《化工设备设计》教案和电化学技术在新能源中的利用

PAGEPAGE23《过程设备设计》教案7—塔设备课程名称：过程设备设计专业：过程装备与控制工程任课教师：贺华第7章塔设备§7-1概述主要教学内容授课方式授课时数1、塔设备在过程工业中的应用和作用2、塔设备的基本要求3、设备的分类和总体结构4、塔设备的发展及现状讲授自学1教学目的和要求1、了解塔设备在化工生产中的作用和基本要求2、掌握塔设备的分类和总体结构教学重点和难点塔设备的分类和设计要求课外作业思考题一、塔设备在化工生产中的作用和地位塔设备是石油、化工生产中广泛使用的重要生产设备，在石油、化工、轻工等生产过程中，塔设备主要用于气、液两相直接接触进行传质传热的过程，如精馏、吸收、萃取、解吸等，这些过程大多是在塔设备中进行的。塔设备可以为传质过程创造适宜的外界条件，除了维持一定的压强、温度、规定的气、液流量等工艺条件外，还可以从结构上保证气、液有充分的接触时间、接触空间和接触面积，以达到相际之间比较理想的传质和传热效果。塔设备的投资及重量在过程设备中所占的比例装置名称塔设备的投资比例塔设备重量的比例石油及石油化工（60万吨、120万吨/年催化裂化装置）25.4%48.9%炼油及煤化工（30万吨/年乙烯装置）34.85%25.3%化纤（4.5万吨/年丁二烯装置）44.9%54%二、对塔设备的基本性能指标要求三、塔设备的分类按压力加压塔、常压塔、减压塔按单元操作精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔、干燥塔等﹡按支承方式框架塔、自支承式塔﹡按塔内件结构板式塔、填料塔四、塔设备的发展及现状·塔设备的形式繁多，规模范围也很大·塔设备的大型化发展趋势（1）强度、刚度及流体均布等方面的问题（2）全负荷运转（3）大型塔设备的设计、制造、操作和维修塔设备的设计内容：﹡结构设计确定塔体结构；塔盘结构；溢流装置；紧固件及支持件；进出口接管结构；裙座及其它附件；﹡机械设计选择材料；计算塔体壁厚裙座壁厚；计算地脚螺栓直径及数量等；工艺设计计算理论塔板数；选择塔板效率并确定实际塔板数；选取板间距并初步确定塔高；计算塔径（或空塔气速）；进行流体力学验算；§7-2填料塔主要教学内容授课方式授课时数1、填料2、液体分布装置3、液体再分布装置4、填料支承装置讲授自学2教学目的和要求1、了解工业用填料的主要类型、优缺点及用途2、掌握主要的液体分布装置和液体再分布装置的结构3、了解填料支承装置的结构及强度计算教学重点和难点液体分布装置液体再分布装置课外作业思考题填料塔是连续式的气液传质设备，气液两相间呈连续逆流接触并进行传质和传热，气液两相组分的浓度沿塔高呈连续变化。板式塔中气液两相间逐层逆流接触并进行传质和传热，气液两相组分的浓度沿塔高呈阶梯式变化。在结构上，填料塔主要优点：（1）结构简单，压力降小（2）便于处理腐蚀性物料（填料一般由耐蚀材料制成）、易起泡沫的物料（气体不是以发泡的形式通过液层，而且填料对气泡有破碎作用）及真空操作（气液阻力降小）缺点：（1）体极大、重量大（2）传质效率较低，操作稳定性较差（3）不适于处理污浊液体、含尘气体、含有固体颗粒及容易结垢的物料填料塔总体结构（图7-1）一、填料二、填料支承装置基本要求：（1）具有足够的强度和刚度（2）具有足够的自由截面积（3）结构简单，便于安装，能耐介质腐蚀1、栅板（1）栅板的结构注意：栅条的间距不能过小，否则会使栅板自由截面积过小，而且填料会堵塞栅条间的气体通道，使气体压力降增大。（2）栅板的强度计算（了解）P=PP+PLNPP=9.8HLtγPN乱堆填料：PL=3.43HLtγL×10-4N丝网填料：PL=0.49HLtγL×10-4NM=PL/6N.m体喷射式支承板优点：气体和液体通过不同通道流动，可减小气液流动的阻力（1）驼峰式气体喷射式支承板（2）钟罩型气体喷射式支承板三、液体分布装置基本要求：（1）结构简单，制造、安装、维修方便（2）不需很大的液体压头即能均匀分散液体，液体通道不易堵塞（3）满足喷淋点数的要求（一）喷洒型1、多孔直管式布液器优点：结构简单缺点：液体分布均匀性较差；液体不清洁时，小孔容易堵塞；*2、多孔排管式布液器优点：喷淋面积大且均匀缺点：操作弹性小；要求压力稳定；3、多孔环管式布液器优点：结构简单，制造、安装方便缺点：喷淋面积小，不够均匀；要求液体均匀，否则小孔容易堵塞4、筛孔盘式布液器气体截面积小，阻力大，操作弹性小5、莲蓬头式布液器优点：结构简单，安装、拆卸方便缺点：小孔易堵塞；雾沫夹带严重；流量或压力改变时，液体分布状况会产生较大改变莲蓬头直径：d=(0.2~0.3)DN喷洒半角：α≤40o小孔数目：n=1+n1+2n1+3n1+……..+mn1(n1为第一圈圆周上的孔数)安装高度：h=(0.5~1)DN（二）溢流型喷洒型液体分布装置的局限性：（1）液体需要有一定的压力才能喷洒。（2）孔眼容易堵塞。（3）当塔径较大时液体分布的均匀性较差。因此，对直径较大的填料塔，多采用溢流型液体分布装置。流盘式布液器2、溢流槽式布液器（三）冲击型布液器1、反射板式布液器2、宝塔式布液器四、液体再分布装置作用：防止壁流；防止“干锥”的出现；对液体进行重新分布；1、分配锥2、槽式液体再分布器3、多孔盘式液体再分布器4、斜板复合式液体再分布器§7-3板式塔主要教学内容授课方式授课时数1、常用板式塔的类型2、塔盘的结构3、裙座及除沫器讲授自学2教学目的和要求1、了解板式塔的类型及总体结构2、掌握塔盘的结构3、了解裙座及除沫器的结构教学重点和难点塔盘的结构课外作业思考题一、总体结构板式塔的优点：效率高、处理量大、重量轻、便于维修板式塔的缺点：结构较复杂、阻力降较大二、板式塔类型（一）泡罩塔优点：1、操作弹性大，在气、液负荷波动较大时仍能保持较恒定的塔板效率。2、对物料适应性强，塔板不易堵塞。缺点：1、结构复杂，金属耗量大，造价高，安装和维修不方便。2、气体压力降大，雾沫夹带较严重，因此限制了气速的提高，生产能力不大。3、不好操作，液体或蒸汽流量很小时，会形成气液接触不良或蒸汽流动的脉动；反之会形成雾沫夹带、液泛等。（二）浮阀塔优点：1、结构紧凑，生产能力大。2、蒸汽以水平方向吹入液层，阻力小，气液接触时间长且接触状况良好，故雾沫夹带少，塔板效率高。3、浮阀可根据气量大小上下浮动，操作弹性大。4、浮阀结构简单，安装容易，造价较低。缺点：在结构、生产能力、塔板效率等方面不及筛板塔，有待进一步的改进。（三）筛板塔优点：1、结构简单，制造容易，造价低。2、塔板效率较高，生产能力大。3、对物料的适应性强，不易堵塞。缺点：1、操作弹性小，需保持较稳定的气、液流速。2、小孔径筛板易堵塞，不适宜处理脏的、粘性大的和带固体颗粒的料液。（四）穿流式栅板塔优点：1、无溢流和降液装置，结构简单，安装和维修方便。2、塔板上的开孔有效面积大，开孔率大，故生产能力大。3、气、液流动的压力降小，适用于真空蒸馏。4、孔道不易堵塞，对物料的适应性强。缺点：1、操作弹性小。2、塔板效率低。（五）斜喷型塔优点：1、舌形塔是喷射型塔，气体喷出的方向和液体流动的方向一致，可充分利用气体动能促进气液两相间的接触，提高传质效率。2、气体不必通过较深的液层，压力降小，雾沫夹带小，可采用较大气速，故生产能力高。3、结构简单，安装、维修方便。缺点：1、液体被气体冲至塔壁落入降液管，带有大量泡沫，气相夹带严重，塔板效率低。2、固定舌形塔操作弹性小，气流量小时易漏液；浮动舌形塔浮舌易损坏。三、板式塔塔盘结构(一)塔盘塔盘设计要求：（1）有一定的强度和刚度以承载和维持水平（2）塔盘和塔壁之间应保证一定的密封性以避免气液短路（3）便于制造、安装和维修（4）制造成本低按气液两相流动方式分：溢流式（错流式）：操作弹性大穿流式（逆流式）：生产能力大按塔径大小分——整块式：D≤700mm分块式：D＞700mm任选：D=700~800mm补充：塔盘板及支撑梁的强度和刚度计算（1）塔盘板简化为周边简支的矩形薄板，承受均布载荷（包括塔盘板的自重和塔盘板上物料的重量）强度计算最大弯曲应力：；取σ=max｛σx，σy｝要求：σ≤[σ]操作时：[σ]=0.65检修时：[σ]=0.95L/bαβγ1.00.04790.04790.04331.20.06260.05010.06161.50.08120.04990.08431.80.09480.04790.10172.00.10170.04640.11063.00.11890.04040.13364.00.12350.03840.14005.00.12460.03750.1416∞0.12500.03750.1422b、刚度计算要求：fmax≤[f]浮阀塔盘：DN≤2400mm时，[f]=3.2mmDN＞2400mm时，[f]=DN/720mm泡罩塔盘：DN≤1830mm时，[f]=1.6mmDN＞1830mm时，[f]=3.2mm（2）支承梁（二）降液管和受液盘1、降液管2、受液盘（三）溢流堰出口堰（1）保证塔盘上有一定厚度的液层（2）使液流均匀（3）增加溢流周边长度，有利于气液分离进口堰（1）保证降液管密封（2）减少水平方向的冲击，使液流均匀流过塔盘§7-4塔设备的附件主要教学内容授课方式授课时数1、除沫器2、裙座3、吊柱讲授自学1教学目的和要求1、了解除沫器的结构2、掌握裙座的结构和裙座材料的选择3、了解吊柱的结构教学重点和难点裙座的结构和裙座材料的选择课外作业思考题一、除沫器作用：（1）分离塔顶出口气体中夹带的液滴，保证传质效率（2）减少有价值物料的损失（3）改善后续设备的操作条件丝网除沫器折板除沫器旋流板除沫器二、裙座裙座的总体结构裙座材料（1）裙座与塔内物料不直接接触，也不承受塔内的介质压力，所以不受压力容器用钢的限制，允许采用普通碳素结构钢，如Q235-A、Q235-AF等制造。当裙座温度≤-20℃时，应选择16Mn，且具有一定的冲击韧性。（2）当塔底封头材料为合金钢时，座圈上部应设短节，短节材料和底封头相同，以避免不同材料焊接对底封头产生不利影响。短节长度：操作温度t＜0℃或t＞350℃时，短节长度取为保温层厚度的四倍，且不小于500mm。操作温度t=0~350℃时，短节长度取为250~300mm。三、吊柱吊柱的作用吊柱的结构吊柱的选用§7-5塔设备的强度计算主要教学内容授课方式授课时数1、塔设备的自振周期2、塔的受载分析3、筒体的强度计算及校核4、裙座的强度计算及校核讲授3教学目的和要求1、掌握筒体的强度计算及校核方法2、了解裙座的强度计算及校核方教学重点和难点1、塔设备工作时所受的各种载荷分析和计算2、筒体的强度计算及校核方法课外作业思考题；综合练习题；一、塔设备的自振周期塔设备的振动属多质点体系的振动，具有多个自由度，可出现多种振型，由于塔设备的刚度较大，通常只考虑第一振型。1、等截面塔的自振周期2、变截面塔的自振周期此公式只能计算第一振型的自振周期，第二振型自振周期可根据T2=T1/6计算塔任意段的水平位移和塔顶位移的关系：二、塔的载荷分析（一）质量载荷设备操作时的质量：m0=+m02+m03+m04+m05+ma+me设备水压试验时的最大质量：mmax=m01+m02+m03+m04+mw+ma+me设备停工检修时的最小质量：mmin=m01+0.2m02+m03+m04+ma其中：m01—设备壳体（包括裙座）质量m02—设备内件质量m03—设备保温材料质量m04—设备上平台、扶梯质量m05—设备内物料质量ma—设备上人孔、接管、法兰等附件质量mw—设备内充水质量me—偏心质量0.2m02是考虑停工检修时壳体上的内件质量，如塔盘支持圈、降液管等质量载荷使塔的各个截面产生轴向压应力不同截面、不同工作状况（操作或非操作）的载荷不同质量（二）偏心载荷ME=9.8me.eMe偏心质量e偏心距（三）风载荷水平风力的计算计算风速V0↓基本风压q0=ρV02/2↓各段风压qi=fiq0↓水平风力Pi=K1K2ifiq0liDei2、风弯矩的计算（四）地震载荷构造地震塔设备在地震载荷作用下，产生三个方向的运动：水平方向的振动；垂直方向的振动；扭转，其中水平方向的振动危害最大。地震时使塔设备相对于地面运动的惯性力称为地震力，在一般计算中只考虑水平地震力对塔设备的作用。震级——表示地震时释放能量的大小地震烈度——表示地震的破坏程度1、单质点弹性体系水平地震力的计算F=CZαMpgCZ结构系数，钢制圆筒形设备CZ=0.5α地震影响系数（图7-76）Mp集中于单质点的质量2、多质点弹性体系水平地震力的计算Fjk=CZαηjkmkgηjkj振型k质点的振型系数Yk=Ya(hi/H)3/2等截面塔：3、地震弯矩的计算对于等截面塔：ME10-0=35/16CZα1mgH2当H/D>15或塔设备的高度大于等于20m时，需考虑高振型的影响，采用简化计算方法：MEI-I=1.25ME1I-I最大弯矩：水压试验时：三、筒体的强度及稳定性校核（一）各种载荷引起的轴向应力1、设计压力引起的轴向应力：2、质量载荷引起的轴向应力：3、最大弯距引起的轴向应力：（二）最大组合应力的计算及校核（1）最大组合拉应力σLmax=σ1-σ2+σ3<K[σ]tφ（2）最大组合压应力σYmax=σ1+σ2+σ3<[σ]cr四、裙座的强度及稳定性校核1、裙座圈的计算——应力校核基础环的计算——厚度计算地脚螺栓的计算——直径计算裙座圈与筒体焊缝的计算——应力校核§7-6塔设备的振动主要教学内容授课方式授课时数1、风诱导振动的原因2、风诱导振动频率和临界风速的计算3、塔设备的防振措施讲授自学1教学目的和要求1、掌握风诱导振动的原因2、了解风诱导振动频率和临界风速的计算3、了解塔设备的防振措施教学重点和难点塔盘的结构课外作业思考题一、风的诱导振动卡曼涡街（1）卡曼涡街的形成原因：风绕流圆柱体↓迎风侧（加速降压），背风侧（减速升压）↓边界层流体质点受粘性摩擦力作用↓背风侧边界层增厚↓流体主流绕流形成漩涡↓卡曼涡街（2）形成卡曼涡街的条件亚临界区；超临界区；2、升力FL=CLρv2A/23、风诱导振动频率Sr=fvD/v300≤Re≤2×105时：Sr=0.2Re＞3.5×106时：Sr=0.27若Sr=0.2临界风速—塔共振时的风速vcn=5fcnD=5D/Tcn塔第一振型临界风速：vc1=5fc1D=5D/Tc1当v＜vc1时，塔不会发生共振当v≥vc1时，塔将发生共振，需进行共振时的强度计算二、塔设备的防振防振措施：（1）增大塔的自振频率（2）采用扰流装置（3）增加塔的阻尼

电化学技术在新能源中的利用一.能源的概况1.能源的重要性1.能源的重要性自古以来,人类就为改善生存条件和促进社会经济的发展而不停地进行奋斗.在这一过程中,能源一直扮演着重要的角色.从世界经济发展的历史和现状来看,能源问题已成为社会经济发展中一个具有战略意义的问题,能源的消耗水平已成为衡量一个国家国民经济发展和人民生活水平的重要标志,能源问题对社会经济发展起着决定性的作用.2.能源的种类2.能源的种类大自然赋予人类的能源是多种多样的,一般可分为常规能源和新能源两大类.常规能源包括煤炭,石油,天然气和水能,而新能源有生物质能,核能,风能,地热能,海洋能,太阳能和氢能等.其中煤炭,石油,天然气被成为化石能源,水能,生物质能,风能,太阳能和氢能等是可再生能源.3.化石能源的问题(1)化石能源的短缺化石能源的短缺能源是人类赖以生存和社会发展的重要物质基础,是国民经济发展的命脉,但目前主要使用的化石能源的储量不多.据2002年世界探明的化石能源的储量和使用量统计,世界上煤,石油和天然气的储采比分别为204,40和60年,中国的情况更为严峻,据2002年统计,中国煤,石油和天然气的储采比只有82,15和46年.这表明在人类历史的长河中,只有很短的一段时间能使用化石能源.随着我国经济的持续高速增长,对能源的需求也持续攀升.我国一次能源消费总量从1978年的5.3亿吨标准煤,上升到2002年的14.3亿吨.据估计,我国在2004,2020和2050年的石油消费量达3,4.5和6亿吨,其中进口量分别为1,2.7和4亿吨.4亿吨的进口量相当于目前美国的石油进口量,这不但会制约我国经济的可持续发展,而且对国家的安全也十分不利.(2)化石燃料造成严重环境污染和气候异常化石燃料造成严重环境污染和气候异常化石燃料的使用引起的环境污染,排放的CO2会造成温室效应,使全球气候变暖.有关机构已向联合国发出警告,如再不对CO2的排放采取严厉措施,在10年内,世界的气候将产生不可逆转的变化.我国的环境污染问题更是日趋严重,目前,我国CO2排放量占世界总排放量的14%,在美国之后位居第二,估计到2025年,将位居第一.在本世纪初联合国关于环境污染的调查中,发现在世界上十个环境污染最严重的城市中,七个在中国.它们是太原,北京,乌鲁木齐,兰州,重庆,济南和石家庄.4.21世纪世界能源发展趋势世纪世界能源发展趋势(1)节能技术将备受重视节能技术将备受重视节能就是提高能源利用率,减少能源的浪费.目前节能技术水平已是一个国家能源利用情况的综合性指标,也是一个国家总体科学技术水平的重要标志.许多研究报告指出,依靠节能可以将能源需求量降低2530%.我国在能源利用方面的效率很低,我国的能耗很高,是世界平均水平的2倍,发达国家的5-10倍,因此更应重视节能技术,我国应该充分重视化石能源的高效利用.(2)世界能源系统将发生重大变革世界能源系统将发生重大变革据预测,20世纪形成的以化石燃料为主的世界能源系统将在21世纪转换成以可再生能源为主的新的世界能源系统.在20世纪末,化石燃料的使用量占了世界一次能源用量的89.5%.据世界能源委员会(WEC)和国际应用分析系统研究所的研究报告认为,在20世纪上半叶,化石燃料仍将是世界一次能源的主体,但到21世纪下半叶,太阳能,生物质能,风能等新能源将占世界能源的50%左右.(3)煤炭将作为过渡能源而受到重视煤炭将作为过渡能源而受到重视由于石油和天然气的储量较少,而煤炭储量相对较多,因此煤炭将作为一种过渡能源而在21世纪上半叶受到重视.主要发展的技术是洁净煤技术,煤液化和汽化技术.(4)新化石能源的开发将得到强化新化石能源的开发将得到强化近年来发现,在海洋300米深处有甲烷水合物存在.目前,甲烷水合物的开发已经受到特别的关注.据估计,世界甲烷水合物的储量可能超过石油,天然气和煤炭储量的总和.因此,甲烷水合物作为储量巨大的未开发能源开始受到世界各国的高度重视.(5)核能的利用将进一步得到重视核能的利用将进一步得到重视据国际原子能机构统计,在20世纪末,全世界运行的核电站有436座,总发电量为3.5亿千瓦.这些电站主要分布在美,法,日,英,俄等31个国家,近年来,由于担心核电站运转的安全性,核废料对环境的影响和核技术扩散对世界安全性的影响,核能的发展在发达国家已有下降趋势,但在亚洲地区仍有强劲的增加趋势,我国准备在今后几年内建造4座核电站.受控核聚变是一直受人们关心的技术,因为在海水中大约有23.4亿万吨氘,如受控核聚变技术在21世纪能得到应用,在21世纪末,核能可望占世界一次能源的30%左右.(6)可再生能源的开发将越来越受到重视可再生能源的开发将越来越受到重视鉴于化石燃料的短缺及化石燃料的使用引起严重的环境污染和气候异常,人们对新能源的开发越来越重视.其中水力能,地热能,海洋能和风能的可利用资源有限,因此,太阳能,生物质能和氢能的利用将倍受关注.二.生物质能的利用1.生物质能的优点.(1)生物质来源丰富地球上每年生长的生物质总量约14001800亿吨,相当于目前世界总能耗的10倍,我国的生物质能也极为丰富,可作为能源开发的生物质能总量可达4.5亿吨标准煤.加上生物质能可再生.因此,生物质能的高效,规模化利用可有效缓解世界能源供需矛盾.(2)生物质能可多途径利用(a)直接燃烧.其热能和蒸汽可发电,技术成熟,但效率低.(b)生物转化.包括制沼气和水解发酵制取醇类.生物质制甲醇和乙醇技术基本成熟,但生产成本较高.生物质制沼气技术相当成熟.2002年全国已建1300多万个沼气池.(c)光热转化.通过气化,裂解,光催化等技术,获得气,液体燃料来发电.(d)生物柴油.从油料植物提取植物油,经甲酯化得生物柴油.它有含氧高,含硫低,分解性能好,燃烧效率高等优点.(3)生物质能利用的环境污染少由于生物质利用过程中释放的CO2是其生长过程通过光合作用从环境吸收的,所以生物质能的利用过程不排放额外的CO2,而对环境污染少.生物质能的利用还能降低污染.如可利用生物质热解汽化技术处理生活垃圾等,可得到以甲烷为主的燃气,实现垃圾的减量化,无害化,资源化.2.生物质能利用的问题2.生物质能利用的问题生物质能利用的缺点主要是生物质分布广,大面积收集成本高,经济的收集半径在50公里以内,只适合建立小型,分散的生物质能利用系统.而小型转换系统的效率低,不提高生物质能的利用效率就不能获得好的经济效益,这是生物质能至今未能实现规模化应用的关键问题之一.因此,如何在小型,分散体系实现能量的高效,清洁及规模化利用是迫切需要解决的问题.三.太阳能的利用1.太阳能的优点太阳能的优点(1)太阳能来源丰富太阳能来源丰富太阳能来源丰富是众所周知的,这似乎是一种用之不绝,取之不尽的能源.太阳内部不停地进行热核反应,释放出巨大的能量,辐射到地球上的能量只占起辐射总能量的极小部分,约1/22亿,但地球每年接收的太阳能至少有6×1017千瓦小时,相当于74万吨标准煤的能量.其中被植物吸收的仅占0.015%.可见,开发太阳能利用的潜力很大.(2)太阳能的使用没有污染问题太阳能的使用没有污染问题这也是众所周知的,太阳能的使用基本上没有污染问题.(3)太阳能可多途径利用太阳能可多途径利用(a)太阳能的热利用.如太阳能热水器,太阳灶,太阳能蓄热池发电等.(b)太阳能发电.如太阳能电池和光电池.(c)光催化和光电催化制氢.主要用这两种技术从水或生物质中制得氢气.2.太阳能利用的概况太阳能利用的概况近年来,太阳能的利用发展很快,据1997年的数据,全球太阳能发电量已达800兆瓦.到2000年,日本已有7万个住宅用上太阳能电池,美国和欧盟计划在2010年前安装100万套太阳能电池.特别是把太阳能电池与屋顶瓦结合成光电发电系统,目前欧洲已有300套,年发电量为1亿千瓦.这种系统不但可供应清洁能源,而且美观耐用,寿命可达25年.太阳能的热利用发展更快.特别在我国,太阳能热水器的年产值已达60多亿元,居世界首位.3.太阳能利用的问题太阳能利用的问题开发太阳能利用的主要问题是如何提高太阳能的转换效率,其次是降低成本,这对我国特别重要,目前我国生产太阳能电池的能力已达几百兆瓦,但由于价格高,基本上都销往国外.第三,一些技术,如光催化和光电催化制氢技术还没成熟,没有达到实用化的阶段,应该抓紧这方面的研究和发展.四.氢能的利用1.氢能的优点氢能的优点(1)氢是自然界储量最丰富的元素.(2)氢是除核燃料外发热量最大的燃料.(3)氢燃烧生成水,是世界上最清洁的燃料.(4)燃烧性能好,可燃范围大,燃烧速度快.(5)氢可用多种方法大规模生产.(6)氢的利用形式多,可通过燃烧发电,通过燃料电池发电等.2.对氢能利用的重视2002年加拿大举办了以"氢行星"为主题的第14届世界氢能源大会.2003年在华盛顿召开15个国家和地区参加的"国际氢能经济合作伙伴"会议.冰岛计划用40年时间将冰岛建成"氢社会".布什将投资120亿美元来促进氢能源的发展.过去5年,工业化国家在氢能开发领域的投入年均递增20.5%.氢将取代天然气,油和煤而成为未来世界的主要能源,进入氢能时代已成为近年来的热门话题,21世纪将是氢能世纪.布什举着使用氢燃料的照相机我国对发展氢能经济也开始重视,参加了2003年在华盛顿召开的有15国家参加的"国际氢能经济合作伙伴"会议.2004和2005举办了两次关于氢能经济的中美双边会议.今年一月,中国科学院院士局召开了关于"石油替代能源"的研讨会,主要讨论石油资源可持续性分析,石油的替代能源,氢能燃料和我国的石油替代能源.并要组织人员进行软课题研究.3.氢能的问题3.氢能的问题(1)氢的价格氢的制备,储存和运输中的价格问题,是影响走进氢能时代的很关键的问题.要降低其价格,必须形成氢的制备,储存和运输的网络.(2)廉价清洁的制氢技术问题(2)廉价清洁的制氢技术问题目前制氢效率很低,氢的制取要消耗大量的能量,因此寻求大规模的廉价清洁的制氢技术是各国科学家共同关心的问题.(a)化石燃料制氢:目前,96%氢从化石燃料制备,技术成熟,但要造成环境污染.(b)电解水制氢:技术成熟,但耗能多,价格高.一般每生产1立方米的氢气,需要消耗4.2-6度的电能,其能量转化率不到32%.(c)生物质制氢:有可再生,产量大,可储存,碳循环等优点,从中长期看是最有前途的制氢方式.目前生物质制氢效率低.(d)生物制氢:国内外在选育高效产氢菌株工作进展不快,制氢效率低.(e)风能制氢:用风能发电来电解水产生氢,技术上没有问题,降低成本和风能发电量少是主要的问题.(f)太阳能制氢:该法还处在基础研究阶段,离商业化还有较远的距离.(3)氢的储运问题(3)氢的储运问题氢的储运技术主要解决储运的安全性和成本,现在由于储运技术不过关,因此浪费了许多氢.许多工业过程,如炼油,炼焦,氯碱,合成氨,合成甲醇及煤气制造等多有大量的副产品氢气,只是由于储运技术的问题而不能被利用.我国每年放空和烧掉的氢气至少在1010标立方米以上.因此解决氢的储运问题也是走进氢能时代的一个很关键的问题.目前氢的储运还有很大问题.(a)高压储氢:储氢量少,只有1%左右,还有不安全的问题.(b)液氢储氢:很不方便,储氢设备大,蒸发损失大.(c)吸附储氢:这是目前的研究热点,但储氢容量还较低,一般不超过2%.镁合金储氢在3%,但储放不可逆.热门一时的纳米碳管储氢也已没有了希望,最终的储氢量也只有1%左右.(e)化合物储氢:放氢不容易.(4)燃料电池还没有商品化用氢作燃料的燃料电池的出现是促进氢能利用的重要原因.近年来,由于化石燃料资源短缺和环境污染日趋严重,各国对燃料电池的研究十分重视.美国《时代周刊》把燃料电池列为21世纪十大高新科技之首,燃料电池已被认为是21世纪极具应用前景的一种新型能源系统.虽然燃料电池有很诱人的优点,而且燃料电池的发展已有100多年的历史,但至今还没有一种燃料电池已经真正商品化,因此,燃料电池何时才能商品化是一个与氢能利用密切相关的问题.4.反对氢能的意见4.反对氢能的意见(a)氢以化合物形式存在,制氢要消耗能源.它不是一种能源,而是能源的流通手段.(b)氢的泄漏会改变气候.氢不可避免泄漏,泄漏量可达15%.泄漏的氢会在大气形成水雾,它会象二氧化碳一样,使天气变暖.(c)现在一般用高压氢作燃料电池燃料,氢的泄漏会产生很大的不安全性,手机等的火花就会使泄漏的氢发生爆炸.(d)冰岛能做的,其他国家不一定能做,冰岛的氢都是电解水制得的,因该国70%的电是由地热和水电站产生的.(5)氢的清洁生产要用风能和太阳能.据估计,如用风能发电制氢,当风能发电量达到美国6%的用电量,风能发电机要占的面积要有半个加州那么大.(6)布什承诺投资120亿美元用于氢能的研究是一个微不足道的投资.美国去年用于核能和矿物质燃料方面的研究经费大于氢燃料的研究经费.美国推行"健康婚姻"的预算就有150亿美元.美国用于伊拉克战争的经费每月390亿美元.(7)氢燃料电池价格昂贵.目前内燃机成本为每千瓦50美元,而氢燃料电池为800美元.估计大量使用后,也要300美元.另外所有的加油站改成加氢站也要花费大量的资金.五.燃料电池加速氢能利用1.燃料电池的优点.(1)燃料电池是一种高效清洁的能量转换系统,可降低环境污染和气候异常.(2)燃料电池能高效利用生物质转化产生的气,液物质和氢作燃料,因此,能促进氢能的利用.(3)燃料电池的发电效率不受体系规模限制,小型燃料电池同样能够实现高效发电,适合于生物质分散性的特点.2.燃料电池定义燃料电池是一种不经燃烧直接以电化学反应的方式将燃料的化学能转变成电能的装置,只要连续供应燃料,燃料电池就能连续发电.3.原理阳极反应:H2=2H++2e阴极反应:1/2O2+2H++2e=H2O总的反应:H2+1/2O2=H2O4.燃料电池分类碱性燃料电池(AFC)(1)碱性燃料电池(AFC)阳极:催化剂:Pt,燃料:氢阴极:催化剂:Ag,氧化剂:氧电解液:30%KOH隔膜:石棉膜工作温度:60-80oC用途:航天器和潜艇的动力源优点:比能量和比功率高缺点:对CO2敏感,不宜地面使用(2)磷酸燃料电池(PAFC)磷酸燃料电池(PAFC)阳极:催化剂:Pt,燃料:氢阴极:催化剂:Pt,氧化剂:氧电解液:98%磷酸工作温度:200oC用途:家庭住宅能源和汽车动力源优点:稳定性好,已有商品生产缺点:用贵金属作催化剂,价格高.(3)质子交换膜燃料电池(PEMFC)质子交换膜燃料电池(PEMFC)阳极:催化剂:Pt,燃料:氢阴极:催化剂:Pt,氧化剂:氧电解液:含水的质子交换膜工作温度:60-80oC用途:汽车和潜艇等的动力源优点:比能量和比功率高,寿命长,应用范围广缺点:对CO敏感,价格高,800美元/千瓦,而内燃机50美元/千瓦.氢源问题.(4)直接甲醇燃料电池(DMFC)直接甲醇燃料电池(DMFC)阳极:催化剂:Pt合金,燃料:氢阴极:催化剂:Pt,氧化剂:氧电解液:含硫酸的质子交换膜工作温度:60-80oC用途:可移动的小型电子仪器设备动力源优点:比能量高,体积小问题:Pt对甲醇氧化电催化效率低,易被甲醇氧化中间产物毒化,甲醇会透过质子交换膜.(5)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)阳极:催化剂:Ni,燃料:氢阴极:催化剂:NiO,氧化剂:氧电解液:熔融碳酸盐(NaCO3-LiCO3)工作温度:600oC用途:发电站优点:反应温度高,不需贵金属催化剂.可用含CO的燃料气.寿命长.能量转换率高,可达80%.问题:高温下,电解液会腐蚀电极材料.寿命2万小时,商业上要4万小时.(6)固体氧化物燃料电池(SOFC)固体氧化物燃料电池(SOFC)阳极:催化剂:NiZrO2,燃料:甲烷,氢阴极:催化剂:NaCrO4等,氧化剂:氧电解液:ZrO2,CeO2等工作温度:900oC用途:发电站优点:不需贵金属催化剂.寿命长.可用各种燃料气.抗中毒能力强.能量转换率最高,可达80%以上.问题:高温下,密封困难,放大困难.价格高.5.PEMFC发展现状发展现状(1)世界各国对世界各国对PEMFC的重视世界各国对的重视近十年来,近十年来,PEMFC技术的研究开发受到技术的研究开发受到许多国家的政府和跨国大公司的极大重视,许多国家的政府和跨国大公司的极大重视,已出现许多PEMFC电动车样车.电动车样车.已出现许多电动车样车我国计划,年奥运会期间,我国计划,到2008年奥运会期间,将有我年奥运会期间国生产的燃料电池电动车会小批量,国生产的燃料电池电动车会小批量,示范性地行驶在街头.性地行驶在街头.年世博会期间,辆燃料电池公交到2010年世博会期间,20辆燃料电池公交年世博会期间辆燃料电池出租车,车,300辆燃料电池出租车,1000辆电动辆燃料电池出租车辆电动汽车以及