氢能-西安交通大学新能源PPT.pptx
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可再生能源转化与利用,第十二章氢能,第1节氢的性质及氢安全第2节分解水制氢第3节可再生能源制氢第4节氢能的储存第5节氢能利用技术,3,氢能是指以氢及其同位素为主导的反应中或者氢在状态变化过程中所释放的能量。
氢能可以是由于氢的热核反应释放,也可以由氢跟氧化剂发生化学反应所放出。
前一种反应释放的能量通常称为热核能或聚变能,后一种反应放出的能量称为燃料反应的化学能。
氢是一种活泼的元素。
它不仅可与氧及卤族元素等化合放出化学能,而且还可与金属等化合而释放出化学能。
不同种类的氢反应,其放出的能量是大有差别的,因而其利用程度和利用方式也可各不相同。
1.氢能的内涵,4,根据爱因斯坦的质量和能量的相互转换关系:
式中m为反应前后物质的质量变化;c为光速;E为反应前、后由于物质质量变化所转化的能量氢聚变为氦的转换反应是:
元素符号的左上标表示质量数,左下标表示质子,1.氢能的内涵,氢的热核反应,5,所放出的热核能为:
E=(4MH-MHe)c2=(41.67310-24-6.64410-24)10-3(3108)2=(6.69210-24-6.64410-24)10-3(3108)2=4.3210-12J,MH=1.67310-24g为氢的原子质量;MHe=6.64410-24g为氦的原子质量。
上式表示在氢的聚合反应中,四个氢原子质量的消耗可以生成新的元素氦,并换来4.3210-12J的能量。
因此,消耗1kg氢原子质量可以换得的氢能量为:
E=4.3210-12/6.69210-24103=6.4551014J,1.氢能的内涵,6,跟氢的热核反应不同,氢能也可在较低温度下通过氢和氧化剂的化学反应放出热量。
氢与氧的化合需在一定温度下进行(773K以上),但当有铂催化、或当周围有明火存在时,在室温下也可与之反应而生成水,并放出大量的热。
生成气态和液态水放出的热量分别为:
241.418kJ/mol和286kJ/mol在298K,101.3kPa下,氢跟氧的当量总体反应可用下式表示:
or,1.氢能的内涵,两式之间在反应热上的差别等于水的汽化潜热,氢氧燃烧反应释放能量,7,这种化学反应放出的能量远小于氢核反应放出的能量。
但跟普通类液体燃料在同样氧化剂中燃烧时所产生的燃烧热相比,则高的多。
氢、甲烷、甲醇、汽油燃料的比较表,1.氢能的内涵,8,各类燃料中,氢的着火温度最高(主要影响发动机压缩比),它约比汽油或正辛烷高出130K。
从这一点来说,燃氢发动机的压比应当可以比汽油机的压比选得高些;单就提高压比这一项技术措施来说,氢发动机的热效率就可比汽油机的提高13.5%;由于氢的着火温度高,蒸发潜热大,故当发动机采用液氢直接喷射时,在冷车起动时就会发生困难;,氢的燃烧性质,1.氢能的内涵,9,它的点火能量最小,着火范围宽广。
这种性质,一方面对发动机在部分负荷下的工作有利,但在另一方面却容易造成发动机中预混可燃气体的提前着火、返火或敲缸;氢的火焰速度高、扩散速度快,有利于氢和空气或氢和燃气的快速混合,所以发动机的燃烧效率很高。
这是它的有利之处。
但是,如氢和空气按化学当量来混合,则由于燃烧温度高,气缸内高温部件的热负荷大,则又造成了不利的一面;燃料性质带来的另一重大特点是燃烧热上的差异。
氢的重量燃烧热在各种燃料中为最高。
从汽车的燃料装载重来说,它几乎可比汽油或液化甲烷减轻2-3倍。
氢的燃烧性质,1.氢能的内涵,10,氢是宇宙中最丰富的元素。
我们通常所说的氢,其元素符号为H,原子量1.0079,原子序数1。
在周期表中列第一,是最简单和最轻的元素。
1)地球上,氢主要是跟氧化合以水的形式存在于江、河、湖泊和海洋之中。
水中含氢重量为11.2%。
氢在地壳中按元素重量计占1/4。
2、氢的基本性质,11,2)氢具有三种同位素,即:
普通氢(H),Hydrogen,学名氕();重氢(D),Deuterium,学名为氘();超重氢(T),Tritium,学名称氚,符号为()。
左下标为原子的质子数,左上标为原子的质量数;它们的原子量分别为MH=1.0079、MD=2.0141、MT=3.0161。
2、氢的基本性质,12,氢和重氢都是稳定的同位素,而氚则是放射性同位素。
天然氢中约含0.016%(原子百分比)的重氢D,而T的存在量仅为10-17。
在水中也可发现有微量的氚存在。
通常所说的自然氢的性质都是指普通氢。
由于氘和氚在自然氢中含量很少,它们对自然氢的总性质影响极微,一般可以忽略不计。
这三种不同质量的氢原子,相互之间可以有六种不同的组合方式来形成分子,即:
H2D2T2HDHTDT,其中T2、DT和HT是不稳定的分子。
氢、重氢和超重氢都是热核反应所需的重要燃料。
2、氢的基本性质,13,3)正氢和仲氢(氘,氚也有类似的正仲的区别)氢分子中两个氢原子核的自旋方向相同时称正氢(n-H2)氢分子中两个氢原子核的自旋方向相反时称仲氢(p-H2)。
FigureOrtho-(left)andpara-hydrogen(right),2、氢的基本性质,14,常温下,含75正氢和25仲氢的平衡氢,称为正常氢或标准氢。
高温时,正-仲态的平衡组成不变;低于常温时,正-仲态的平衡组成将随温度而变,并最终处于平衡。
温度降低,仲氢浓度增加。
正氢和仲氢之间转化时,会伴随有反应热产生。
从下页表可以看出,在低温下,仲氢较正氢稳定。
可采用催化剂来加速氢气达到正仲平衡。
现已发现的顺磁性物质(有未成对电子的分子,在外加磁场中必须按磁场方向排列,分子的这种性质叫顺磁性,具有这种性质的物质称顺磁性物质,反之,为反磁性)NO、NO2都有催化氢气正仲平衡的作用,2、氢的基本性质,15,氢的主要理化性质及其应用1)氢的气、液、固三态正氢、仲氢及平衡氢的熔点和沸点见下表。
由表看出正氢的沸点和熔点均略高于仲氢,2、氢的基本性质,正氢、仲氢的物理性质,16,a)气态氢氢通常以气态存在,我们通常所说的氢的性质未加特殊说明时均指的气态氢,它是分子量最小的气体。
氢气的密度很低,在0.1013MPa和273K之下,其密度为=0.08910-3g/cm3。
它比空气轻14.39倍,是最轻的气体。
2、氢的基本性质,17,b)液态氢氢作为燃料或作为能量载体时,液氢是其较好的使用和储存方式之一。
因此液氢的生产是氢能开发应用的重要环节之一。
1898年,英国人杜瓦用多孔塞膨胀法(节流膨胀)在33K低温下将氢液化(状态与液态水十分相似)。
次年他又使氢固化成功,他在实验中实际已达到了14K的低温。
2、氢的基本性质,18,氢在低温下还可以制成氢浆。
氢浆是一种固氢和液氢共存的均匀混合物。
用氢浆作为燃料要比采用纯液氢更有好处:
如果氢浆中含有60%的固氢,则其浆液密度要比正常沸点下纯液氢的密度高11.5%,这样有利于提高燃料的能量密度;氢浆的热容是要比液氢增加很多,由此可以减少储存中的挥发损失,容易满足制冷的要求;向液氢中加入胶凝剂,则成为凝胶液氢它依然处于流动状态,但具有更高的密度。
和液氢相比,胶氢得到更为广泛的应用。
2、氢的基本性质,19,胶氢的优点是:
安全性增加。
液氢凝胶化以后粘度增加1.5-3.7倍,降低了泄漏带来的危险;减少蒸发损失。
液氢凝胶化以后,蒸发速率仅为液氢的25;增大密度。
液氢中添加35甲烷,密度可提高50左右;液氢中添加70(摩尔比)铝粉,密度可提高3倍减少液面晃动。
液氢凝胶化以后,液面晃动减少了20一30,有助于长期储存,并可简化储罐结构。
提高比冲。
提高发射能力,2、氢的基本性质,20,c)固态氢氢在极高的压力(23)105Mpa或进一步冷却液氢至T14K,则经受相变后可变为白色的固体氢。
固体金属氢具有良好的超导能力,可作为超导体使用。
可作为冷却器,用固态氢的低温冷却系统。
固态氢升华才能使它保持在-267oC的低温。
2、氢的基本性质,21,2)氢的化学性质氢只有一个电子、价电子。
氢在参加化学反应时,可以失去此电子,但更多的是可和另外的电子相配对构成分子,如:
H2、H2S、HF、NH3等等。
因此,它既可与金属相化合,也可以与非金属相化合.a)氢与氧的化合反应H2+F22HF(爆炸性化合)b)氢与氟和氯的化合反应H2+Cl22HCl,氢在氯气中燃烧发出苍白色的火焰,同时产生大量的热,并生成HCl。
氢与氯的混合气被日光照射时会发生爆炸的危险。
2、氢的基本性质,22,c)氢分子的离解当燃烧温度2000K时,氢分子要发生显著的离解:
氢的离解反应是一个强烈的吸热反应。
每离解1mol的H2需要吸热436kJ/mol。
反过来当氢原子结合生成氢分子的时候则会大量放热。
离解产生的原子氢,具有强烈的还原作用并能以极快的速度反应。
当它与金属接触时,就可还原成氢分子,同时放热。
因此,用强大的电弧首先产生处于原子态的氢炬,再利用它与金属接触还原时所放出的重合热可用来焊接金属。
2、氢的基本性质,23,1)氢及其同位素的资源丰富氢是宇宙中最丰富的元素。
它在地球上大量储存于水中。
地球上,海洋表面约占71%,所以单就海水而言,其中就存在着大量的氢。
据估算,地球上水中含氢约1020kg。
水是可再生的物质,能经过水-氢-水的自然循环而生成。
所以,水和氢都是取之不尽,用之不竭的物质。
2)氢含有极大的潜能氢及其同位素蕴藏着极大的能量,氢的资源既如此巨大,所以地球蕴藏的氢能也十分巨大,而当前开发利用的氢能只占其中的极小部分。
3、氢作为能源使用的内在依据,24,3)氢的用途广泛它既可用作化学燃料和核燃料,又可作为中间能源以及用来改造矿石燃料的品质.它又是许多人造合成燃料的主要燃素。
4)制氢的方法很多,可获性大氢能够广泛地跟很多金属和非金属相络合或化合。
它的制取方法很多。
它既可用电解水制取,又可用各种一次能源的热化学过程、光化过程和生化过程等来产生。
5)氢可储、可输它既可以气态、液态的形式储存和输配,又可与不饱和氢的液体、固体及金属氢化物相化合的形式进行储存和输运。
3、氢作为能源使用的内在依据,25,6)能量集中、使用方便氢不仅可用作固定动力厂和生活用的能源,又可用作各种运输机械的动力能源。
将来,氢的可控聚变反应在商用上成功之后,其使用领域将大大扩充。
7)氢是清洁能源氢本身无色、无味、无臭、无毒。
其燃烧产物很少污染环境。
所以,利用氢能既获得了能量、又不会污染生态环境。
8)对其他能源起调节、补偿作用氢可以对矿石燃料、核能、太阳能、水能、风能、起能量上的调节、补偿作用;也可和电能彼此协调使用海洋能和生物能、地热能等一次能源,使得社会上对各种能源的利用更加协调、更富有弹性。
3、氢作为能源使用的内在依据,26,总结以上特点,可以得出推论:
氢是来来的一种理想的能源;是人类今后通用的燃料,氢能的发展远景是不可限量的。
目前,限制着氢作为通用燃料使用的主要原因:
首先是制氢的成本太高。
特别是在当前矿石燃料尚未用尽之前,氢作为燃料的市场价格还不足以跟石油和煤的价格相竞争。
其次,大规模的有效制氢技术也尚未解决。
此外,氢本身的某些理化性质跟目前正在使用的某些矿石燃料相比也有它不利的一面。
譬如,氢的比重和汽油相比要小得多,虽然其重量热值比汽油的大2.8倍,但其容积热值要比汽油和甲烷的为小。
3、氢作为能源使用的内在依据,27,制氢、储氢、输氢或用氢,或气氢、液氢或固体金属氢化物,在接触、使用过程中都不免碰到氢的安全问题。
氢的安全性与以下因素有关:
1)氢本身特有的危险品质;2)外界的使用环境和使用方法;3)氢能系统的结构、材料;4)与使用人员对氢的规律的认识等因素有关。
氢的固有危险特性氢的某些固有特性是跟氢的安全性密切相关的,下表中列出跟安全有关的氢的各种固有特性。
从这些数据中可以归纳出氢的内在危险品质。
4、氢的安全性,28,4、氢的安全性,有关安全性的氢的各种固有特性,29,4、氢的安全性,30,氢的危险来源氢的易燃特性分子量小、比重轻、扩散系数大,在管道、阀门、容器中容易泄漏,易与空气或氧气混合,形成可燃气体混合物。
在空气,特别是在氧气中,着火及爆炸范围宽广,点火能量小,易与空气或氧气混合燃烧或爆炸。
燃烧热高,火焰传播速度快。
正常燃烧情
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