氢能利用关键技术系列--制氢工艺与技术

《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，本书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，本书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。 本书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。

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。

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天然气无氧芳构化制氢工艺/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/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无机膜分离/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