发展。

Ⅱ、矿物燃料制氢
以煤、石油及天然气为原料制取氢气是当今制取氢气是主要的方法。

该方法在我国都具有成熟的工艺，并建有工业生产装置。

（1）煤为原料制取氢气
在我国能源结构中，在今后相当长一段时间内，煤炭还将是主要能源。

如何提高煤的利用效率及减少对环境的污染是需不断研究的课题，将煤炭转化为氢是其途径之一。

以煤为原料制取含氢气体的方法主要有两种：一是煤的焦化（或称高温干馏），二是煤的气化。

焦化是指煤在隔绝空气条件下，在90－1000℃制取焦碳副产品为焦炉煤气。

焦炉煤气组成中含氢气55-60％（体积）甲烷
23-27％、一氧化碳6-8％等。

每吨煤可得煤气300－350m3，可作为城市煤气，亦是制取氢气的原料。

此方法在我国具有开发前景，值得重视。

（2）以天然气或轻质油为原料制取氢气
该法是在催化剂存在下与水蒸汽反应转化制得氢气。

主要发生下述反应：
CH4＋H2O→CO＋H2
CO＋H2O→COZ＋HZ
CnH2h＋2＋Nh2O→nCO＋（Zh＋l）HZ
反应在800-820℃下进行。

从上述反应可知，也有部分氢气来自水蒸汽。

用该法制得的气体组成中，氢气含量可达74％（体积），其生产成本主要取决于原料价格，我国轻质油价格高，制气成本贵，采用受到限制。

（3）以重油为原料部分氧化法制取氢气
重油原料包括有常压、减压渣油及石油深度加工后的燃料油，重油与水蒸汽及氧气反应制得含氢气体产物。

部分重油燃烧提供转化吸热反应所需热量及一定的反应温度。

该法生产的氢气产物成本中，原料费约占三分之一，而重油价格较低，故为人们重视。

我国建有大型重油部分氧化法制氢装置，用于制取合成氢的原料。

Ⅲ、生物质制氢
生物质资源丰富，是重要的可再生能源。

生物质可通过气化和微生物制氢。

（1）生物质气化制氢
将生物质原料如薪柴、麦秸、稻草等压制成型，在气化炉（或裂解炉）中进行气化或裂解反应可制得含氢燃料。

我国在生物质气化技术领域的研究已取得一定成果，在国外，由于转化技术的提高，生物质气化已能大规模生产水煤气，其氢气含量大大提高。

（2）微生物制氢
微生物制氢技术亦受人们的关注。

利用微生物在常温常压下进行酶催反应可制得氢气。

生物质产氢主要有化能营养微生物产氢和光合微生物产氢两种。

属于化能营养微生物的是各种发酵类型的一些严格厌氧菌和兼性厌氧菌）发酵微生物放氢的原始基质是各种碳水化合物、蛋白质等。

目前已有利用碳水化合物发
酵制氢的专利，并利用所产生的氢气作为发电的能源。

光合微生物如微型藻类和光合作用细菌的产氢过程与光合作用相联系，称光合产氢。

Ⅳ、其它合氢物质制氢
国外曾研究从硫化氢中制取氢气。

我国有丰富的H25资源，如河北省赵兰庄油气田开采的天然气中H多含量高达90％以上，其储量达数千万吨，是一种宝贵资源，从硫化氢中制氢有各种方法，我国在90年代开展了多方面的研究，各种研究结果将为今后充分合理利用宝贵资源，提供清洁能源及化工原料奠定基础。

但是在当今社会下，这些方法均存在着自身的不足，因此科学家们正在研究通过光化学分解水来获得氢。

虽然还无可实行的方法，但鉴于如今世界上已有了强大的太阳能高温炉，聚焦温度达到4000度，用于直接分解水或分步的热化学法制取氢都是很有可能的。

四、氢能的贮存及其应用领域
Ⅰ、氢能的贮存
⑴常压贮存，例如地下储藏
⑵高压容器，例如钢制压力容器
⑶液氢贮存，便于运输，增加效益
⑷金属氢化物,通过改变容器内气压，温度来掌控氢气的贮存和释放
以及未来很有可能会出现的金属氢，如果能够实现，那么世界的能源使用的结构必将因此发生巨大改变，并为国家带来巨大的经济，军事效益，甚至是政治效益。

Ⅱ、氢能的应用领域
⑴航天上，液态氢是火箭的燃料，而正在研究中的金属氢不仅可作为飞船结构材料，而且可以作为飞船的动力燃料
⑵交通上，远程洲际客机和超音速飞机已进入氢为燃料动力的试飞阶段，而一部分西方国家已出现液氢和液氧为燃料的机车。

未来，氢能将会以一种不可取代的地位出现在交通能源上。