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氢气终于来了吗?

氢气可以为我们所有人提供更环保的未来,但利用其全部潜力需要一定程度的技术理解

托德·埃尔顿 2020年11月24日
礼貌:霍尼韦尔热溶液

宇宙中最丰富的元素,氢气,尚未实现努力打击全球气候变化的机会。这是因为当使用诸如风或太阳能的可再生能源生产时,氢燃烧不会发出二氧化碳,使其可能在下一代清洁能源网络中发挥的核心作用。

人们越来越迫切地要利用它的潜力。从美国西部的森林大火和澳大利亚的干旱,到日益严重的加勒比海飓风和南极冰盖的融化,我们每年在全球排放的数百亿吨二氧化碳正在造成损失。

公共支持减少气候变化的影响从未如此升高,即使没有立法或限制施加的限制。That sentiment is reflected in increasingly stringent regulations such as the European Community’s commitment to reduce carbon dioxide emissions by around 40% in 2030 and achieve carbon neutrality by 2050. However, to successfully meet these targets, hydrogen and other alternative energy sources must transition from trials into the mainstream. There is consensus between the scientific and economic communities that hydrogen can move us to a carbon-neutral future without sacrificing the flexibility, safety, efficiency and performance required to serve residential and industrial energy consumers.

让我们仔细看看一些关键问题,考虑因素和挑战,使氢在日常应用和工业过程中。

氢与天然气

我们有必要从氢气的基础知识开始,特别是氢气与天然气的比较。按体积计算,氢的热值约为天然气的三分之一,燃烧时,它会产生纯的、普通的水蒸气。但与石油和天然气不同的是,氢本身不是燃料;这是一种储存和运输能源的方式,对可再生能源来说尤为重要。

由一个质子和一个电子组成,氢是无色的,无味,无味,无毒和无毒。它比天然气轻八倍,速度快八倍,这导致火焰长度缩短。与天然气和许多其他碳燃料不同,氢气在减小压力时加热。点燃所需的火花能量比天然气低15倍。

与天然气相比,氢气的可燃性范围很广。天然气在气体和空气的混合物中是可燃的,在气体和空气的混合物中是可燃的,在气体和空气的混合物中是可燃的,在4和77 vol%之间。

图1:燃烧器烧制天然气与氢气 - 左右:100%天然气,40%天然气/ 60%H2,20%天然气/ 80%H2,100%H2。礼貌:霍尼韦尔热溶液

图1:燃烧器烧制天然气与氢气 - 左右:100%天然气,40%天然气/ 60%H2,20%天然气/ 80%H2,100%H2。礼貌:霍尼韦尔热溶液

氢气对清洁能量的传输保持了重要的承担,但鉴于其可燃性,必须与其他燃料相比非常不同地处理和处理。

解决工业排放量

氢气为工业部门提供最大的变革性影响,因为世界上大约三分之二的非农业相关的二氧化碳排放由化石燃料在运输和发电厂的燃烧产生。另外25%的热电设备在制造业和商业加热中跨各种应用。这些热电设备中的大部分是天然气燃气(近90%),只有一小部分就被燃油。

在这些应用中,氢有可能减少甚至消除碳排放。例如,只需将每天24小时连续运行的2500万Btu/h低热值(LHV)(约7.5 MW)燃烧器的燃料从天然气改为氢气,每天就可以减少33吨的二氧化碳排放。

在政府立法和公众舆论的推动下,能源公司正逐渐从化石燃料发电厂转向风能和太阳能等可再生能源。然而,这些可再生能源不可预测的波动使人们越来越担心如何使能源生产与长期的能源需求相匹配。但在这方面,绿色氢作为能量缓冲器或载体具有重要价值。

行业直接移动到氢气中还不是可行的,因此他们通过将氢气与天然气混合的方式与乙醇混合在一些部门的情况下进行第一步。合并,两种燃料产生较少的二氧化碳,水平由加入的氢量决定。例如,如果将20%氢和80%天然气的混合物在1000万BTU / H LHV(约3,200kW)下连续烧制,则每天减少约1公吨二氧化碳,这将是相当于每年近350吨二氧化碳(见图1)。

最初,能源公司计划在现有的天然气分销网络中加入10%至20%的氢,以降低工业、商业和住宅供暖应用的排放。然而,真正的行业转向氢燃料的过程将发生在2030年至2035年之间,届时氢燃料有望用于高温钢和金属的应用,随后将用于低温环境。我们在哪里结帐?就其自身而言,为了履行联合国《巴黎气候协定》(COP21 Paris Climate Agreement)的长期义务,中国将采取行动欧盟预计,到2050年,氢将占其能源结构的四分之一左右。与此同时,我们可以期望在高温和低温工业应用中看到许多试点项目。

克服收养的障碍

迄今为止,氢的主流应用一直受到各种因素的阻碍,包括缺乏基础设施、有限的生产能力、高昂的成本和独特的性能,这些因素都使氢元素难以处理。然而,这种平衡正在向一个氢驱动的未来倾斜。

一个基本的挑战是如何安全运输和储存氢气。在过去,合适的基础设施是有限的,新的传输网络和存储设施正在建设以适应氢(见图2)。能源公司正在意识到,他们的天然气网络可以适应以可接受的成本适应氢。例如,欧洲有一个庞大的天然气电网,可以相对快速地转换,而且正在制定一些单独的计划,以建立100%的氢能源电网。

图2:输送网络和储存设施正在建设,以容纳氢。礼貌:霍尼韦尔热溶液

图2:输送网络和储存设施正在建设,以容纳氢。礼貌:霍尼韦尔热溶液

与此同时,氢的成本正在下降,预计在未来十年还会继续下降。事实上,今年氢气委员会报告说,氢气将在22个行业应用中竞争其他低碳替代品,甚至一些常规能源到2030年

对氢的进一步挑战已经缺乏机械和部件,从中利用它来制造商品,具体地,通过需要热量的热电设备。但是,等公司霍尼韦尔热解决方案正在迅速扩大他们的解决方案组合,包括氢气燃烧器、阀门、燃烧控制和其他专业设备。

最后一个值得注意的挑战是“不”X由于更快的火焰速度和氢气相关的火焰温度和更快的火焰速度,用氢燃烧产生的排放量大于天然气。通常,没有X随着氢气的增加,氢气增加,具有高达约60%的氢气的氢气增加。影响没有X根据燃烧器的设计,如果混合了超过60%的氢,就会变得非常引人注目。规定不X排放越来越严格,也是更广泛的。碳的收敛性和没有X当较高浓度的氢达到更广泛的采用时,排放法规可能需要开发新的燃烧技术。

处理非凡的护理

除了氢生产的技术和成本障碍之外,应该处理和加工的方式与其他燃料不同。由于其特殊性,必须采取广泛的预防措施来安全地利用。

首先,由于燃料的易燃性高,必须与其天然气对应物不同地设计氢气燃烧系统。他们必须在提案和执行阶段进行广泛的风险评估,以满足氢申请安全要求,并遵守当地的安全规范和标准。此外,氢气的宽度可燃范围,高火焰速度和低点火温度需要适当的电气设计和接线原理,特别注意吹扫,比率控制,温度保护和燃烧器管理功能。

此外,了解燃烧器可以在氢气上安全可靠地发射一件事;知道其对应用的影响是另一个。在氢气上烧制燃烧器时,与天然气的相同燃烧器相比,燃烧特性不同。燃烧性,燃烧反应的速度,火焰亮度,火焰长度和烟道气组成的变化的差异影响了产品的加热方式以及如何构造燃烧室或烤箱以适应它们。

在氢气上试火燃烧器非常重要,并确保诸如混合板或混合锥体和气体喷嘴材料和端口的关键部件是使氢燃烧保持稳定和安全,而不会过热甚至破坏设备的部件。

最终的想法

经过几十年的猜测和理论,氢气可以在清洁能源网络中发挥作用,我们终于近在咫尺。鉴于急性气候变化的压力,采用障碍递减和更好的行业理解如何安全地处理氢并充分发挥其充分潜力,越来越多地看起来像氢气确实为我们所有人提供更绿色的未来。


托德埃尔顿
作者生物:Todd Ellerton是霍尼韦尔热解决方案提供管理的总监。在https://thermalsolutions.honeywell.com/zerocarbon中了解有关公司的更多信息