氢气制取技术应用现状分析

氢气制取技术应用现状分析

陈任

中国市政工程西南设计研究总院有限公司

摘要：氢气资源在社会发展和工业进步当中，尤其是电子工程、车辆工程、冶金工业发展中起到了重要作用，所以氢气的制取技术受到各个发展单位的高度重视，基于此，本文通过四个方面内容重点分析氢气制取技术应用现状，确定热化学循环制氢技术符合环保可持续绿色发展需求，未来有可能代替传统技术成为大规模制取氢气的主流工艺；而风电等可再生资源制氢技术可以作为小规模制氢补充。

关键词：氢能；制氢技术；可持续发展；发展趋势

引言

氢气本身具有不同类型的性质，用途广泛，在社会生产和工业发展中均体现重要作用，尤其是近些年全球氢燃料电池产业的快速发展更加展现了氢气资源的重要性。氢气资源是目前发展前景较好的清洁能源之一，因此其制取技术更加受到重视，本文主要分析以天然气为主的化石燃料重整制氢、可再生资源制氢技术，希望为后续技术发展提供参考。

1以天然气为主的化石燃料重整制氢

不同氢气制取技术再具有优势的同时也存在缺点，甲烷蒸汽重整技术对环境影响较小，而且发展成熟，所以在氢气制取过程中应用非常广泛，统计结果显示，全世界大约40%的氢气由甲烷蒸汽重整制氢获得；而化学链制取氢气碳排放更少，对大气环境更加友好，所以发展前景良好，两种技术的具体内容如下:

1.1甲烷蒸汽重整制氢

研究发现甲烷蒸汽重整制氢技术在实际工业生产当中已经非常成熟，工业化进程良好，而且经济成本低，效率高。作为现代工业生产中最常用的一种制取氢气的方式工艺流程并不复杂，主要包括蒸汽重整，水汽置换，净化等。甲烷重整制氢技术在天然气制氢技术中具有一定优势，结合流程图和实际氢气制取发现此方案制氢成本低，且效率高，但是此方案也存在一定的缺点，具体表现为实际氢气制取过程中能耗较高，而且会排放大量的二氧化碳气体，严重影响大气环境，造成温室效应。但是总体来看，由于甲烷水蒸气重整技术发展比较成熟，之后仍然会大规模应用，所以后续发展当中，技术人员不仅要考虑氢气制取效率，还要进行二氧化碳排放量降低研究。

1.2化学链制氢

与甲烷蒸汽重整技术相比，化学链制氢技术通过燃料反应器、蒸汽反应器、空气反应器完成氢气制取，引入金属氧化物，突破了传统制氢技术当中燃料与氧气直接反应的过程。甲烷与氧载体在燃料反应器中反应后被氧化为CO2和H2O，还原态的氧载体进入蒸汽反应器，与水蒸汽发生反应产生H2，同时氧载体被部分氧化，部分氧化的氧载体进入空气反应器，空气将其完全氧化。结合化学链燃烧原理示意图了解到利用化学链制氢本身反应过程并不复杂，但是需要引入金属氧化物，所以实际反应过程的效率和成本会受到金属氧化物类型的影响。例如，传统反应中使用的Ni/Al2O3催化剂虽然也能促进反应进行，但是相对于CuO－Fe2O3载体反映效果相对较弱；另外，部分研究学者在进行实验分析时发现质量分数为60%的三氧化二铁也可以作为氧载体，而且氢气制取效率在二氧化碳捕获率达到百分之百的状态下可以达到77%。化学链燃烧制氢最主要的优点是碳排放量为零，属于环境友好型制氢方案，制氢过程中产生的二氧化碳可以回收利用，所以相对于其他类型的制氢技术相比化学链制氢技术发展前景更好。

2可再生能源制氢

2.1基于水电解反应的可再生能源发电制氢

传统的电力系统利用电力系统来生产电解水制氢，不仅需要大量的电力，而且还会产生间接的温室效应。鉴于目前可再生能源大规模生产氢气的迫切需要，利用可再生能源如风能和太阳能发电，利用电解水制取氢气，既能有效地解决弃风弃光问题，又能节省电能。通过对常规电解水生产氢气的结构进行优化，降低二氧化碳排放量，实现大规模制氢，目前在这方面的相关技术主要有风力发电和太阳能光伏发电。

2.1.1风电制氢

风电制氢是可再生能源制氢技术的主要类型，通过风力发电和电解水装置完成氢气的制取。相对于传统制氢工艺来讲，新型可再生能源制氢技术更符合低碳环保的发展需求，而且反应节约化石资源，所以目前认为风电制氢技术是氢气制取的理想方案。考虑到分辨制氢技术的经济性和制氢效果，发现风电制氢效率较高，环保性较高，而且解决了风力资源应用效率偏低的问题。但是实际研究当中也发现，由于风电制氢技术发展时间较短，所以存在基础设施不完善，能量转换率低，发展成本高等等缺点。

2.1.2光伏发电制氢

光伏电制氢主要利用了太阳能资源，结合光伏发电制氢原理来看，主要通过太阳辐射能进行光伏发电完成电解水，系统包括控制器，直流母线，蓄电池组，氢气收集装置等等主要组成。首先，太阳能经过光伏板进行辐射转化为直流电，然后电力资源进入到控制器当中，之后进入电解槽，完成反应，实现氢气制取。值得关注的是多余的电力资源可以进行蓄电池充电，之后如太阳能辐射，不满足反应需求，可以通过蓄电池充电的方式完成后续反应，实现氢气制取。由于整个过程使用太阳能资源作为动力，所以几乎不会对环境造成影响，而且光伏发电制氢全生命周期碳排放量也相对较低。光伏发电制氢的主要缺点在于发展成本较高，制氢效率仅能达到30%。

2.2生物质气化制氢

生物质气化制氢技术属于新型氢气制取工艺，主要利用生物质原料进行反应，然后产生氢气。实际反应过程中，原材料进入干燥区，此时表面水分蒸发，然后在温度升高的环境下发生热解反应，产出氢气，未发生反应的焦炭和其余物质进入气化区发生氧化反应，生成二氧化碳。

生物质气化制氢技术实际反应过程存在不定性，例如:实际反应以植物为生物质材料，植物光合作用过程可以吸收大量的二氧化碳，生物质气化制氢全生命周期二氧化碳排放量就比较低；但是如果生物质材料是农业废弃物或者其他废弃物，那么就没有光合作用的过程，整个制氢过程的氧化碳排放量相对高，所以碳排放量会受到生物质原材料影响。另外，实验发现，生物质制氢效率也受到催化剂，气化温度等因素的干扰。

3发展趋势

研究发现，化石燃料重整制取氢气作为现阶段应用最广泛的一种氢气制取技术，尤其是甲烷蒸汽重整制氢在制氢效率和发展成本上具有明显优势，仍然是工业制氢的主导技术；而化学链制氢技术仍处于发展阶段，距离大规模应用还有发展空间；核能热化学制氢潜力大，经济性好，在核反应建设方案、建设成本完善和核能技术充分发展后，有望成为未来制氢的主要技术，但是由于技术发展时间并不长，所以仍存在能耗大、专业水平低等问题；可再生能源制氢具有碳排放量低的优势，但是容易受到自身因素限制，所以很难实现大规模制氢，面对未来发展，还是要在依靠化石然后制氢的基础上，进一步加快对化学制氢和核能制氢的发展，从而替代传统的化石能源，促进我国能源结构的合理转型。

结束语

氢气生产技术的发展对于国家的可持续发展有着重要的作用，目前看来，以核电为主导的热化学制氢技术在经济、环境、效率等方面都有很好的应用前景，未来将逐步替代传统的天然气制氢技术；利用清洁、无污染、零碳排放等优点，可再生能源制氢技术在国家可持续发展的战略需求下，在相关基础设施建成后，可再生能源制氢技术将会成为国内小型制氢技术的核心，从而促进我国能源结构进一步优化。文章分析可再生能源制氢技术、化石燃料重整制氢技术等技术的发展情况，分析后续发展趋势，为后续低碳高效氢气制取技术的发展提供理论参考。

参考文献：

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