探究制氫技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景

趙騰飛 張偉 閆毅華

摘要：現(xiàn)階段制氫技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在各領(lǐng)域生產(chǎn)制作環(huán)節(jié)，制氫技術(shù)應(yīng)用效果可直接影響到各類產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量?，F(xiàn)階段電子技術(shù)可分為石化能源制氫技術(shù)、非石化能源制氫技術(shù)等，此些制氫技術(shù)的應(yīng)用流程及生產(chǎn)效果不一致。本文就基于此，分別闡述石化能源制氫技術(shù)與非石化能源制氫技術(shù)生產(chǎn)流程，提出制氫技術(shù)發(fā)展前景，以供參考。

關(guān)鍵詞：制氫技術(shù);現(xiàn)狀;發(fā)展前景

前言

當(dāng)前社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與化石燃料稀缺的矛盾問題日漸突出，為最大限度提升清潔性能源應(yīng)用效果，還需要著重關(guān)注能源生產(chǎn)及開發(fā)環(huán)節(jié)的優(yōu)化工作。氫氣具備能量密度高、熱轉(zhuǎn)化效率強(qiáng)、燃燒期間污染物排放量低等優(yōu)勢。為充分發(fā)揮出氫氣能源的應(yīng)用積極性，還需要對現(xiàn)有制氫技術(shù)應(yīng)用情況進(jìn)行細(xì)致剖析，不斷優(yōu)化制氫流程，切實(shí)保障制氫生產(chǎn)效果。

1、化石能源制氫技術(shù)

化石能源制氫技術(shù)可分為天然氣制氫、焦?fàn)t氣制氫兩種方式。天然氣制氫主要就是借助高壓高溫環(huán)境，使天然氣內(nèi)烷烴與水蒸氣在催化劑作用下發(fā)生充分的化學(xué)反應(yīng)，再經(jīng)過沸鍋換熱后，氣體中的一氧化碳會轉(zhuǎn)化為氫氣與二氧化碳。而后配合換熱、冷凝、汽水分離手段，將獲得的氣體收集在吸附劑的吸附塔中，配合使用變壓吸附手段提取氫氣產(chǎn)品[1]。通過在該生產(chǎn)環(huán)節(jié)增加天然氣加壓脫硫過程，水蒸氣在裝填期間會進(jìn)行重新轉(zhuǎn)化與分解，生成氫氣、二氧化碳、一氧化碳?xì)怏w。再將氣體經(jīng)過熱量回收之后，氣體中的一氧化碳含量發(fā)生變化，而后配合使用變壓吸附方式獲得體積分?jǐn)?shù)為99%至99.9%的氫氣。

焦?fàn)t氣制氫技術(shù)主要就是借助煤焦化過程，獲得可燃性氣體，配合使用變壓吸附方式將氣體進(jìn)行高效分離。此種方式所需成本較低，應(yīng)用范圍較大。在焦?fàn)t氣制氫過程中，需要將焦?fàn)t煤氣加壓至0.58MPa，冷卻至40～45℃后進(jìn)行去水、去郊游，去焦油、去苯等方式。通過變壓吸附脫硫脫碳工序，去除煤氣中的其他物質(zhì)，獲得半成品氫氣。半成品氫氣還需要經(jīng)過復(fù)式壓縮機(jī)加壓到1.25MP a，經(jīng)過變壓吸附提氫工藝，提取體積分?jǐn)?shù)為99.9%以上的氫氣。

2、非化石能源制氫技術(shù)

2.1水制氫技術(shù)

使用氫化物水解制氫手段，配合使用添加各類金屬離子氫化物，在常溫環(huán)境下使金屬離子發(fā)生水解反應(yīng)要獲得氫氣。使用電解水制氫，水分子在陽極分解為氫離子與氫氧根離子。氫離子獲得電子生成氫原子并形成氫分子，氫氧根離子在陽極與陰極的電場共同作用下穿過電解質(zhì)膜，最終到達(dá)陽極，使陽極失去電極生成水分子及氧分子。

光解水制氫技術(shù)主要就是依據(jù)光輻射在半導(dǎo)體上的原理，在輻射能量大于或等于半導(dǎo)體禁帶寬度情況下，半導(dǎo)體內(nèi)的離子會受激發(fā)作用從價帶躍遷到導(dǎo)帶，引發(fā)電子與空穴的分離現(xiàn)象。半導(dǎo)體不同位置會將水還原成氫氣或者水化氧。

2.2流體燃料制氫技術(shù)

使用甲醇重整制氫手段，在傳統(tǒng)催化作用要求下，大氣壓力及溫度較低，可以采用接地等離子方式直接分解甲醇反應(yīng)[2]。在甲醇體積為30.0%的情況下，甲醇轉(zhuǎn)化率及氫產(chǎn)出率可達(dá)到62.2%與30.8%。

使用乙醇制氫手段，從根本上提升氫氣釋放量。配合使用多孔不銹鋼支撐的鉑基膜反應(yīng)裝置，氫氣產(chǎn)出率為40%。

使用生物油重整制氫手段。在制氫過程中，借助催化劑的作用可以使生物油與水蒸氣發(fā)生重整反應(yīng)，生成一氧化碳與氫氣，可以有效控制氫氣生產(chǎn)過程中的能源消耗量，采用接地等離子直接分解甲醇反應(yīng)。

2.3生物制氫技術(shù)

借助有機(jī)廢水廢棄物開展制氫工作，取經(jīng)過處理后的厭氧污泥裝入玻璃反應(yīng)器中，加入培養(yǎng)液與一定劑量的啤酒廢水開展制氫試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)溫度控制在35℃的情況下，比產(chǎn)氫速率、氫氣產(chǎn)量以及總糖降解率均可達(dá)到最大值。

生物制氫期間也可使用微藻制氫技術(shù)，為裂解水做最終電子供體。由于藍(lán)藻類有可能參與氫氣代謝的固氮酶、吸氫酶以及雙向氫酶，可以在反應(yīng)期間生成氫氣，實(shí)際產(chǎn)出效率良好。

配合使用生物及生物發(fā)酵技術(shù)開展制氫生產(chǎn)工作，通過培育暗發(fā)酵與光發(fā)酵生物，保障生物制氫產(chǎn)量。使用牲畜堆肥作為天然產(chǎn)氫菌源，玉米芯作為底物，借助厭氧發(fā)酵方式產(chǎn)出氧氣，獲得最大產(chǎn)氫量以及產(chǎn)氫速率值。

2.4核能制氫技術(shù)

將核能作為氫氣生產(chǎn)期間的重要產(chǎn)熱原料，切實(shí)滿足制氫技術(shù)應(yīng)用要求。配合使用核反應(yīng)器熱流動方式，使制氫生產(chǎn)期間的熱量需求能夠得到根本上滿足。

2.5波力制氫技術(shù)

波力制氫技術(shù)是一種低成本的制氫技術(shù)手段，系統(tǒng)應(yīng)用期間的造價較低，制氫生產(chǎn)效率高。在使用光伏電池與電解水相結(jié)合的技術(shù)手段時，制氫成本將進(jìn)一步降低，并可同時產(chǎn)出高質(zhì)量氧氣。

3、制氫技術(shù)發(fā)展前景

通過分析現(xiàn)階段制氫技術(shù)，發(fā)現(xiàn)制氫技術(shù)始終朝向提高制氫效率、控制制氫成本方向轉(zhuǎn)變[3]?；谥茪渖a(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)可再生能源已被廣泛應(yīng)用在制氫環(huán)節(jié)，石化燃料制氫技術(shù)也在節(jié)約成本方面獲得了較大進(jìn)展。對比不同制氫裝置設(shè)備投資費(fèi)用以及裝置運(yùn)行大小關(guān)系，發(fā)現(xiàn)甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)的設(shè)備投資量最小。對于處于研發(fā)階段的新型制氫技術(shù)而言，其運(yùn)行期間的設(shè)備投資費(fèi)用仍處于估算階段。

基于全球制氫生產(chǎn)現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)氫氣生產(chǎn)行業(yè)仍然會以多種制氫技術(shù)并存的格局發(fā)展。天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化技術(shù)與生物制氫技術(shù)將會成為主要制氫方式。

為推動社會可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程，生物質(zhì)與太陽能成為當(dāng)前制氫生產(chǎn)重要發(fā)展方向?，F(xiàn)階段生物質(zhì)制氫效率進(jìn)一步增長，制氫成本得到極大程度改善，生物制氫手段的應(yīng)用前景將更為廣闊。同時，太陽能制氫技術(shù)也會成為未來氫氣生產(chǎn)行業(yè)中的重要主導(dǎo)者，借助太陽能提升制氫效率，控制制氫生產(chǎn)期間的污染物排出量，確保制氫生產(chǎn)行業(yè)能夠始終趨向于綠色環(huán)保方向發(fā)展。

總結(jié)：總而言之，通過分析不同制氫生產(chǎn)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)保障制氫效果，提高制氫純度，減少制氫生產(chǎn)期間的一氧化碳與二氧化碳排放量依舊是當(dāng)前制氫行業(yè)重要發(fā)展難題。為滿足各領(lǐng)域日漸增長的氫需求量，還需對現(xiàn)有制氫技術(shù)手段進(jìn)行不斷優(yōu)化，著重關(guān)注制氫期間物質(zhì)利用率的提升，確保制氫技術(shù)能夠更好實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王昊. 制氫技術(shù)現(xiàn)狀分析及發(fā)展[J]. 化工設(shè)計(jì)通訊，2018，44（11）：187-188.

[2]黃格省，閻捷，師曉玉，盧紅，鮮楠瑩. 新能源制氫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析[J]. 石化技術(shù)與應(yīng)用，2019，37（05）：289-296.

[3]孫鶴旭，李爭，陳愛兵，張巖，梅春曉. 風(fēng)電制氫技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 電工技術(shù)學(xué)報，2019，34（19）：4071-4083.