制氫工藝與技術

《制氫工藝與技術》介紹了氫氣的工業生產過程與原理。為了滿足當前對無碳氫氣，即氫氣生產過程「零CO2排放」的要求，本書介紹了可再生能源制氫，突出了風力制氫和生物質能制氫；還介紹了核能制氫、氨氣制氫、硼氫化鈉催化水解制氫、硫化氫分解制氫、金屬粉末制氫等目前尚未工業化生產但完全的「零CO2排放」的制氫技術。對於通常排放CO2的烴類制氫工藝，本書介紹了其制得氫和炭黑的獨特工藝，從而使其成為另一種「零CO2排放」的制氫方法。

本書適合從事或准備進入氫能領域的企業家、投資家、政策決策者閱讀，可供從事能源研究的工程技術人員、高等學校相關專業的教師和學生參考，也適合從事能源領域的科技人員和管理人員及一般讀者閱讀。

0緒論/1
0.1氫氣是“全能”的高級能源並可能成為下一個“主體能源”/1
0.2氫在減排溫室氣體中的重要地位/2
0.3多種多樣、豐富多彩的制氫方法/3
0.3.1根據制氫原料分類/3
0.3.2根據制氫原理分類/4
0.4我國是世界產氫第一大國，化石燃料是目前制氫主力/5
0.4.1全國煤炭、天然氣制氫潛在產能/5
0.4.22016年全國氯堿、甲醇、合成氨的副產氫氣產能/5
0.5氫能是二次能源嗎？/6

第1章 煤制氫/9
1.1傳統煤制氫技術/10
1.2煤氣化制氫工藝/10
1.2.1煤的氣化/10
1.2.2一氧化碳變換/11
1.2.3酸性氣體脫除技術/11
1.2.4H2提純技術/12
1.2.5“三廢”處理/12
1.3煤制氫國內外發展現狀/12
1.3.1國外煤制氫發展狀況/12
1.3.2國內煤制氫發展狀況/13
1.4煤氣化技術/13
1.4.1固定床氣化技術/13
1.4.2流化床氣化技術/14
1.4.3氣流床氣化技術/14
1.5煤制氫技術經濟性/16
1.5.1煤制氫與天然氣制氫的經濟技術指標對比/16
1.5.2煤制氫技術經濟影響因素分析/18
1.6煤制氫前景/19
1.7褐煤制氫/20
1.7.1背景介紹/20
1.7.2工藝介紹/21
1.7.3成本計算及CO2排放量/23
1.7.4總結與展望/24
1.8煤炭地下氣化制氫/25
1.8.1煤炭地下氣化研究綜述/25
1.8.2國外煤炭地下氣化/25
1.8.3我國的地下煤氣化試驗/26
1.8.4地下煤氣化制氫前景/27
1.9煤制氫零排放技術/28
1.10電解煤水制氫/29
1.10.1電解煤水制氫的研究現狀和前景/29
1.10.2電解煤水制氫的反應機理/30
1.10.3電解煤水制氫技術的特點/33
1.11超臨界煤水制氫/35
1.11.1概論/35
1.11.2我國研究情況/35
1.11.3國外研究情況/37
1.11.4展望/37
1.12煤/石油焦制氫/38
參考文獻/38

第2章 天然氣制氫/42
2.1天然氣在含氧(元素)環境下的制氫技術/42
2.1.1基本原理/42
2.1.2技術進展/43
2.1.3關鍵設備/47
2.1.4優點與問題/49
2.2天然氣氧芳構化制氫工藝/49
2.2.1基本原理/49
2.2.2制氫工藝/50
2.2.3設備/53
2.2.4優點與問題/53
2.3天然氣直接裂解制氫與碳材料工藝/53
2.3.1基本原理/53
2.3.2制氫氣工藝/54
2.3.3反應設備/57
2.3.4優點與問題/59
參考文獻/59

第3章 石油制氫/63
3.1石油制氫原料/63
3.2制氫工藝簡介/64
3.2.1石腦油制氫/64
3.2.2重油制氫/64
3.2.3石油焦制氫/65
3.2.4煉廠幹氣制氫/65
3.3石油原料制氫經濟/66
參考文獻/67

第4章 可再生能源制氫/68
4.1太陽能制氫/68
4.1.1太陽光直接分解水制氫/68
4.1.2太陽光熱化學分解水制氫/73
4.1.3太陽能發電、電解水制氫（PTG)/73
4.2生物質能制氫/74
4.2.1生物質生物發酵制氫/75
4.2.2生物質化工熱裂解制氫/76
4.2.3生物質制乙醇、乙醇制氫/79
4.3風能制氫/84
4.3.1風電制氫/84
4.3.2風氫能源系統（WHHES）介紹/85
4.3.3應用範例/86
4.3.4吉林省長嶺縣龍鳳湖20萬千瓦風電制氫及HCNG示範項目介紹/87
4.4海洋能制氫/89
4.4.1潮汐能/89
4.4.2波浪能/89
4.4.3溫度差能/89
4.4.4海流能/90
4.4.5海洋鹽度差能/90
4.4.6海草燃料/91
4.4.7海洋能制氫前景/91
4.5水力能制氫/91
4.5.1水力能資源/91
4.5.2水力能發電制氫/91
4.5.3水力能制氫優勢/92
4.6地熱能制氫/92
參考文獻/92

第5章 太陽能光解水制氫/96
5.1光催化研究開端/96
5.2光催化分解水的基本原理/97
5.2.1光催化分解水過程/97
5.2.2光催化分解水反應熱力學/97
5.2.3光催化分解水反應動力學/98
5.3研究進展/99
5.3.1分解水制氫光催化劑/99
5.3.2提高光催化劑分解水制氫效率的方法/101
5.3.3光催化分解水制氫反應器/103
5.4結論與展望/109
參考文獻/109

第6章 生物質發酵制氫/113
6.1基本原理/113
6.2研究進展/114
6.2.1接種物的選擇以及處理方式/114
6.2.2反應pH值/116
6.2.3溫度/116
6.2.4原料/116
6.2.5反應器/117
6.3案例介紹/117
6.4優點與問題/119
參考文獻/119

第7章 生物質熱化學制氫/122
7.1生物質簡介/122
7.2生物質熱解制氫/123
7.2.1生物質熱解反應/123
7.2.2生物質熱解制氫的影響因素/125
7.2.3生物質熱解制氫反應器及技術/130
7.3生物質氣化制氫/133
7.3.1生物質氣化原理/134
7.3.2氣化介質/134
7.3.3氣化爐及工藝/135
7.3.4生物質氣化過程強化/137
7.3.5生物質超臨界水氣化制氫/138
7.4生物油制氫技術/139
7.4.1生物油簡介/139
7.4.2生物油蒸汽重整制氫/139
7.4.3生物油自熱重整制氫/140
7.4.4生物油重整制氫反應器技術/141
7.5生物質熱化學制氫技術評述/143
7.5.1生物質熱化學制氫的技術經濟性/143
7.5.2生物質熱化學制氫的CO2排放/144
參考文獻/145

第8章 核能制氫/149
8.1核能制氫技術/149
8.1.1核能制氫主要工藝/150
8.1.2核能制氫用反應堆/153
8.2核能制氫國內外研究進展/154
8.2.1日本/155
8.2.2美國/155
8.2.3法國/155
8.2.4韓國/156
8.2.5加拿大/156
8.2.6中國/157
8.3核能制氫的經濟性與安全性/160
8.3.1經濟性/160
8.3.2安全性/161
8.4核能制氫的綜合應用前景/162
8.4.1核能制氫——氫冶金/162
8.4.2其他/164
參考文獻/165

第9章 等離子體制氫/167
9.1等離子體簡介/167
9.2等離子體的製備/168
9.3等離子體制氫研究現狀/169
9.4等離子體制氫的優缺點/173
參考文獻/174

第10章 汽油、柴油制氫/175
10.1基本原理/175
10.2研究進展/176
10.2.1汽油、柴油制氫工藝/176
10.2.2設備/179
10.3優點與問題/181
參考文獻/181

第11章 醇類重整制氫/184
11.1甲醇制氫/184
11.1.1甲醇水蒸氣重整制氫/184
11.1.2甲醇水相重整制氫/189
11.2生物燃料乙醇制氫/189
11.2.1乙醇直接裂解制氫/191
11.2.2乙醇水蒸氣重整制氫/191
11.2.3乙醇二氧化碳重整制氫/193
11.2.4乙醇制氫催化劑/194
11.3醇類重整制氫反應器及技術/198
11.3.1固定床反應器/199
11.3.2微通道反應器/200
11.3.3微結構反應器/203
11.3.4膜反應器/205
11.4電催化強化乙醇制氫/208
11.5等離子體強化乙醇制氫/208
11.6甲醇、乙醇制氫技術的特點和問題/209
11.6.1甲醇、乙醇制氫的技術經濟性/209
11.6.2甲醇、乙醇制氫的CO2排放/209
11.6.3制氫與燃料電池耦合系統/209
參考文獻/212

第12章 甘油重整制氫/217
12.1背景及甘油的來源/217
12.2甘油的物化性質/218
12.3甘油水蒸氣重整制氫/219
12.3.1熱力學分析/220
12.3.2反應機理/221
12.3.3催化劑/223
12.4甘油水相重整制氫/229
12.5甘油幹重整制氫/231
12.6甘油光催化重整制氫/231
12.7甘油高溫熱解法重整制氫/232
12.8甘油超臨界重整制氫/232
12.9甘油吸附增強重整制氫/232
12.10甘油制氫技術的CO2排放/237
12.11甘油制氫技術的經濟性/237
參考文獻/239

第13章 甲酸分解制氫/243
13.1基本原理/243
13.2甲酸的來源/243
13.3甲酸分解催化劑/245
13.3.1均相催化劑/245
13.3.2非均相催化劑/252
13.4甲酸分解制氫技術及設備/258
13.5甲酸分解制氫技術的優點和問題/259
參考文獻/260

第14章 氨氣制氫/264
14.1氨制氫原理/264
14.1.1氨分解制氫的熱力學/264
14.1.2氨分解制氫的動力學/265
14.1.3熱催化法分解氨氣制氫/267
14.1.4等離子體催化氨制氫新工藝/268
14.2氨制氫的設備/268
14.3其他氨分解制氫方法/268
14.4和甲醇制氫比較/269
參考文獻/270

第15章 烴類分解生成氫氣和炭黑的制氫方法/272
15.1烴的定義及制氫方法/272
15.2烴類分解制取氫氣和炭黑方法/272
15.2.1熱裂解法/272
15.2.2等離子體法/273
15.3天然氣催化熱裂解製造氫氣和炭黑（TCD）/273
15.3.1傳統的天然氣熱裂解/273
15.3.2天然氣熱裂解制氫氣和炭黑的新方法/273
15.3.3天然氣催化熱裂解製造氫氣和炭黑(TCD)/274
15.4熱分解制氫氣和炭黑與傳統方法的比較/274
15.4.1分解甲烷的能耗/274
15.4.2氫氣產品的能耗與原料消耗/275
15.4.3排放CO2比較/275
15.4.4能量利用比較/275
參考文獻/275

第16章 NaBH4制氫/276
16.1基本原理/276
16.2研究進展/277
16.2.1NaBH4制氫工藝/277
16.2.2設備/279
16.3優點與問題/281
參考文獻/281

第17章 硫化氫分解制氫/282
17.1硫化氫分解反應基礎知識/282
17.1.1反應原理/282
17.1.2熱力學分析/282
17.1.3動力學研究/283
17.1.4動力學反應機理/283
17.2硫化氫分解方法/284
17.2.1熱分解法/284
17.2.2電化學法/285
17.2.3電場法/286
17.2.4微波法/286
17.2.5光化學催化法/286
17.2.6等離子體法/286
17.3主要研究方向/288
參考文獻/289

第18章 金屬粉末制氫/290
18.1什麼金屬能制氫/290
18.2鋁制氫/291
18.2.1Al-H2O體系/291
18.2.2鋁制氫設備/295
18.3鎂制氫/295
18.4鋅制氫/296
18.5鐵制氫/297
18.6結語和展望/297
參考文獻/297

第19章 液氫/299
19.1液氫背景及性質/299
19.1.1液氫性質/299
19.1.2液氫外延產品/299
19.2液氫用途/302
19.3液氫的生產/302
19.3.1正氫與仲氫/302
19.3.2液氫生產工藝/303
19.3.3液氫生產典型流程/305
19.3.4全球液氫生產/307
19.3.5液氫生產成本/308
19.4液氫的儲存與運輸/309
19.4.1液氫儲存/309
19.4.2液氫運輸/310
19.5液氫加注系統/312
19.5.1液氫加注系統/312
19.5.2防止兩相流的措施/312
19.6液氫的安全/313
19.7中國液氫/314
19.8小結/315
參考文獻/315

第20章 副產氫氣的回收與淨化/317
20.1變壓吸附法/318
20.1.1背景/318
20.1.2氫氣分離的各種方法比較/318
20.1.3變壓吸附制氫工藝/319
20.1.4變壓吸附在氫氣分離中的應用與發展/323
20.2膜分離法/325
20.2.1有機膜分離/325
20.2.2機膜分離/330
20.2.3液態金屬分離/331
20.3深冷分離法/332
20.3.1低溫吸附法/332
20.3.2工業化低溫分離/333
參考文獻/333

毛宗強，清華大學教授，國際知名氫能專家。國際氫能協會(IAHE)副主席，國際氫能標准委員會(ISO/TC197)副主席，《國際氫能經濟合作伙伴（IPHE）》氫能教育專家，國際氫能雜志(IJHE)客座編輯。中國可再生能源學會氫能專業委員會(CAHE)前主任委員。全國氫能標准技術委員會（SAC/TC309）前主任。2003~2016年，在清華大學開設研究生學分課《氫能工程》，為全國高校首次。已在國內外刊物及會議發表200余篇文章、申請多項專利、出版多本氫能專著。

毛志明，2002年畢業於清華大學軟件學院。長期從事節能環保、氫能與燃料電池項目研發，包括：貴州火電企業能源審計，山西河津HCNG母站及HCNG重型卡車示范運行（獲2014年國際氫能學會艾仁.魯道夫獎），吉林長嶺風電制氫國家示范項目，固定式與車用燃料電池發電系統，參與《車用壓縮氫氣天然氣混合燃氣》、《通信用氫燃料電池供電系統》國家標准編制，參與相關國際公司並購。2015年編著出版《氫氣生產及熱化學應用》。現為北京華氫科技有限公司總經理。

余皓，華南理工大學化學與化工學院，教授，博士生導師。2005年畢業於清華大學化學工程系，獲學士、博士學位，隨后到華南理工大學任教至今；2012~2013年期間在美國加州大學洛杉磯分校化工系訪問研究。2013年入選教育部新世紀人才；2012年獲得廣東省自然科學基金傑出青年基金。主要研究方向：（1）納米材料及其催化特性；（2）可再生資源催化制氫新技術等。發表SCI收錄文章170余篇，授權專利10余項。