氢的制取技术优化：从实验室到实际应用

1.电解水制氢技术

电解水制氢是目前最为广泛使用的将可再生资源转换为氢的技术。制氢过程是氢与氧燃烧生成水的逆过程,工艺过程比较简单,也不会产生污染。但分解水的能量需要由外界提供,且消耗量大。

2.矿物燃料制氢技术

以煤、石油和天然气为原料是目前制取氢的最主要的方法,但其储量有限,且制氢过程会对环境造成污染。制得氢气主要作为化工原料,有些含氢气体产物也作为气体燃料为城市提供煤气。

(1)以煤为原料制取氢气。以煤为原料制取含氢气体的方法主要有煤的焦化(又称高温干馏)和煤的气化两种。焦化是煤在隔绝空气的条件下,在900～1000℃制取焦炭,副产品为焦炉煤气。焦炉煤气可以作为城市煤气,也是制取氢气的原料。气化是指煤在高温常压或加压下,与汽化剂反应,转化成气体产物。气化的目的是制取化工原料或城市煤气。

(2)以天然气或轻质油为原料制取氢气。该法是在有催化剂存在条件下,与水蒸气反应转化制得氢气。

(3)以重油为原料,部分氧化法制取氢气。重油原料包括常压、减压渣油和石油深度加工后的燃料油。重油与水蒸气及氧气反应后,可制得含氢气体产物,因为原料成本较低,所以被人们重视。

3.生物质制氢技术

生物质资源丰富,是重要的可再生能源,生物制氢技术具有良好的环境性和安全性。氢气因为能量密度大,转化率、利用率高,储运性能好等一系列突出优点,成为很有前景的新一代替代能源。生物质中含有大量的氢元素,并且来源广泛。将超临界流体应用于生物质气化制氢,更为将生物质中的低品位能源转化为高品位能源提供了可能。超临界生物质气化制氢目前还处于试验室研究阶段,并没有进行工业化的应用,但其在生物质能源转化方面的优势已经展现出一个广阔的发展前景。

(1)生物质气化制氢。生物质原料(如薪柴、锯末、麦秸和稻草等)压制成型后,在气化炉(或裂解炉)中进行气化或裂解反应,可以制得含氢燃料气。(www.xing528.com)

(2)微生物制氢。江河湖海中的某些水藻,如小球藻、固氮蓝藻等,以太阳光为能源,以水做原料,能够源源不断地放出氢气。类似地,采用各种工业和生活有机废水及农副产品的废料作为原料,可以进行微生物制氢,该技术受到人们的关注。

4.太阳能热化学循环制氢技术

太阳能热化学循环制氢技术采用太阳能聚光器聚集太阳能,以产生高温。推动热化学反应的进行。从整个生命周期过程看,热化学反应器的加工和最终的废物遗弃以及金属、金属氧化物的使用都会带来一定的环境污染。

另外,由于反应都是在高温下进行,氢和氧的重新结合在反应器中有引起爆炸的危险。

5.其他制氢技术

除热化学方法外,太阳能半导体光催化反应制氢也是目前广泛研究的制氢技术。TiO2及过渡金属氧化物,层状金属化合物(如K 4 Nb6 O17和Sr2 Ta2 O7等),以及能利用可见光的催化材料,经过研究发现,能够在一定光照条件下催化分解水,从而产生氢气。但由于很多半导体在光催化制氢的同时,也会发生光溶作用,并且目前的光催化制氢效率太低,距离大规模制氢还有待进行深入的研究。

核能制氢技术也是一种实质上利用热化学循环的分解水的过程,即利用高温反应堆或者核反应堆的热能来分解水制氢。

随着科学技术的不断发展,氢能从制取到储存的技术开始走向实用阶段。制氢的研究方向将转向以水为原料,因为只有从水中制取的氢才是再生氢,真正具有可持续性、洁净性和能源安全性。大规模、经济、高效和安全储氢技术的发展将直接影响到氢能技术的推广应用,尤其是在车辆和移动工具方面。