知識目標(biāo)

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

了解置換反應(yīng)的概念，對給定反應(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，用易得廉價的簡單實驗儀器，自行設(shè)計制備氫氣的簡易裝置。

知識目標(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)的實驗過程和現(xiàn)象以及注意事項；

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)

通過對實驗現(xiàn)象的觀察，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和思維能力。

知識目標(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)的實驗過程和現(xiàn)象以及注意事項;

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)

通過對實驗現(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)

知識目標(biāo)

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

了解置換反應(yīng)的概念，對給定反應(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)會判斷氣體收集的方法。

能力目標(biāo)

摘要:針對聯(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)計方案，并分析了“雙冷凝器”方案的運行模式。

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，被國際熱核聚變實驗堆(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10000倍［4］。因此在氫氣排放前，必須對水蒸氣進(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機車用于商業(yè)運營是否安全，作者進(jìn)行了一項關(guān)于鐵路車輛安全問題的研究，并調(diào)查了氫儲存和供應(yīng)的潛在風(fēng)險。2013年，中國首次推出氫能源調(diào)車機車（ChenW.，2013）。本案例之所以選擇機車，是因為機車的設(shè)計師提供了XQG45-600P的詳細(xì)參數(shù)。本案例研究概述了XQG45-600P及其安全性。本章通過風(fēng)險評估，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)車機車是用于在編組場調(diào)車。XQG45-600P的框架是基于一種傳統(tǒng)的內(nèi)燃機車（ChenW.，2013）。

1氫能源調(diào)車機車結(jié)構(gòu)

試驗氫能源調(diào)車機車與普通鐵路機車一樣，由機械和電氣兩部分組成。具體組成部分見表1。根據(jù)表1所示，整個系統(tǒng)包括供氫系統(tǒng)（儲氫罐、PEMFC電板、管道）和動力系統(tǒng)（電池組、牽引逆變器、永磁同步電動機）。列車啟動時，9個35MPa碳纖維鋼瓶中的氫通過管道和壓力調(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。該機車的驅(qū)動系統(tǒng)由四個主要的子系統(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，如圖1所示。從圖1可以看出，燃料電池動力調(diào)車機車最大的部件是氫氣瓶列陣。儲氫裝置由9個35兆帕的碳纖維鋼瓶組成，能夠儲存約23千克壓縮氫氣（ChenW.，2013）。Chen（2013）還提到，每個氫氣瓶工作壓力為50MPa。當(dāng)壓力超過80MPa時，高壓安全閥（HPSV）會釋放氫氣以避免氫氣爆炸（ChenW.，2013）。因此，如果HPSV無法工作，氫氣的超壓可能會導(dǎo)致氫氣瓶破裂，增加氫氣泄漏的可能性。車輛頂部有兩個通風(fēng)機和一個通風(fēng)口PEMFC模塊頂部安裝了氫探測器，主要用于檢測機車內(nèi)部的氫氣泄漏。筆者對目前元器件布置的安全性進(jìn)行了評估，如表2所示。

2氫氣儲存方式與風(fēng)險

眾所周知，氫可以以不同的方式儲存，如氣態(tài)氫、液氫和金屬氫化物，大多數(shù)氫燃料鐵路車輛使用在儲存在氫氣瓶中的壓縮氫，例如BNSF的燃料電池調(diào)車機車（HessKS,2008）和NE的實驗軌道車（TaketoF,2006）。在XQG45-600P中，35MPa高壓氫氣瓶中有9個安裝在機車本體內(nèi)，氫氣瓶陣列安裝在機車中部。同時，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機車重心的影響。然而，在安全方面，XQG45-600P氫氣瓶陣列布局可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的事故，這是因為氫氣可能會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。同時，氫氣燃燒會形成向上的火焰，燃燒機車的內(nèi)部設(shè)施，如氫氣瓶列陣上方的通風(fēng)機或安裝在PEMFC上的鋰離子電池。由于目前氫氣瓶安裝位置在車輛中部，可能會導(dǎo)致發(fā)生這種事故的風(fēng)險增加。例如，在儲存裝置中，如果氫氣瓶陣列底部氫氣著火，火焰會向上燃燒所有的氫氣瓶。此外，持續(xù)的大火可能會損壞周圍的設(shè)施，比如PEMFC和電池組。由于PEMFC在工作階段需要使用氫來發(fā)電，所以，如果火焰蔓延到PEMFC，可能會導(dǎo)致另一次爆炸或更大的火災(zāi)事故。因此，作者建議采用車頂線性存儲方式，比如使用擺放在車輛頂部的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存是比較理想的，因為它允許泄漏的氫氣向上擴散。此外，沿著車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。每個組件的功能如表3所示。根據(jù)Kesheng（2014）所說，如果火災(zāi)發(fā)生在氫氣瓶上,熱量會傳到消防設(shè)備，消防設(shè)備會在溫度過高時（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)備可能會達(dá)不到足夠的熱量，從而不能及時釋放氫氣。同時，氫燃料箱表面可能因過熱而破裂（800°C）（Kesheng，2014）。泄漏的高壓氫氣和瓶內(nèi)發(fā)生的火災(zāi)會引起嚴(yán)重的爆炸（損壞探測面積為30米）。通過對上述對氫氣儲存系統(tǒng)的研究，筆者對儲氫系統(tǒng)的潛在風(fēng)險評估如表4所示。

3事故分析

1加氫裂化開停車能耗及物耗分析

由于每次裝置檢修、消缺項目不盡相同，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停車的能耗、物耗與裝置檢修項目、需要倒空的塔罐以及上下游裝置的運行狀態(tài)直接相關(guān)。對加氫裂化裝置2013年裝置消缺開停車物耗、能耗進(jìn)行了統(tǒng)計。此外，做好裝置開停車前的計劃準(zhǔn)備工作，加強精細(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)造成的不必要浪費等，都有利于降低裝置開停車中的物耗和能耗。

2停車過程中主要節(jié)能減排措施

2.1合理設(shè)定流程回收氫氣

加氫裂化裝置停車過程中反應(yīng)系統(tǒng)恒溫氣提結(jié)束后，系統(tǒng)降壓過程約有100000m3純度為85%的氫氣需要排放至火炬燒掉，浪費嚴(yán)重。為降低向火炬系統(tǒng)排放量，本次裝置停車降壓時通過供氫系統(tǒng)回流壓控閥(PV1018/1028)將氫氣返回緩沖罐(FA105)，再通過閥PV1027A后，至950#脫硫單元流程，將氫氣經(jīng)過高壓干氣脫硫塔(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PV1027B閥改至BF系統(tǒng)。

2.2通過單向閥調(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，目前正逐漸被其他方法所取代。

二、苯酚氨化法

基本工藝過程為：苯酚與過量的氨（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。該法工藝簡單，催化劑價格低廉，壽命長，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:為降低港口機械設(shè)備的排放,提出一種應(yīng)用于輪胎式龍門起重機的零排放的燃料電池混動技術(shù)。給出了該動力系統(tǒng)架構(gòu)及配置參數(shù),對比分析了小柴電混動技術(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。

關(guān)鍵詞:燃料電池;輪胎吊;混合動力

1引言

輪胎式龍門起重機(以下簡稱輪胎吊)廣泛應(yīng)用于集裝箱碼頭堆場,其動力通常以柴油發(fā)電機組供電為主,存在能源消耗大、排放嚴(yán)重等問題。目前市場上小柴油機組結(jié)合大鋰電混動輪胎吊是最節(jié)能的輪胎吊之一,柴電機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)使用大型柴油機組輪胎吊相比,可節(jié)能約60%[1-2]。但該類輪胎吊的動力來源仍是柴油,雖然相比大柴油機組已經(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組代替小功率柴電機組,構(gòu)成LNG混動輪胎吊,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、無污染等優(yōu)點。因此提出用燃料電池系統(tǒng)代替小功率柴電機組,設(shè)計零排放氫燃料混動輪胎吊。

2輪胎吊負(fù)載特性分析

據(jù)統(tǒng)計,常規(guī)集裝箱碼頭上的輪胎吊1h可以完成約20個操作循環(huán),每操作循環(huán)由帶箱起升、小車帶箱平移、下降放箱、空吊具起升、小車平移、空吊具下降6個步驟組成。額載40t重箱起升時,輪胎吊峰值功率需求約為350kW;40t重箱下降時,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峰值功率大,而平均功率小,且重物下降及機構(gòu)制動時電機處于發(fā)電狀態(tài),屬于位能性負(fù)載。而傳統(tǒng)大柴油機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)電機組,滿足輪胎吊峰值功率的需求,而重物下降和機構(gòu)制動時產(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,所以其動力系統(tǒng)非常適合采用混合動力方案。

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發(fā)的意義;

2.掌握利用中和熱計算中和反應(yīng)中所放出的熱量。

學(xué)習(xí)過程

一、自學(xué)探究

1.什么叫中和反應(yīng)?中和反應(yīng)的實質(zhì)是什么?中和反應(yīng)過程是吸熱反應(yīng)還是放熱反應(yīng)?