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如何曲線救國用鐵礦石做催化劑化解制氫成本太高的尷尬?

作者: 時間:2017-10-22 來源:網絡 收藏

  盡管氫燃料的進展相對電動車來說更為緩慢,但是燃料電池車的隊伍也依然在慢慢壯大著。除了市場上現有的日本本田的本田CLARITY、MIRAI之外,寶馬奧迪均有概念車的推出計劃,作為對燃料電池的前沿研究,通用與本田也有合作計劃。國內車則在商用車上有所進展,比如宇通在五月份推出了續航600公里的氫能源客車,而上周廣東也宣布開始氫能源客車的示范運營。

本文引用地址:http://www.j9360.com/article/201710/367660.htm

  與電動車相類,的推進過程中,在成本之外,氫能源的供給是限制其發展的一個主要因素。這個供給包括幾個方面,包括制氫,氫氣運輸以及加氫站的基礎設施建設等。

  目前,工業制氫方式中應用最多的依然是利用化石燃料或天然氣制氫。能源密集型的制造過程與居高不下的成本,副產物二氧化碳以及對化石燃料的依賴,依然是制約因素。所以,對于制氫方式的研究也一直沒有停下過。

  

  用鐵礦石取代鎳作為催化劑

  在現在常規的制氫方式中,將天然氣中的甲烷(CH4)與水進行反應制氫是比較常用的一種形式。在這個過程中會產生大量的二氧化碳,在制取完成后,需要將氫氣壓入水中溶解二氧化碳進行提純,得到純度較高的氫氣。二氧化碳的排放本身也是個問題。

  而同樣是在1950年就開始的甲烷裂解的方式,通過在高溫下(750℃以上)熱裂解甲烷,可以得到組成甲烷的兩種元素:氫氣與碳,與前面提到的方式不同,在這種方式下并不會產生二氧化碳。碳是以固態粉末狀出現的,也就是生成了石墨。

  澳洲一家成立于2010年的公司,Hazer Group就是基于甲烷裂解的方式來制氫。那么他們的優勢在哪里呢?

  在常規的甲烷裂解制氫方式中,存在一個問題,需要催化劑——鎳。因為甲烷裂解需要在高溫下進行,催化劑的作用是可以降低裂解反應所需要的能量,也就是可以讓反應發生的溫度降低,另外一個作用則是可以生成更高純度的固態碳。在甲烷裂解之后,其產物中25%是氫氣,而75%則是石墨。石墨的價值與其純度和結晶度相關,而且現在石墨在鋰電池,鋼鐵和碳纖維的制作中都有應用,本身也具有較高的工業價值。

  作為稀有金屬,鎳的成本一直很高。而且在制取過程中,生成的石墨粉末會附著在催化劑的表面,當累計的石墨到一定程度后,會影響裂解反應的活性,或者導致反應中止。而要重復利用催化劑,則需要對表面附著的石墨粉末進行處理,比如通過燃燒的方式將其去除等。

  無論是對吸附石墨的處理過程,還是石墨本身的利用率不高,都是造成此前制氫成本高的原因。

  Hazer的方式是將鎳更換成了鐵礦石,相較而言,鐵礦石的成本就要低很多了。在接受英國衛報采訪時,Hazer的主管Geoff Pocock表示,Hazer采用的方式,是讓天然氣經過加熱的鐵礦石來進行裂解。在這個過程中,生成的一部分氫氣會用于系統的能源供給用來加熱鐵礦石,剩余的氫氣作為產出。同時生成的石墨粉末可以作為副產品出售,來增加經濟可行性。Hazer的目標是讓氫氣的制取成本能夠降低到0.5-0.75美元/公斤。

  盡管在鐵礦石的開采過程中也會產生二氧化碳的排放,不過Pocock表示,對與Hazer來說這并不是個問題,因為他們使用非常鐵礦石的量并不多。每使用1噸的鐵礦石來進行催化,Hazer能夠制造10噸的氫氣。

  美好的理想能成為現實么?

  如果這一套路可以完美實現,當然是很好的,一箭多雕。氫氣與石墨二者兼得,石墨的銷售幫助降低成本,也可以讓減少大量的二氧化碳排放。但是依然存在一些問題。

  現在并非只有Hazer在對甲烷裂解反應進行研究。先進可持續性研究院(IASS)德國卡爾斯魯厄理工學院(KIT)的研究人員在去年11月宣布利用甲烷裂解制氫,不過期初步成本在1.9-3.3歐元/公斤,這個成本并沒有考慮副產品石墨的價值。當然也提到,因為技術目前并不完全成熟,因而對于成本的估算不夠準確。

  IASS與KIT的團隊是設計了一個新的實驗反應器,基于液態金屬技術,注入甲烷氣泡,在觸碰到液態金屬表面時,就會裂解成氫氣與石墨粉末。研究團隊依然在對反應器進行研究,包括如何去除附著的石墨等,如何保證反應器連續高效運作。

  工藝制備技術的完善同樣是Hazer面臨的問題。在目前Hazer的對外技術文件,以及在衛報的采訪報道中,均未詳細透露其制備過程,因而對于這個制備過程是否存在一些技術難點,也無從了解。衛報還找到了澳洲聯邦科學與工業研究組織CSIRO的一名化學工程師Ken Chiang博士了解鐵礦石作為催化劑的使用情況。Chiang博士對于Hazer的制取過程并沒有進行評論,不過提到很多研究組織正在研究將鐵礦石作為新的催化劑選擇。相較于稀有金屬而言,鐵礦石低廉的成本是吸引他們進行研究的重要因素。如果被驗證可行,那么很多化學反應的成本將大幅降低。

  Hazer目前正在與與悉尼大學的可持續性技術實驗室在進行共同研發。但是,目前,Hazer的這項技術還沒有開始正式投產。根據Pocock的介紹,到2017年底,Hazer的試點工廠將會達到每天10-100公斤的制氫量,也就是最大的產量是30噸/年。但是如果要達到工業的一定規模,年產量則至少要超過1萬噸才行。而如何完成從理論到實際量產的驗證,將是Hazer面臨的最大考驗。



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