编辑推荐

适读人群:《氢能利用关键技术系列--制氢工艺与技术》适合从事或准备进入氢能领域的企业家、投资家、政策决策者阅读,可供从事能源研究的工程技术人员、高等学校相关专业的教师和学生参考,也适合从事能源领域的科技人员和管理人员及一般读者阅读。
1.《制氢工艺与技术》作者为我国知名的氢能专家,在行业内享有较高声誉。
2.《制氢工艺与技术》书中包含全新的制氢技术及工艺,突出零二氧化碳排放制氢技术,对氢能领域的研究人员有较好的参考价值。
3.《制氢工艺与技术》图书参与人员均为各种制氢技术的领军人才,有较好的行业影响。一册在手,制氢技术全掌握。

内容简介

《制氢工艺与技术》介绍了氢气的工业生产过程与原理。为了满足当前对无碳氢气,即氢气生产过程“零CO2排放”的要求,《氢能利用关键技术系列--制氢工艺与技术》介绍了可再生能源制氢,突出了风力制氢和生物质能制氢;还介绍了核能制氢、氨气制氢、硼氢化钠催化水解制氢、硫化氢分解制氢、金属粉末制氢等目前尚未工业化生产但完全的“零CO2排放”的制氢技术。对于通常排放CO2的烃类制氢工艺,《氢能利用关键技术系列--制氢工艺与技术》介绍了其制得氢和炭黑的独特工艺,从而使其成为另一种“零CO2排放”的制氢方法。
氢能利用关键技术系列--制氢工艺与技术》适合从事或准备进入氢能领域的企业家、投资家、政策决策者阅读,可供从事能源研究的工程技术人员、高等学校相关专业的教师和学生参考,也适合从事能源领域的科技人员和管理人员及一般读者阅读。

作者简介

毛宗强,清华大学教授,国际知名氢能专家。国际氢能协会(IAHE)副主席,国际氢能标准委员会(ISO/TC197)副主席,《国际氢能经济合作伙伴(IPHE)》氢能教育专家,国际氢能杂志(IJHE)客座编辑。中国可再生能源学会氢能专业委员会(CAHE)前主任委员。全国氢能标准技术委员会(SAC/TC309)前主任。
2003~2016年,在清华大学开设研究生学分课《氢能工程》,为全国高校首次。
已在国内外刊物及会议发表200余篇文章、申请多项专利、出版多本氢能专著。


毛志明,2002年毕业于清华大学软件学院。长期从事节能环保、氢能与燃料电池项目研发,包括:贵州火电企业能源审计,山西河津HCNG母站及HCNG重型卡车示范运行(获2014年国际氢能学会艾仁?鲁道夫奖),吉林长岭风电制氢国家示范项目,固定式与车用燃料电池发电系统,参与《车用压缩氢气天然气混合燃气》、《通信用氢燃料电池供电系统》国家标准编制,参与相关国际公司并购。2015年编著出版《氢气生产及热化学应用》。现为北京华氢科技有限公司总经理。

余皓,华南理工大学化学与化工学院,教授,博士生导师。2005年毕业于清华大学化学工程系,获学士、博士学位,随后到华南理工大学任教至今;2012~2013年期间在美国加州大学洛杉矶分校化工系访问研究。2013年入选教育部新世纪人才;2012年获得广东省自然科学基金杰出青年基金。主要研究方向:(1)纳米材料及其催化特性;(2)可再生资源催化制氢新技术等。发表SCI收录文章170余篇,授权专利10余项。

目录

0绪论/1
0.1氢气是“全能”的高级能源并可能成为下一个“主体能源”/1
0.2氢在减排温室气体中的重要地位/2
0.3多种多样、丰富多彩的制氢方法/3
0.3.1根据制氢原料分类/3
0.3.2根据制氢原理分类/4
0.4我国是世界产氢第一大国,化石燃料是目前制氢主力/5
0.4.1全国煤炭、天然气制氢潜在产能/5
0.4.22016年全国氯碱、甲醇、合成氨的副产氢气产能/5
0.5氢能是二次能源吗?/6

第1章煤制氢/9
1.1传统煤制氢技术/10
1.2煤气化制氢工艺/10
1.2.1煤的气化/10
1.2.2一氧化碳变换/11
1.2.3酸性气体脱除技术/11
1.2.4H2提纯技术/12
1.2.5“三废”处理/12
1.3煤制氢国内外发展现状/12
1.3.1国外煤制氢发展状况/12
1.3.2国内煤制氢发展状况/13
1.4煤气化技术/13
1.4.1固定床气化技术/13
1.4.2流化床气化技术/14
1.4.3气流床气化技术/14
1.5煤制氢技术经济性/16
1.5.1煤制氢与天然气制氢的经济技术指标对比/16
1.5.2煤制氢技术经济影响因素分析/18
1.6煤制氢前景/19
1.7褐煤制氢/20
1.7.1背景介绍/20
1.7.2工艺介绍/21
1.7.3成本计算及CO2排放量/23
1.7.4总结与展望/24
1.8煤炭地下气化制氢/25
1.8.1煤炭地下气化研究综述/25
1.8.2国外煤炭地下气化/25
1.8.3我国的地下煤气化试验/26
1.8.4地下煤气化制氢前景/27
1.9煤制氢零排放技术/28
1.10电解煤水制氢/29
1.10.1电解煤水制氢的研究现状和前景/29
1.10.2电解煤水制氢的反应机理/30
1.10.3电解煤水制氢技术的特点/33
1.11超临界煤水制氢/35
1.11.1概论/35
1.11.2我国研究情况/35
1.11.3国外研究情况/37
1.11.4展望/37
1.12煤/石油焦制氢/38
参考文献/38

第2章天然气制氢/42
2.1天然气在含氧(元素)环境下的制氢技术/42
2.1.1基本原理/42
2.1.2技术进展/43
2.1.3关键设备/47
2.1.4优点与问题/49
2.2天然气氧芳构化制氢工艺/49
2.2.1基本原理/49
2.2.2制氢工艺/50
2.2.3设备/53
2.2.4优点与问题/53
2.3天然气直接裂解制氢与碳材料工艺/53
2.3.1基本原理/53
2.3.2制氢气工艺/54
2.3.3反应设备/57
2.3.4优点与问题/59
参考文献/59

第3章石油制氢/63
3.1石油制氢原料/63
3.2制氢工艺简介/64
3.2.1石脑油制氢/64
3.2.2重油制氢/64
3.2.3石油焦制氢/65
3.2.4炼厂干气制氢/65
3.3石油原料制氢经济/66
参考文献/67

第4章可再生能源制氢/68
4.1太阳能制氢/68
4.1.1太阳光直接分解水制氢/68
4.1.2太阳光热化学分解水制氢/73
4.1.3太阳能发电、电解水制氢(PTG)/73
4.2生物质能制氢/74
4.2.1生物质生物发酵制氢/75
4.2.2生物质化工热裂解制氢/76
4.2.3生物质制乙醇、乙醇制氢/79
4.3风能制氢/84
4.3.1风电制氢/84
4.3.2风氢能源系统(WHHES)介绍/85
4.3.3应用范例/86
4.3.4吉林省长岭县龙凤湖20万千瓦风电制氢及HCNG示范项目介绍/87
4.4海洋能制氢/89
4.4.1潮汐能/89
4.4.2波浪能/89
4.4.3温度差能/89
4.4.4海流能/90
4.4.5海洋盐度差能/90
4.4.6海草燃料/91
4.4.7海洋能制氢前景/91
4.5水力能制氢/91
4.5.1水力能资源/91
4.5.2水力能发电制氢/91
4.5.3水力能制氢优势/92
4.6地热能制氢/92
参考文献/92

第5章太阳能光解水制氢/96
5.1光催化研究开端/96
5.2光催化分解水的基本原理/97
5.2.1光催化分解水过程/97
5.2.2光催化分解水反应热力学/97
5.2.3光催化分解水反应动力学/98
5.3研究进展/99
5.3.1分解水制氢光催化剂/99
5.3.2提高光催化剂分解水制氢效率的方法/101
5.3.3光催化分解水制氢反应器/103
5.4结论与展望/109
参考文献/109

第6章生物质发酵制氢/113
6.1基本原理/113
6.2研究进展/114
6.2.1接种物的选择以及处理方式/114
6.2.2反应pH值/116
6.2.3温度/116
6.2.4原料/116
6.2.5反应器/117
6.3案例介绍/117
6.4优点与问题/119
参考文献/119

第7章生物质热化学制氢/122
7.1生物质简介/122
7.2生物质热解制氢/123
7.2.1生物质热解反应/123
7.2.2生物质热解制氢的影响因素/125
7.2.3生物质热解制氢反应器及技术/130
7.3生物质气化制氢/133
7.3.1生物质气化原理/134
7.3.2气化介质/134
7.3.3气化炉及工艺/135
7.3.4生物质气化过程强化/137
7.3.5生物质超临界水气化制氢/138
7.4生物油制氢技术/139
7.4.1生物油简介/139
7.4.2生物油蒸汽重整制氢/139
7.4.3生物油自热重整制氢/140
7.4.4生物油重整制氢反应器技术/141
7.5生物质热化学制氢技术评述/143
7.5.1生物质热化学制氢的技术经济性/143
7.5.2生物质热化学制氢的CO2排放/144
参考文献/145

第8章核能制氢/149
8.1核能制氢技术/149
8.1.1核能制氢主要工艺/150
8.1.2核能制氢用反应堆/153
8.2核能制氢国内外研究进展/154
8.2.1日本/155
8.2.2美国/155
8.2.3法国/155
8.2.4韩国/156
8.2.5加拿大/156
8.2.6中国/157
8.3核能制氢的经济性与安全性/160
8.3.1经济性/160
8.3.2安全性/161
8.4核能制氢的综合应用前景/162
8.4.1核能制氢——氢冶金/162
8.4.2其他/164
参考文献/165

第9章等离子体制氢/167
9.1等离子体简介/167
9.2等离子体的制备/168
9.3等离子体制氢研究现状/169
9.4等离子体制氢的优缺点/173
参考文献/174

第10章汽油、柴油制氢/175
10.1基本原理/175
10.2研究进展/176
10.2.1汽油、柴油制氢工艺/176
10.2.2设备/179
10.3优点与问题/181
参考文献/181

第11章醇类重整制氢/184
11.1甲醇制氢/184
11.1.1甲醇水蒸气重整制氢/184
11.1.2甲醇水相重整制氢/189
11.2生物燃料乙醇制氢/189
11.2.1乙醇直接裂解制氢/191
11.2.2乙醇水蒸气重整制氢/191
11.2.3乙醇二氧化碳重整制氢/193
11.2.4乙醇制氢催化剂/194
11.3醇类重整制氢反应器及技术/198
11.3.1固定床反应器/199
11.3.2微通道反应器/200
11.3.3微结构反应器/203
11.3.4膜反应器/205
11.4电催化强化乙醇制氢/208
11.5等离子体强化乙醇制氢/208
11.6甲醇、乙醇制氢技术的特点和问题/209
11.6.1甲醇、乙醇制氢的技术经济性/209
11.6.2甲醇、乙醇制氢的CO2排放/209
11.6.3制氢与燃料电池耦合系统/209
参考文献/212

第12章甘油重整制氢/217
12.1背景及甘油的来源/217
12.2甘油的物化性质/218
12.3甘油水蒸气重整制氢/219
12.3.1热力学分析/220
12.3.2反应机理/221
12.3.3催化剂/223
12.4甘油水相重整制氢/229
12.5甘油干重整制氢/231
12.6甘油光催化重整制氢/231
12.7甘油高温热解法重整制氢/232
12.8甘油超临界重整制氢/232
12.9甘油吸附增强重整制氢/232
12.10甘油制氢技术的CO2排放/237
12.11甘油制氢技术的经济性/237
参考文献/239

第13章甲酸分解制氢/243
13.1基本原理/243
13.2甲酸的来源/243
13.3甲酸分解催化剂/245
13.3.1均相催化剂/245
13.3.2非均相催化剂/252
13.4甲酸分解制氢技术及设备/258
13.5甲酸分解制氢技术的优点和问题/259
参考文献/260

第14章氨气制氢/264
14.1氨制氢原理/264
14.1.1氨分解制氢的热力学/264
14.1.2氨分解制氢的动力学/265
14.1.3热催化法分解氨气制氢/267
14.1.4等离子体催化氨制氢新工艺/268
14.2氨制氢的设备/268
14.3其他氨分解制氢方法/268
14.4和甲醇制氢比较/269
参考文献/270

第15章烃类分解生成氢气和炭黑的制氢方法/272
15.1烃的定义及制氢方法/272
15.2烃类分解制取氢气和炭黑方法/272
15.2.1热裂解法/272
15.2.2等离子体法/273
15.3天然气催化热裂解制造氢气和炭黑(TCD)/273
15.3.1传统的天然气热裂解/273
15.3.2天然气热裂解制氢气和炭黑的新方法/273
15.3.3天然气催化热裂解制造氢气和炭黑(TCD)/274
15.4热分解制氢气和炭黑与传统方法的比较/274
15.4.1分解甲烷的能耗/274
15.4.2氢气产品的能耗与原料消耗/275
15.4.3排放CO2比较/275
15.4.4能量利用比较/275
参考文献/275

第16章NaBH4制氢/276
16.1基本原理/276
16.2研究进展/277
16.2.1NaBH4制氢工艺/277
16.2.2设备/279
16.3优点与问题/281
参考文献/281

第17章硫化氢分解制氢/282
17.1硫化氢分解反应基础知识/282
17.1.1反应原理/282
17.1.2热力学分析/282
17.1.3动力学研究/283
17.1.4动力学反应机理/283
17.2硫化氢分解方法/284
17.2.1热分解法/284
17.2.2电化学法/285
17.2.3电场法/286
17.2.4微波法/286
17.2.5光化学催化法/286
17.2.6等离子体法/286
17.3主要研究方向/288
参考文献/289

第18章金属粉末制氢/290
18.1什么金属能制氢/290
18.2铝制氢/291
18.2.1Al-H2O体系/291
18.2.2铝制氢设备/295
18.3镁制氢/295
18.4锌制氢/296
18.5铁制氢/297
18.6结语和展望/297
参考文献/297

第19章液氢/299
19.1液氢背景及性质/299
19.1.1液氢性质/299
19.1.2液氢外延产品/299
19.2液氢用途/302
19.3液氢的生产/302
19.3.1正氢与仲氢/302
19.3.2液氢生产工艺/303
19.3.3液氢生产典型流程/305
19.3.4全球液氢生产/307
19.3.5液氢生产成本/308
19.4液氢的储存与运输/309
19.4.1液氢储存/309
19.4.2液氢运输/310
19.5液氢加注系统/312
19.5.1液氢加注系统/312
19.5.2防止两相流的措施/312
19.6液氢的安全/313
19.7中国液氢/314
19.8小结/315
参考文献/315

第20章副产氢气的回收与净化/317
20.1变压吸附法/318
20.1.1背景/318
20.1.2氢气分离的各种方法比较/318
20.1.3变压吸附制氢工艺/319
20.1.4变压吸附在氢气分离中的应用与发展/323
20.2膜分离法/325
20.2.1有机膜分离/325
20.2.2机膜分离/330
20.2.3液态金属分离/331
20.3深冷分离法/332
20.3.1低温吸附法/332
20.3.2工业化低温分离/333
参考文献/333

前言/序言

氢是人类永恒的能源、人类未来的能源
为什么说氢是人类永恒的能源、人类未来的能源?是因为:
(1)氢及其同位素的资源丰富。每个水分子含有两个氢原子一个氧原子。相比氧化铁是“铁矿”,那么,水就是无穷的“氢矿”。而氢在使用后又复生成水。可见氢的量是无穷无尽的。我们知道地球的70%以上的表面都覆盖着水,人们不必像争夺分布极度不平衡的石油和煤那样去争夺水,由此我们也称氢为“和平能源”。大力发展“和平能源”是我国崛起的必然之路。
(2)氢很“容易”得到。只要有水和其他任何能源,甚至金属、化合物都能获得氢气。氢气是能源载体,所有的一次能源和能源载体都可以用来直接或间接生产氢气。所谓直接生产氢气,指与水反应制得氢气或直接裂解生成氢气,如天然气直接裂解生成氢气和碳。所谓间接生成氢气,是指先发电,再利用电解水制得氢气,或先制成含氢载体,如氨气、甲醇、乙醇等,再裂解它们制得氢气。氢气的制取方法很多,包括:热化学制氢、电化学制氢、微生物学制氢,等等。“易得”是氢的重要特点,如何制得氢气是《氢能利用关键技术系列--制氢工艺与技术》的主要内容。
(3)氢能是无碳能源,是最环保的能源。无论你用什么方式使用氢气,其最终的产物都是水,是清洁的、无污染的水。氢在其生命周期中,不给环境留下一丁点CO2,氢是典型的无碳能源。
(4)氢气具有可储存性。它既可以以气态、液态的形式储存和输配,也可以以不饱和的氢的液体、固体及金属氧化物的形式进行储存和运输。
(5)氢是宇宙中最丰富的元素。构成宇宙的物质的元素中,大约占据宇宙质量的75%。地球之母——太阳,就是依靠氢的同位素氘和氚的聚合反应生成巨量的热和光,温暖着地球,照耀着地球。使用氢作为能源,就是回归宇宙法则,“替天行道”。
(6)氢是安全的能源。每种能源载体都有其物理/化学/技术性的特有的安全问题。氢在空气中的扩散能力很强,因此氢泄漏或燃烧时就很快地垂直上升到空气中并扩散。因为氢本身没有毒性及放射性,所以不可能有长期的未知范围的后续伤害。氢不会产生温室效应。现在已经有整套的氢安全传感及执行装置,可及时测定氢气的泄漏并采取措施,将事故消灭在萌芽状态,保证氢气使用安全。
通常,氢能产业链由制氢、储运和应用组成,制氢是完整的氢能产业链的第一环,非常重要,没有氢气,就无从谈起氢能产业。近年来,准备投入氢领域的投资人、企业家越来越多。他们的第一个问题往往就是氢气从哪里来?为了比较系统地回答这一问题,我们曾在2015年在化学工业出版社的支持下,出版了《氢气生产热化学利用》,介绍了工业化制氢方法及其氢能在内燃机、燃气轮机、锅炉、切割、焊接及环境保护等领域的应用,得到读者好评。为了适应最近投资人和企业家对氢气生产的深入了解,我们决定编写《氢能利用关键技术系列--制氢工艺与技术》,不仅仅介绍工业化生产氢气,也介绍有潜力的无碳氢气(又称绿色氢气)生产,例如更接近产业化的风力制氢、生物质制氢。希望一方面满足新进入氢能领域的人士需要,另一方面切实推动无碳制氢发展。
起初,化学工业出版社就《氢能利用关键技术系列--制氢工艺与技术》内容及作者已有部分安排,后由我继续执行。因为在已有的框架下完善,所以,有的章节似乎可以安排得更好些。
参与《氢能利用关键技术系列--制氢工艺与技术》各章节撰写的作者都是制氢方面的教授、专家和亲历者,从专业出发承担相关章节编写,每章节的功劳和责任都分别属于作者自己。编者在此对各位作者表示诚挚的谢意。《氢能利用关键技术系列--制氢工艺与技术》各章节的具体作者情况如下:
绪论(清华大学毛宗强)
第1章煤制氢(毛宗强)
第2章天然气制氢(清华大学骞伟中)
第3章石油制氢(北京华氢科技有限公司毛志明)
第4章可再生能源制氢(清华大学李十中、碗海鹰完成该章第4.2.3节;毛志明完成该章其余部分)
第5章太阳能光解水制氢(上海电力学院姚伟峰)
第6章生物质发酵制氢(中国农业大学刘志丹、司哺春、李嘉铭,中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院张家仁)
第7章生物质热化学制氢(华南理工大学余皓)
第8章核能制氢(清华大学张平)
第9章等离子体制氢(毛宗强)
第10章汽油、柴油制氢(陆军防化学院孙杰)
第11章醇类重整制氢(余皓)
第12章甘油重整制氢(余皓)
第13章甲酸分解制氢(余皓)
第14章氨气制氢(毛志明)
第15章烃类分解生成氢气和炭黑的制氢方法(毛志明)
第16章NaBH4制氢(毛志明)
第17章硫化氢分解制氢(毛志明)
第18章金属粉末制氢(毛志明)
第19章液氢(毛宗强)
第20章副产氢气的回收与净化(毛志明)
最后,编者借此机会感谢化学工业出版社的大力支持,特别是编辑的辛勤劳动,使得《氢能利用关键技术系列--制氢工艺与技术》得以高质量完成。《氢能利用关键技术系列--制氢工艺与技术》是从事氢能的教授、专家的集体编著的结晶,希望《氢能利用关键技术系列--制氢工艺与技术》能对我国发展氢能有所贡献。在编写过程中,编者力求论述准确、理论结合实际。由于水平有限,书中不足之处在所难免,恳请读者批评指正。

2018年4月
于清华大学能科楼A座314室


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