[发明专利]一种从煤生产纯净氢气和二氧化碳的工艺方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种从煤生产纯净氢气和二氧化碳的工艺方法，属于煤制氢技术领域。

背景技术

世界煤炭存储丰富，煤炭被认为是地球上可获得的最廉价能源，长期以来在能源消费中占有重要地位，但是由此也带来了对环境和生态造成极大损害的空气污染和二氧化碳排放问题。同样，煤炭在我国一次能源的消耗中占比例高达75%，且存在着利用效率低，浪费严重等问题。基于环境保护及未来能源安全的考虑，研究新型的煤炭利用方式以及提高煤炭利用效率对我国有着极大的积极意义。

1979年Coughlin和Farooque在Nature杂志上发表文章，首次提出了电解水煤浆制氢这一技术。其中，水煤浆电解制氢的反应机理归结为以下过程：

阳极反应：C(s)+2H₂O(l)→CO₂(g)+4H⁺+4e^-      （1）

阴极反应：4H⁺+4e^-→2H₂₍g)                   （2）

总的反应：C(s)+2H₂O(l)→CO₂(g)+2H₂(g)      （3）

其后，人们发现加入铁离子可以显著提升该反应过程的反应速率，其机理为煤中的碳被三价铁离子氧化成二氧化碳，生成的二价铁离子通过电化学反应重新氧化成三价铁离子，主要反应如下：

溶液中的化学反应：4Fe³⁺+C+2H₂O→4Fe²⁺+CO₂+4H⁺   （4）

阳极反应：Fe²⁺→Fe³⁺+e^-                         （5）

阴极反应：2H⁺+2e^-→H₂                          （6）

总反应：C(s)+2H₂O(l)→CO₂(g)+2H₂(g)           （3）

目前，最常见的煤利用方式为煤氧化（燃烧）发电、煤气化制氢作为化工原料、煤制油（液体燃料）这三种利用方式。相比于这三种主要利用方式，电解煤浆制氢具有较高的综合经济性能，是一个非常有应用前景的能源解决方案。它一方面提供了煤清洁利用的新途径；另一方面，氢气可用于燃料电池发电，对于电力安全有十分重要的意义。

煤电解制氢作为一项煤炭清洁利用的新技术，有着明显的优点：（1）能耗低，其理论电解电压仅0.21V，大大低于水的电解电压1.23V；（2）生产过程清洁无污染，煤中S、N等经电解后会转化为相应的酸留在电解液中，而不排入大气；（3）装置流程简单，反应条件温和；（4）阳极制得的H2纯度高，无需进一步提纯；（5）阴极产生纯的CO₂副产物，可以直接利用或作为碳减排目的而封存处理。

氢气作为人类的终极能源来源，是当前世界各国能源开发应用的技术制高点，直接关乎着未来国家的能源安全。当前氢气的来源主要有水电解、天然气重整、煤气化、石油裂解等，相比于这些方式，煤电解制氢有着能源利用率高、受地域和原料来源限制少、工艺条件简单等优势且可以随用随制取，有效解决了氢气的制取和储存等难题。

对现有技术的专利检索发现，美国俄亥俄大学G波特在授权公告号为CN101496208B的中国专利中介绍了一种用来制备纯氢气的连续煤电解池。该电解池为无需独立的纯化装置，提供了包括电催化剂的电极，所述贵金属电催化剂采用电化学方法沉积在碳基材。在该专利中，通过煤浆液的搅拌，或者通过泵的循环强化上述煤电解反应。该专利还分别申请了美国专利（US2009/0145750A1）和世界专利（WO2006/121981A2）。但上述专利在实施中存在以下问题：（1）采用泵强化煤浆中煤颗粒与电极接触反应，不但电耗大，而且对泵、管道和电解池设备的磨损严重；（2）在具体使用中，由于煤浆颗粒的磨损，会导致电极上所采用的贵金属电催化剂的贵金属流失，以致电极性能下降，从而影响使电解池工作；（3）煤的电解反应缓慢，电解池体积大，生产能力低，生产设备投入高。由于存在这些问题，煤电解制氢技术的生产效率和经济性，均不能适合商业化生产要求。