知識(shí)目標(biāo)

使學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)室用金屬和酸反應(yīng)制取氫氣的化學(xué)反應(yīng)原理，初步了解實(shí)驗(yàn)室制備實(shí)驗(yàn)的一般思路和方法；

了解置換反應(yīng)的概念，對(duì)給定反應(yīng)物、生成物的化學(xué)反應(yīng)，能初步判斷反應(yīng)類型；

根據(jù)氣體的性質(zhì)，學(xué)會(huì)判斷氣體收集的方法。

能力目標(biāo)

培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力，通過(guò)觀察了解啟普發(fā)生器的工作原理，并根據(jù)其原理，用易得廉價(jià)的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)儀器，自行設(shè)計(jì)制備氫氣的簡(jiǎn)易裝置。

知識(shí)目標(biāo)

使學(xué)生了解氫氣的物理性質(zhì)，掌握氫氣的可燃性、還原性，并了解有關(guān)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和現(xiàn)象以及注意事項(xiàng)；

根據(jù)氫氣的性質(zhì)了解其主要用途；

從得氧和失氧的角度對(duì)照了解氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)，氧化劑和還原劑。

能力目標(biāo)

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和思維能力。

知識(shí)目標(biāo)

使學(xué)生了解氫氣的物理性質(zhì)，掌握氫氣的可燃性、還原性，并了解有關(guān)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和現(xiàn)象以及注意事項(xiàng);

根據(jù)氫氣的性質(zhì)了解其主要用途;

從得氧和失氧的角度對(duì)照了解氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)，氧化劑和還原劑。

能力目標(biāo)

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和思維能力。

初中化學(xué)教案教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)目標(biāo)

使學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)室用金屬和酸反應(yīng)制取氫氣的化學(xué)反應(yīng)原理，初步了解實(shí)驗(yàn)室制備實(shí)驗(yàn)的一般思路和方法；

了解置換反應(yīng)的概念，對(duì)給定反應(yīng)物、生成物的化學(xué)反應(yīng)，能初步判斷反應(yīng)類型；

根據(jù)氣體的性質(zhì)，學(xué)會(huì)判斷氣體收集的方法。

能力目標(biāo)

摘要:針對(duì)聯(lián)合電解催化交換工藝中的氫氣中的含氚水蒸氣排放進(jìn)行研究，在對(duì)比分析了兩種不同的氫氣冷凝方案的基礎(chǔ)上，提出了“雙冷凝器”的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并分析了“雙冷凝器”方案的運(yùn)行模式。

關(guān)鍵詞:聯(lián)合電解催化交換;冷凝器;氫氣排放

聯(lián)合電解催化交換工藝在水－氫同位素分離領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越受到重視［1－2］，因其操作溫度較低，工藝條件容易控制等特點(diǎn)，被國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(InternationalThermonuclearExperimentalReactor，ITER)選為水冷卻劑中除氚的重要技術(shù)路線［3］，同樣自日本福島核事故后，日本東京電力公司也把聯(lián)合電解催化交換工藝作為其大量含廢水除氚的備選重要技術(shù)路線。在聯(lián)合電解催化交換工藝中，含氚廢水處理后僅有很少一部分經(jīng)過(guò)富集濃縮后再進(jìn)行下一步的處理處置，而大部分則轉(zhuǎn)化成氣態(tài)氫氣排放。排放的氫氣中含有飽和水蒸氣，氚以氧化形態(tài)HTO形式存在飽和水蒸氣中，其生物毒性比元素態(tài)氣體強(qiáng)10000倍［4］。因此在氫氣排放前，必須對(duì)水蒸氣進(jìn)行深度處理。一般采用冷凝的方式將蒸氣中的水冷凝，并將冷凝液輸送回工藝系統(tǒng)。本文針對(duì)氫氣中的含氚水蒸氣進(jìn)行研究，優(yōu)化確定氫氣排放工藝。

1聯(lián)合電解催化交換工藝

該工藝主要有液相催化交換塔單元和電解制氫單元兩部分構(gòu)成［1］，如圖1所示。液相催化交換塔中填裝有貴金屬疏水性催化劑和親水性填料，電解制氫單元產(chǎn)生的氫氣與催化交換塔內(nèi)向下流動(dòng)的水進(jìn)行氫同位素的交換，氚在液相水中富集，在氣態(tài)氫氣相中貧化。含氚水進(jìn)料位置將催化交換塔分為兩段，上段為貧化段，下段為富集段。天然水在貧化段頂部流下，洗脫上升的氫氣，貧氚后的氫氣在頂部排放;在富集段，含氚的進(jìn)料水與從貧化段流下來(lái)的水混合在富集段與氫氣進(jìn)行同位素交換，這樣使富集的氚水在液相催化交換塔底部濃集。

2工藝方案及分析

為了調(diào)查XQG45-600P機(jī)車(chē)用于商業(yè)運(yùn)營(yíng)是否安全，作者進(jìn)行了一項(xiàng)關(guān)于鐵路車(chē)輛安全問(wèn)題的研究，并調(diào)查了氫儲(chǔ)存和供應(yīng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。2013年，中國(guó)首次推出氫能源調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)（ChenW.，2013）。本案例之所以選擇機(jī)車(chē)，是因?yàn)闄C(jī)車(chē)的設(shè)計(jì)師提供了XQG45-600P的詳細(xì)參數(shù)。本案例研究概述了XQG45-600P及其安全性。本章通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，考察XQG45-600P在防止氫氣爆炸的能力上是否足夠安全。根據(jù)Chen（2013）的研究，調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)是用于在編組場(chǎng)調(diào)車(chē)。XQG45-600P的框架是基于一種傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車(chē)（ChenW.，2013）。

1氫能源調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)氫能源調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)與普通鐵路機(jī)車(chē)一樣，由機(jī)械和電氣兩部分組成。具體組成部分見(jiàn)表1。根據(jù)表1所示，整個(gè)系統(tǒng)包括供氫系統(tǒng)（儲(chǔ)氫罐、PEMFC電板、管道）和動(dòng)力系統(tǒng)（電池組、牽引逆變器、永磁同步電動(dòng)機(jī)）。列車(chē)啟動(dòng)時(shí)，9個(gè)35MPa碳纖維鋼瓶中的氫通過(guò)管道和壓力調(diào)節(jié)閥供給燃料電池氫氣（ChenW.，2013）。質(zhì)子交換膜燃料電池將氫轉(zhuǎn)化為水，產(chǎn)生電能，從而為牽引式逆變器發(fā)電。運(yùn)行狀態(tài)下的PEMFC和電池組的溫度高達(dá)80°C（ChenW.,2013）。牽引逆變器將直流電（DC）轉(zhuǎn)換為三相交流電（AC），以供給牽引電機(jī)。該機(jī)車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由四個(gè)主要的子系統(tǒng)組成，即質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、冷卻子系統(tǒng)、氫氣瓶列陣和牽引電機(jī)，如圖1所示。從圖1可以看出，燃料電池動(dòng)力調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)最大的部件是氫氣瓶列陣。儲(chǔ)氫裝置由9個(gè)35兆帕的碳纖維鋼瓶組成，能夠儲(chǔ)存約23千克壓縮氫氣（ChenW.，2013）。Chen（2013）還提到，每個(gè)氫氣瓶工作壓力為50MPa。當(dāng)壓力超過(guò)80MPa時(shí)，高壓安全閥（HPSV）會(huì)釋放氫氣以避免氫氣爆炸（ChenW.，2013）。因此，如果HPSV無(wú)法工作，氫氣的超壓可能會(huì)導(dǎo)致氫氣瓶破裂，增加氫氣泄漏的可能性。車(chē)輛頂部有兩個(gè)通風(fēng)機(jī)和一個(gè)通風(fēng)口PEMFC模塊頂部安裝了氫探測(cè)器，主要用于檢測(cè)機(jī)車(chē)內(nèi)部的氫氣泄漏。筆者對(duì)目前元器件布置的安全性進(jìn)行了評(píng)估，如表2所示。

2氫氣儲(chǔ)存方式與風(fēng)險(xiǎn)

眾所周知，氫可以以不同的方式儲(chǔ)存，如氣態(tài)氫、液氫和金屬氫化物，大多數(shù)氫燃料鐵路車(chē)輛使用在儲(chǔ)存在氫氣瓶中的壓縮氫，例如BNSF的燃料電池調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)（HessKS,2008）和NE的實(shí)驗(yàn)軌道車(chē)（TaketoF,2006）。在XQG45-600P中，35MPa高壓氫氣瓶中有9個(gè)安裝在機(jī)車(chē)本體內(nèi)，氫氣瓶陣列安裝在機(jī)車(chē)中部。同時(shí)，PEMFC、電池組和逆變器安裝在氫氣瓶陣列旁邊。根據(jù)筆者的理解，上述XQG45-600P的布置是為了減小對(duì)機(jī)車(chē)重心的影響。然而，在安全方面，XQG45-600P氫氣瓶陣列布局可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的事故，這是因?yàn)闅錃饪赡軙?huì)聚集主隔間等限制區(qū)域，從而增加爆炸的可能，尤其是當(dāng)泄漏的氫氣接近電氣設(shè)備時(shí)。同時(shí)，氫氣燃燒會(huì)形成向上的火焰，燃燒機(jī)車(chē)的內(nèi)部設(shè)施，如氫氣瓶列陣上方的通風(fēng)機(jī)或安裝在PEMFC上的鋰離子電池。由于目前氫氣瓶安裝位置在車(chē)輛中部，可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)生這種事故的風(fēng)險(xiǎn)增加。例如，在儲(chǔ)存裝置中，如果氫氣瓶陣列底部氫氣著火，火焰會(huì)向上燃燒所有的氫氣瓶。此外，持續(xù)的大火可能會(huì)損壞周?chē)脑O(shè)施，比如PEMFC和電池組。由于PEMFC在工作階段需要使用氫來(lái)發(fā)電，所以，如果火焰蔓延到PEMFC，可能會(huì)導(dǎo)致另一次爆炸或更大的火災(zāi)事故。因此，作者建議采用車(chē)頂線性存儲(chǔ)方式，比如使用擺放在車(chē)輛頂部的1X9列陣，而不是使用當(dāng)前XQG45-600P采用的3×3列陣。氫氣瓶的頂部線性儲(chǔ)存是比較理想的，因?yàn)樗试S泄漏的氫氣向上擴(kuò)散。此外，沿著車(chē)頂線性擺放氫氣瓶可以使脫軌和碰撞等事故造成損害的可能性降到最低（Hess，2010）。XQG45-600P采用35mpa氫氣瓶。如Rodionov（2010）所述，儲(chǔ)氫供應(yīng)系統(tǒng)由氫氣瓶、管道、高壓安全閥（HPSV）、減壓閥和壓力調(diào)節(jié)閥組成。每個(gè)組件的功能如表3所示。根據(jù)Kesheng（2014）所說(shuō)，如果火災(zāi)發(fā)生在氫氣瓶上,熱量會(huì)傳到消防設(shè)備，消防設(shè)備會(huì)在溫度過(guò)高時(shí)（600°C）釋放氫氣。Kesheng（2014）提到，如果火災(zāi)發(fā)生在圖2中的紅色區(qū)域，熱量將緩慢傳遞到消防設(shè)備處。在這種情況下，消防設(shè)備可能會(huì)達(dá)不到足夠的熱量，從而不能及時(shí)釋放氫氣。同時(shí)，氫燃料箱表面可能因過(guò)熱而破裂（800°C）（Kesheng，2014）。泄漏的高壓氫氣和瓶?jī)?nèi)發(fā)生的火災(zāi)會(huì)引起嚴(yán)重的爆炸（損壞探測(cè)面積為30米）。通過(guò)對(duì)上述對(duì)氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)的研究，筆者對(duì)儲(chǔ)氫系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估如表4所示。

3事故分析

1加氫裂化開(kāi)停車(chē)能耗及物耗分析

由于每次裝置檢修、消缺項(xiàng)目不盡相同，每次裝置檢修的深度和廣度也有所區(qū)別。加氫裂化裝置一次開(kāi)停車(chē)的能耗、物耗與裝置檢修項(xiàng)目、需要倒空的塔罐以及上下游裝置的運(yùn)行狀態(tài)直接相關(guān)。對(duì)加氫裂化裝置2013年裝置消缺開(kāi)停車(chē)物耗、能耗進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。此外，做好裝置開(kāi)停車(chē)前的計(jì)劃準(zhǔn)備工作，加強(qiáng)精細(xì)管理，制定相應(yīng)的節(jié)能減排方案和考核措施，提高員工操作技能，避免操作不當(dāng)造成的不必要浪費(fèi)等，都有利于降低裝置開(kāi)停車(chē)中的物耗和能耗。

2停車(chē)過(guò)程中主要節(jié)能減排措施

2.1合理設(shè)定流程回收氫氣

加氫裂化裝置停車(chē)過(guò)程中反應(yīng)系統(tǒng)恒溫氣提結(jié)束后，系統(tǒng)降壓過(guò)程約有100000m3純度為85%的氫氣需要排放至火炬燒掉，浪費(fèi)嚴(yán)重。為降低向火炬系統(tǒng)排放量，本次裝置停車(chē)降壓時(shí)通過(guò)供氫系統(tǒng)回流壓控閥(PV1018/1028)將氫氣返回緩沖罐(FA105)，再通過(guò)閥PV1027A后，至950#脫硫單元流程，將氫氣經(jīng)過(guò)高壓干氣脫硫塔(DA956)至干氣回收氫氣裝置PSA500回收其中氫氣;當(dāng)系統(tǒng)壓力低于1.0MPa后將PV1027A閥后流程改至燃料氣系統(tǒng)，停去PSA500;壓力降至0.42MPa后，再將排放流程通過(guò)PV1027B閥改至BF系統(tǒng)。

2.2通過(guò)單向閥調(diào)向?qū)⒏挥鄽錃獠⑷牍芫W(wǎng)

一、硝基苯鐵粉還原法

硝基苯鐵粉還原法采用間歇式生產(chǎn)，將反應(yīng)物料投入還原鍋中，在鹽酸介質(zhì)和約100℃溫度下，硝基苯用鐵粉還原生成苯胺和氧化鐵，產(chǎn)品經(jīng)蒸餾得粗苯胺，再經(jīng)精餾得成品，所得苯胺收率為95%～98%，鐵粉質(zhì)量的好壞直接影響苯胺的產(chǎn)率。此方法因存在設(shè)備龐大、反應(yīng)熱難以回收、鐵粉耗用量大、環(huán)境污染嚴(yán)重、設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、操作維修費(fèi)用高、難以連續(xù)化生產(chǎn)、反應(yīng)速度慢、產(chǎn)品分離困難等缺點(diǎn)，目前正逐漸被其他方法所取代。

二、苯酚氨化法

基本工藝過(guò)程為：苯酚與過(guò)量的氨（摩爾比為1：20）經(jīng)混合，汽化、預(yù)熱后，進(jìn)入裝有氧化鋁-硅膠催化劑的固

定床反應(yīng)器中，在370℃、1.7MPa條件下，苯酚與氨進(jìn)行氨化反應(yīng)制得苯胺，同時(shí)聯(lián)產(chǎn)二苯胺，苯胺的轉(zhuǎn)化率和選擇性均在98%左右。該法工藝簡(jiǎn)單，催化劑價(jià)格低廉，壽命長(zhǎng)，所得產(chǎn)品質(zhì)量好，“三廢”污染少，適合于大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)并可根據(jù)需要聯(lián)產(chǎn)二苯胺，不足之處是基建投資大，能耗和生產(chǎn)成本要比硝基苯催化加氫法高。

三、固定床氣相催化加氫

摘要:為降低港口機(jī)械設(shè)備的排放,提出一種應(yīng)用于輪胎式龍門(mén)起重機(jī)的零排放的燃料電池混動(dòng)技術(shù)。給出了該動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)及配置參數(shù),對(duì)比分析了小柴電混動(dòng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,該系統(tǒng)將在控制使用成本方面具有優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞:燃料電池;輪胎吊;混合動(dòng)力

1引言

輪胎式龍門(mén)起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱輪胎吊)廣泛應(yīng)用于集裝箱碼頭堆場(chǎng),其動(dòng)力通常以柴油發(fā)電機(jī)組供電為主,存在能源消耗大、排放嚴(yán)重等問(wèn)題。目前市場(chǎng)上小柴油機(jī)組結(jié)合大鋰電混動(dòng)輪胎吊是最節(jié)能的輪胎吊之一,柴電機(jī)組輸出綜合功率一般為50kW,鋰電池容量一般在100kWh左右。與傳統(tǒng)使用大型柴油機(jī)組輪胎吊相比,可節(jié)能約60%[1-2]。但該類輪胎吊的動(dòng)力來(lái)源仍是柴油,雖然相比大柴油機(jī)組已經(jīng)降低了能耗,但仍存在較大的排放。為了減少排放,也可以采用天然氣LNG燃?xì)鈾C(jī)組代替小功率柴電機(jī)組,構(gòu)成LNG混動(dòng)輪胎吊,CO2排放可降低20%,NOX排放可降低40%[3-4]。氫氣是當(dāng)今世界公認(rèn)的最清潔的燃料,燃燒排放物只有純水,具有環(huán)保、零排放、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。因此提出用燃料電池系統(tǒng)代替小功率柴電機(jī)組,設(shè)計(jì)零排放氫燃料混動(dòng)輪胎吊。

2輪胎吊負(fù)載特性分析

據(jù)統(tǒng)計(jì),常規(guī)集裝箱碼頭上的輪胎吊1h可以完成約20個(gè)操作循環(huán),每操作循環(huán)由帶箱起升、小車(chē)帶箱平移、下降放箱、空吊具起升、小車(chē)平移、空吊具下降6個(gè)步驟組成。額載40t重箱起升時(shí),輪胎吊峰值功率需求約為350kW;40t重箱下降時(shí),峰值再生回饋功率約為260kW,1h內(nèi)輪胎吊的平均功率僅為30~35kW。由此分析得出,輪胎吊在突加載荷時(shí)峰值功率大,而平均功率小,且重物下降及機(jī)構(gòu)制動(dòng)時(shí)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài),屬于位能性負(fù)載。而傳統(tǒng)大柴油機(jī)為了滿足輪胎吊的負(fù)載特性,通常配備一定冗余量的柴油發(fā)電機(jī)組,滿足輪胎吊峰值功率的需求,而重物下降和機(jī)構(gòu)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生回饋能量,通常利用能耗電阻消耗掉了,得不到有效重復(fù)利用,造成了輪胎吊燃油消耗大、污染嚴(yán)重等問(wèn)題。從輪胎吊負(fù)載特性可以看出,峰值功率與平均功率的比值接近10∶1,所以其動(dòng)力系統(tǒng)非常適合采用混合動(dòng)力方案。

學(xué)習(xí)目標(biāo)

1.了解中和熱的概念，了解使用化石燃料的利弊及新能源開(kāi)發(fā)的意義;

2.掌握利用中和熱計(jì)算中和反應(yīng)中所放出的熱量。

學(xué)習(xí)過(guò)程

一、自學(xué)探究

1.什么叫中和反應(yīng)?中和反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是什么?中和反應(yīng)過(guò)程是吸熱反應(yīng)還是放熱反應(yīng)?