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发电厂低谷电、热制H2和CO2的利用研究
发布时间: 2008/1/9 被阅览数: 1604 次

发电厂低谷电、热制H2CO2的利用研究

冯恩福,冯晗

摘要:发电厂在用电低谷的富裕电、热可以用电来电解水制氢和用热来制氢。然后将氢储存起来。还可以回收烟气中的CO2,与H2合成柴油机的替代燃料二甲醚。当在用电高峰时,用氢或二甲醚作为燃料再发电,或作为动力机车的燃料;或作为液化气使用。是节约能源、变废为宝一举两得的好事情。

关键词:低谷电热  制氢  二甲醚


0引言:

现在,全世界都很重视研究开发新的能源,可再生能源是研究热点。可再生能源包括太阳能、风能、潮汐能、地热能、水力能和生物质能等,他们都具有“可储存”特性的氢作为能源载体。即使到受控热核聚变完全成功,为人类彻底解决能源问题的仍然需要氢的同位素作为原料。氢,是最轻的也是自然界最丰富的元素,大约占宇宙所有物质的80%。它存在于所有类型的化石燃料中;要它存在于最大的能量之源一太阳中,太阳由几乎100%的氢构成,它的能量来自于氢原子的核聚变;它存在于所有的生物质中;它存在于所有的空气及水中,而水是地球上无处不在的“氢矿”。

氢能是最环保的能源,利用低温燃料电池的电化学反应将氢转化为电能和水。不排放CO2NOX;没有任何污染。使用氢燃料内燃机是减少污染的有效方法。氢气具有可储存性。就像天然气一样,氢可以很容易地大规模储存。这是氢能和电能、热能最大的区别。

作为发电厂在用电低谷的富裕电、热可以用电来电解水制氢和用热来热化学制氢。然后将氢储存起来。还可以回收烟气中的CO2,与H2合成柴油机的替代燃料二甲醚。当在用电高峰时,用氢或二甲醚作为燃料再发电,或作为动力机车的燃料出售。是一举两得的好事情。

氢具有可再生性。氢由化学反应发出电能(或热)并生成水,而水又可由电解转化为氢气和氧气;如此循环,永无止尽。

氢是“和平”能源,因为它既可再生又来源广泛,每个国家都有丰富的“氢矿”。化石能源分布极不均匀,常常引起激烈战争。例如,中东是世界石油最大产地,也是各国烈强必争之地。如伊拉克战争就是石油之战。

由于氢具有以上特点,可以同时满足能源、环境和持续发展的要求,是其他能源不能比拟的。因此,可以说氢能是21世纪及人类未来的能源。

1、氢的分布:

1.1  地球上的氢

地球上的氢主要是以化合物形式存在,其中水最重要。氢占水质量的1/9。海洋的总体积约13.7亿立方千米,若把其中的氢提炼出来,约为1.4×1017t,所产生的热量是地球上矿物燃料的9000倍。而地壳上还有17%氢,在矿物及生物质中以化合物形式存在。

1.2  空间的氢

在地球的对流层大气中(离地面12-15km)及地球的平流层中(0-50km),几乎没有氢;在地球大气内层80-500km,氢占50%,在地球大气外层,500km以上,氢占70%

氢是太阳光球中最丰富的元素。据计算,氢占太阳及其行星原子总量的92%,而CH4存在于巨大行星的大气圈中,其数量大大超过了氢。此外,在木星和土星的大气圈中还发现少量氢。巨大的行星由冰层围绕着的核心组成。有些是由高度压缩的氢组成。两个最轻的元素——氢及氦是宇宙中最丰富的元素。

1.3  人体中的氢

人体组成的元素有81种,其中O(占61%)、C(占23%)、H(占10%)、N(占2.6%)、Ca(占1.4%)、P(占1.1%)、KSNaClMg11种,占人体质量99.95%以上,其余组成人体的元素还有70种为微量元素。

2、氢常用的制取方法:

氢的制取方法有:①水电解制氢;②煤水电解制氢;③热化学制氢;④高温热解水制氢;⑤化石能源制氢;⑥生物质制氢;⑦太阳能直接光电制氢;电子共振裂解水制氢等。下面介绍几种常用的制氢方法。

2.1  用水制氢

2.1.1  水电解制氢

水电解制氢是一种成熟的制造氢气的方法。水电解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的能量,则可使水分解。水电解制氢气的工艺过程简单,无污染,其效率一般在75%-85%,但消耗电量大,每立方米氢气电耗为4.5-5.5kw.h左右,在水电解制造氢气的生产费用中,电费占整个水电解制造氢气生产费用的80%。因此,通常意义上,不具有竞争力。这里不再详细阐述。

2.1.2 煤水电解制氢

普通水电解制氢耗电太多。20世纪70年代末,美国研究出一种低电耗制氢的方法,耗电量只有普通水电解制氢的一半(2.4kw.h)。这种方法的主要特点是以煤水浆进行电解制氢,实际上是一种电化学催化氧化方法制氢,即在酸性电解槽中,阳极区加入煤粉或其他含碳物质作为去极化剂,反应结果的产物为二氧化碳、而不是氧气,阳极则产生纯氢。这样能使电解的电压降低一半,因此电耗也相应降低一半。这种方法在添加煤粉的过程中能生成硫化物。即进行了煤的脱硫。

所以煤水电解制氢电量消耗少,而且还可脱硫,从社会、经济方面整体分析还是合算的。

2.1.3  压力电解

在较高压力下(0.6-20Mpa)水电解生产氧气和氢气具有一系列优点:减小气体分离器尺寸,提高电流密度,降低电能消耗(约降低20%)。压力电解的理由是,氢气需求部门均是在压力情况下使用。是一举两得的好事情。

2.2  热化学制氢

当水直接加热到很高温度时,例如3000℃以上,部分水或水蒸汽可以离解为氢气和氧气。但这种过程非常复杂,其中突出的技术问题是高温和高压。水热化学制氢是指在水系统中,在不同温度下,经历一系列不同但又相互关联的化学反应。最终将水分解为氢气和氧气的过程。在这个过程中,仅仅消耗水和一定热量,参与制氢过程的添加元素或化合物均不消耗,整个反应过程构成一个封闭的循环系统。而每一步的反应均在较低的温度(1073-1273K)下进行。

热化学制氢的显著特点是:能耗低(相对于水电解和直接热解水,成本低)能大规模生产(相对可再生能源);可以实现工业化。目前此项技术,日本已取得相当的进展,我国清华大学已开展热化学制氢的研究。

2.3  电子共振裂解水制氢

1970年,美国科学家普哈里希在研究电子共振对血块的分解效率时发现,在经过稀释的血液中,某一频率的振动会使血液不停地产生气泡,气泡中包含着氢气和氧气。这一偶然的发现,使他奇迹般地创造出了用电子共振方法裂解水分子,把海水直接转化成氢燃料的技术。

2002年,普哈里希演示了一个用电子共振裂解水的实验。他将频率为600HZ的交流电,输入一个盛有水的鼓形空腔谐振器中,使水分子共振后被裂解成了氢气和氧气。这一装置的电能转换效率据说在90%以上。因而可以说是一条很好的制氢途径。

3、氢能的用途:

.1 氢能作为动力燃料

氢能主要的使用方式是直接燃烧,氢能可作为火力发电厂的锅炉燃料;氢能在发动机、内燃机内燃烧转换成动力,成为交通车辆、航空的动力源。目前,专门为氢在汽轮机和发动机中直接燃烧而设计的新型燃烧装置正在开发之中,氢内燃机驱动的车辆也在示范阶段,氢与其他燃料(如无然气、汽油)的混合燃烧技术已有实际示范。随着化石燃料的日益枯竭,氢能将逐步取代汽油、柴油、天然气成为新的可储存的动力燃料。并且更环保、更清洁。

3.2  氢能作为燃料电池

应用燃料电池将氢的化学能量通过化学反应转换成电能。燃料电池可用作电力工业的分布电源,交通部门的电动车电源以及电子工业部门微型便携式移动电源等。由于电化学反应能量转换效率比燃烧的转换效率高。所以燃料电池效率(>74%)比内燃机高。

不同种类的燃料电池处于不同的发展阶段。质子交换膜燃料电池(PEMES)已商业化。应用于固定电站和便携式装置中,我国也有多辆PEMES汽车示范。小型直接甲醇燃料电池(DMFC)就要新露头角。磷酸性燃料电池(PAFC)是发展较早的一种燃料电池,全世界已建立几百个固定的分布式电站,为电网提供电力。也有的为大型公共汽车提供了电力。目前200KW的熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)电站及100KW级的固体氧化物燃料电池(SOFC)电站均有示范装置。

3.3  氢能的一种利用形式——核聚变

世界上的每一种物质都处于不停的运动状态,由两个小的原子合为一个大的原子,叫核聚变,太阳和氢弹就是发生核聚变而释放出巨大的能量。而有一个大的原子分裂为两个小的原子就叫核裂变,原子弹和核电站则是用核裂变原理工作的。

核聚变时则由较轻的原子核聚合成较重原子核而释放出能量。最常见的由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢),聚合成较重的原子核如氦而释放出能量。核聚变即干净又安全且成本低。1kg浓缩铀的成本约为1.2万美元,而1kg氢仅需300美元。因此核聚变将是人类最终的能源,而氢正是其原料。

3.4  H2CO2直接合成柴油机车替代燃料二甲醚

最近,日本正在开发用CO2H2直接生产二甲醚的新方法。从火力发电厂烟气中捕集的CO2H2反应生成甲醇,甲醇再脱水产生二甲醚。反应式为:

CO2+3H2CH3OH+H2O

2CH3OHCH3OCH3+H2O

两个反应步骤同时发生在一个固定床反应器中,反应条件为250-300℃,4-10Mpa。小试的CO2转化率已达到90%,二甲醚的选择性为45%

二甲醚是一种优良的清洁再生能源,二甲醚作为柴油的替代产品国内外都进行了广泛深入的研究。二甲醚是柴油发动机理想的替代燃料。使用二甲醚为燃料时,仅需对柴油机的燃油系统稍作改进。在保持原柴油在高热效率,同样输出功率、扭矩及燃油经济性的前提下,不用任何废气处理装置,即可大幅度降低排放污染。

二甲醚作为火力发电厂锅炉燃料油的替代产品,只对燃烧器稍作改进即可。只是二甲醚的低位发热量(28.4kJ/kg)比柴油低位发热量(42.5kJ/kg)低一些。同样理论空气量也少一些。

二甲醚作为液化气使用,其液化压力为0.5MPa左右。比石油液化气更安全、更经济、更实用。

4  结语

由于电的特性是难以大量储存,特别是在用电低谷时,有大量的发电厂待机或低负荷运行。造成设备和能源的浪费,而用电高峰发电又不够用,出现拉闸限电周波下降的现象。目前解决的方法是采用抽水储能来解决。如果采用低谷电、热制氢,氢能是具有环保、可储存、可再生、多样性等特点的燃料,是21世纪及未来的洁净能源。也是目前发电厂低谷富裕电、热最有效利用的方法,也是解决烟气对大气污染最大的CO2再利用的一个重要途径。更是变废为宝的重要手段。使发电厂变为可再生能源的生产厂。所以电力部门应投入人力物力加速研发,使其早日实现工业化。


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