在常温和常压下,氢气是一种非常容易燃烧、有颜色、光亮、无味、不溶于水的气体。氢也是世界上已知密度小的气体。它的密度只有空气的1/14,所以氢气可以用作飞艇和氢气球的充气气体。然而,由于其可燃性和低安全性,氦气经常被用于填充气球飞艇。高纯氢是指纯度等于或大于9999%的氢,是一种非常重要的石油化工原料,高纯氢应用于合成氨、甲醇的生产和石油炼制过程的加氢。氢气还可应用于电子工业、冶金工业、食品加工、医疗中间体、浮法玻璃制造、精细有机合成、航空航天等领域。
而且近年来,随着大规模对制氢需求的提高,以及科技技术的发展,出现了-些环保的、成本低廉的、新技术型的制氢方法,例如,生物制氢热化学制氢太阳光催化光解制氢等方法应运而生。它们将逐渐成为大规模制氢方法的主流。不过现在工业上-般从天然气或水煤气制氢气,而不采用高耗能的电解水的方法。
氢气的制取开发及利用
一、煤、焦炭汽化制氢
我国是世界上煤炭储量和煤炭产量大的国家,所以我们可以用煤作为原料制氢,这可以占到我们制氢总产量的一半以上。在煤制氢过程中,需要先产生一氧化碳和水的合成气,如焦炉气、水气和半水气。第二步是通过变压吸收法(简称PSA法)和膜分离法将-氧化碳和水的合成气转化为二氧化碳和氢气。在许多情况下,石化、钢铁、焦化工业也是重要的副产物。它们现在也经常采取循环经济的形式,作为这些企业的重要化学原料或燃料。
二、天然气、石油化工转化制氢
将天然气和石油化学品转化为氢的原理与将煤汽化和将碳焦化为氢的原理是一样的,但生产过程的细节是不同的。天然气和石油产品也可以产生一氧化碳和水的合成气,再通过PSA或膜分离法转化为二氧化碳和氢气,从而生产出高纯氢气。目前,从煤、焦炭或天然气制氢往往走综合利用的道路。将煤层气或天然气与制氢结合,并生产甲醇、醋酸和化肥等化工产品。互助可以使生产大化。
三、利用工业生产的含氢尾气制氢
1、合成氨生产尾气制氢
在合成氨生产过程中,含氢尾气的回收利用被应用于制氢。用于制氨的合成气中含有少量的甲烷,甲烷不参与化学反应,在生产过程中积累,因此必须去除杂质,排出可用气体。在合成氨生产过程中,通过PSA装置回收合成氨生产的废气,提取合成氨生产的副产物氢,具有很大的经济价值。
2、炼油厂回收富氢气体制氢
石油加工过程中产生的副产物氩气种类繁多。例如,在催化重整过程中,碳氢化合物发生转移反应,同时产生大量富氢气体(氩气含量高达80%)。加氢精炼、加气裂化反应和剩余催化裂化过程中产生的废气和副产物富氢气体。这些富氢气体可采用膜分离装置或PSA抽氢装置进行回收。因此,炼油厂可以通过回收富氢来生产相当数量的氢。这种副产品富氢可以回收利用,也是炼油厂循环经济的重要组成部分。
3、氯碱厂回收副产氢制氢
氯碱厂以食盐水( NaCI )为原料,采用离子膜或石棉隔膜电解槽生产烧碱( NaOH)和氯气( CI2) , 同时可得到副产品氢气。把这类氢气再去掉杂质,可制得纯氢。我国许多氯碱厂都采用PSA法进行提氢装置处理,可获得高纯度氢气(氢纯度可达99%-~9.999%) , 供各行各业使用。
四、电解水制氢
现在电解水制氢是传统的制氢方法,技术成熟、设备简单、运行可靠、 管理方便、 不产生污染、可制得氢气纯度高、杂质含量少,适用于各种应用场合。制氢原理相当简单,由浸没在电解液中的对电极,以及中间隔一层防止氢气渗透的隔膜,构成水电解室。电解液一般是含有30%左右氢氧化钾( KOH)的溶液,当接通直流电后,水就分解为氢气和氧气。缺点是耗能大 ,制氢成本
高。
五、生物制氢
生物制氢是通过高效产氢细菌的作用,把自然界存在于有机化台物(碳水化台物、蛋白质等)的能量转化为氢气。也就是利用产氢微生物制氢。
能够产氢的微生物分为两类:-类是光台厌氧型产氢细菌、另一类是厌氧型产氢细菌。前一又称光台菌,它是利用有机酸经过光照之后产生氢气和二氧化碳。后-又称厌氧菌,它是利用碳水
化台物(单糖、二糖或多糖等)、蛋白质等发酵 ,产生氢气、二氧化碳和有机酸,其中有机酸还可利用光合菌在光照下产生氢气和二氧化碳。
六、热化学制氢
所谓热化学制氢是指在一定温度条件下 ,直接利用热使水通过一定的化学反 应过程进行分解来制取氢e气。直接用热使水分解是非常困难的,热化学法则是借助于复杂的化学反应过程,通过某些装置把热能转化为化学能,制取氢气。
七、太阳光催化分解水制氢
前面已经提到,利用太阳能制氢是未来获得氢能的基本途径。例如,利用太阳能热,可以通过热化学方法分解水来制取氢能;利用太阳热或太阳光发电,可以通过电分解水来制取氢能;利用太阳光,可以通过产氢微生物对有机物的作用来制取氢能。在太阳光作用下,当有光催化剂存在时,可以使水分解为氢气和氧气。
氢气在各行各业的应用
1.石油化工工业
氢气是现代炼油工业和化学工业的基本原料之一, 范围内氢以多种形式用于化学工业。石油炼制工业用氢量次于合成氨。在石油炼制过程中,氢 气主要用于石脑油加氢脱硫、粗柴油加氢脱硫燃料油加氢脱硫、改善飞机燃料的无火焰高度和加氢裂化等方面;在石油化工领域,氢气主要用于C3馏分加氢、汽油加氢、C6 - C8馏分加氢脱烷基以及生产环己烷等方面。
2.电子半导体工业
在晶体的生长与衬底的制备、氧化工艺外延工艺中以及化学气相淀积技术中,均要用到氢气。导体工业对气体纯度要求极高,微量杂质的“掺人”, 将会改变半导体的表面特性。光將纤维的应用和开发是新技术的重要标志之一,石英玻璃纤维 是光导纤维的主要类型,在制造过程中,需要采用氢 氧焰加热,经数十次沉积,对氢纯度和洁净度都有很高要求。
3.玻璃工业
在玻璃制造工业中使用的气体有氢气和氮气。在浮法玻璃成形设备中装有熔融的锡液,它极易被氧化,生成氧化锡,造成玻璃沾锡,增加锡的消耗量,因此需要将锡槽密封,并连续不断送人纯净2-8%氢氮混合气,维持槽内正压与还原氛,保护锡液不被氧化。四、 冶金工业、在冶金工业中,氢气主要用作还原气,以便将金属氧化物还原成金属。氢气除了用于还原若干种金属氧化物以制取纯金属外,在高温锻压一些金属器材时 ,氢气作为保护气以使金属不被氧化。
4、食品加工工业
许多天然食用油具有很大程度的不饱和性,经氢化处理后,所得产品可稳定贮存,并能抵抗细菌的生长,提高油的粘度。植物油加氢氢化所用的氢气,纯度要求都很高,一般需严格提纯后方可使用。食用油加氢的产品可加工成人造奶油和食用蛋白质等。非食用油加氢可得到生产肥皂和畜牧业饲料的原料,过程包括用氢和不饱和酸(油酸、亚油酸等)的甘油脂, 将氢引人到液体脂肪或植物油的组成中。
5、航空航天工业燃气应用
氢作为航空燃料有许多优点,它不能满足未来航空燃料的许多要求,重要的是氢燃烧不保护环境的污染。单位质量氢气的热值(119,900- 1419,00kj /kg)是碳氢化合物燃料的1.8倍。由液氢和液氧组成的推进剂具有很高的比推力。因此,液氢在空间技术中被使用。
进入21世纪以来,中国的经济和科技发展迅速。电子工业、精细化工、冶金、食品、浮法玻璃和航空航天工业都是国家大力发展的重工业领域。这些行业的发展状况决定了高纯氢市场的需求。高纯氢工业有很大的发展空间。高纯氢被使用。随着经济的发展和科学技术的进步,高纯氢的应用领域不断扩大。此外,除了欧美、日本等传统的高纯氢需求地区外,印度、中国西部、俄罗斯等新兴国家和地区对高纯氢的需求也在快速增长。
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