煤制甲醇工艺流程图(煤制甲醇工艺流程简图)

来源:【科学网】氢气易燃易爆,众所周知。防止氢气燃爆,上下关注。近日,国家能源局综合司发布“关于征求《防止电力生产事故的二十五项重点要求(2022年版)(征求意见稿)》,其中第2项“防止火灾事故”的第6条是“防止氢气系统爆炸事故”,提出发电机氢气

来源:【科学网】

氢气易燃易爆,众所周知。防止氢气燃爆,上下关注。

近日,国家能源局综合司发布“关于征求《防止电力生产事故的二十五项重点要求(2022年版)(征求意见稿)》,其中第2项“防止火灾事故”的第6条是“防止氢气系统爆炸事故”,提出发电机氢气冷却系统、氢站或氢气系统在运行、维修、氢气纯度、排放等方面的8项要求。这是电力生产中用鲜血凝练出的宝贵经验,价值极大,应该推广执行,也值得其他涉氢部门学习借鉴。

能源用氢比工业用氢更危险

氢气可以用作工业原料,我国年产氢气超过2500万吨,80%用于合成氨。这些工业部门已经建立起完善的安全操作规程,再加上氢气从生产、传送到使用都在企业内部的密封管道和容器中,除非泄漏、破裂会造成事故外,正常生产中的事故很少,安全是有保障的。

现今,氢气作为能量的载体进入能源领域,一方面是由于可再生能源电解水制得的氢气可以长时间存放,这一点胜过储能电池;另一方面,燃料电池技术的进步使得氢气有了用武之地。于是,发展氢能氢燃料电池电动汽车呼声很高。

但是,氢能的使用状况与工业原料用氢有很大区别。以相同用氢量预计,能源氢气的事故概率将远高于工业氢气,主要有如下理由。

首先,我国氢能生产地与使用地距离遥远,不仅高压管线建设耗资巨大,而且管材的氢脆容易引起安全问题。例如,用管状高压容器运输,短途可行,长途的能耗过高,经济上不可行。而工业用氢是就地生产、就地使用。其次,能源氢气从生产到终端使用要经过产地储存、压缩、输运、用地储存,再行压缩分装等许多环节,要在不同容器间发生多次转移,引发安全问题的变数增加。而工业用氢多在一个密闭的管线系统中完成。最后,加氢站高度分散,点多面广;燃料电池电动汽车更是星罗棋布,发生事故的几率要比工业集中用氢大得多。

能源氢气现在用量尚少,国内外已经多次出现事故。北京大学李星国教授新出版的《氢与氢能》以43页的篇幅详细讲述了“氢气的安全性”,介绍事故,分析原因,列举措施,内容丰富,值得研读。

氢气转化有利于提高安全性

能源氢气的储存、运输、分发等环节的难题多,安全性又差。将氢气转换为液态能源主要有体积缩小、体积能量密度提高的优势,但是还需综合对比安全问题、生产成本,以及全过程的能量转换效率。

液氢的密度比常温氢气约高780倍,显然有利于储运。但是,液氢需在20K的低温下保存,压缩—液化耗能很高,容器要用极好的低温绝热材料,每天还会蒸发产生约1%气态氢。因此,其除具有氢气所有的安全隐患外,还有超低温引起的一系列问题,如金属延展性降低、连接部失去密封性、空气或氧气杂质积累冻结的爆炸物,对人体的冻伤等。因此,除航天等不计工本的特种用途外,液氢并不适于作为普遍使用的氢能。日本目前正在尝试从海外运回液氢,其后效当拭目以待。

由氢气转化为能源液氨,可以工业规模生产,工艺成熟,设备齐全,可实现较高密度储存、运输。但是,液氨的储存、运输也需加压,而且使用时分解放氢还要吸热,又有毒,弊大利小。

数据显示,乙醇的体积能量密度高。乙醇可从二氧化碳光合作用转化生成的生物质转化而来,是可再生的能源。遗憾的是,至今还难以简易地从氢气转化而成。

相比之下,在高温和催化剂作用下,可以一步将氢气转化二氧化碳制甲醇,能量转换效率现已大于50%。其体积能量密度不低,特别是易于储存运输,安全性远高于氢气。不仅如此,此举还消除了本要排放到大气中的二氧化碳,为碳中和做贡献。这种甲醇可称之为“绿氢甲醇”。

迄今为止,冰岛已实现年产4000吨规模的甲醇生产。中国科学院上海高等研究院与两家企业合作开发成功了二氧化碳加氢制甲醇技术及中试放大研究,于2020年7月建成5000吨/年工业试验装置。中国石油化工有限公司也申请了专利。

由此可见,此“绿氢甲醇”之路已通。

绿氢甲醇开辟电动汽车新路径

甲醇作为能源,可通过多种燃料电池(直接甲醇、固体氧化物、熔融碳酸盐)发电,也可重整为氢气用于质子交换膜燃料电池。但是,燃料电池发电的全寿期能量转换效率未必高过内燃机。现在,国内用煤制甲醇(可称为“灰氢甲醇”)的内燃机汽车技术已经成熟,制作成本和使用方便性远胜过燃料电池。绿氢甲醇当然也可这样使用,这就成就了零排放的“绿氢甲醇汽车”。

为了大幅度节约绿氢甲醇,应该发展“绿氢甲醇增程式电动车”,由太阳能提供全部能量:其装量较少的电池由风力或光伏发电提供充电电能;用内燃机作增程器,不烧油而用绿氢甲醇;车上蓄电与发电并联,节省燃料50%;不必常充电而可行长里程。这种复合动力系统堪称珠联璧合,是氢能汽车的升级,也是未来纯电动车的发展方向。

氢气转化为甲醇,开辟了氢能应用和增程电动车的美好新途径,亟待政府布局。上海市具备条件率先发展“绿氢甲醇增程式电动车”,可将其列入《上海市氢能发展中长期规划(2022-2035年)》与氢燃料电池电动车并行不悖,为全国开路。

如此,则用了氢能而回避了遍用氢气的风险,且实现了汽车的碳中和。

(作者系中国工程院院士)

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