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高纯氢气在我们生活当中都有什么样的用处?

高纯氢气在我们生活当中都有什么样的用处?

分类:
气体知识
发布时间:
2019/11/12 15:57
在常温大气压下,氢气是一种极容易燃烧,无色、透明、且无臭无味、难溶于水的气体。氢气也是在世界上已知的密度最小的一种气体,氢气的密度只有空气的1/14,所以氢气可作为飞艇、氢气球的填充气体,但是由于氢气具有可燃性,安全性不高,现在气球飞艇多用于氦气进行填充。高纯氢气是指纯度等于或高于99.999%的氢气,是一种非常重要的石油化工原料,而且高纯氢应用十分广泛,多用于生产合成氨、甲醇以及石油炼制过程的加氢反应,氢气也可在电子行业、冶金工业、食品加工、医药中间体、浮法玻璃制造、精细有机合成、航空航天工业等领域广泛使用。
 
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,出现了一些环保的、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。不过现在工业上一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。
电解水制氢
电解水制氢
氢气的制取开发及利用
一、煤、焦炭汽化制氢
我国是世界煤储量、产煤量最多的国家,因此可以利用煤做原料来制取氢气,这样可以占我国全部的制氢产量的一半以上。用煤制氢的过程,首先需要生成焦炉煤气、水煤气、半水煤气等一氧化碳和水的合成气;第二步,采用变压吸收法(简称PSA法)、膜法分离法等,把一氧化碳和水的合成气转化为二氧化碳和氢气。在许多场合石化、钢铁、焦化工业中的也是重要副产品。它们目前还常常以循环经济的形式出现,也是作为这些企业的重要化工原料或燃料。
 
二、天然气、石油化工转化制氢
使用天然气和石油化工品转化制氢的原理,跟用煤、焦碳汽化制氢是同一个原理,只是制取过程的细节不一样,天然气、石油产品也可以生成一氧化碳同水的合成气,然后通过PSA法或膜法分离法转化为二氧化碳和氢气,从而制取高纯度氢气。现在煤、焦炭制氢或天然气制氢往往都要走综合利用的道路。把煤层气或天然气与制氢同化工产品,例如甲醇、醋酸、化肥等生产结合起来。互相辅助,可使生产最大化。
化工制氢
化工制氢
三、利用工业生产的含氢尾气制氢
1、合成氨生产尾气制氢
在合成氨的生产过程中,含氢尾气的回收利用制氢应用广泛。制造合成氨的合成气中含有少量的甲烷不参加化学反应,而且会在生产过程中逐渐累积,因此杂质必须加以排除,与此同时也会把有效气体一起排放。在生产合成氨的同时,对排放气进行回收利用,通过PSA装置提取氢气作为合成氨生产的副产品,可具有极大的经济价值。
2、炼油厂回收富氢气体制氢
炼油厂石油加工过程中有多种副产富氢气体。例如,在催化重整过程中,烃类发生转移反应,副产大量的富氢气体(含氢量高达80%);在加氢精制、加气裂化反应、渣油催化裂化等过程中均有排放气、副产富氢气体产生。采用膜法分离装置或PSA提氢装置,就可使这些富氢气体得到回收利用。因此炼油厂利用富氢回收制氢产量相当可观。这种副产富氢可以回收应用,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(NaCl)为原料,采用离子膜或石棉隔膜电解槽生产烧碱(NaOH)和氯气(Cl2),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%~99.999%),供各行各业使用。
空分设备
空分设备
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一对电极,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。唯一缺点是耗能大,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合物(碳水化合物、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:一类是光合厌氧型产氢细菌、另一类是厌氧型产氢细菌。前一类又称光合菌,它是利用有机酸经过光照之后产生氢气和二氧化碳。后一类又称厌氧菌,它是利用碳水化合物(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。
工业氢气
工业氢气
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,广泛范围内氢以多种形式用于化学工业。石油炼制工业用氢量仅次于合成氨。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。半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。光导纤维的应用和开发是新技术革命的重要标志之一,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,对氢气纯度和洁净度都有很高要求。
 
3、玻璃工业
在玻璃制造工业中广泛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气氛,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。
玻璃制造
玻璃制造
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
氢作为航空燃料的优点有很多,它不仅能满足未来航空燃料的许多要求,最重要的是,氢燃烧对环境基本不产生污染。按单位质量计,氢的燃烧热值(119900-141900kJ/kg)比烃类燃料的燃烧热值大1.8倍。由液氢和液氧组合成的推进剂具有很高的比推力。因此,在空间技术中大量使用液氢。
 
进入21世纪以来中国经济、科技迅速发展,电子工业、精细化工、冶金、食品、浮法玻璃及航天等产业均为国家大力发展的重点产业领域,这些行业的发展状态决定着高纯氢气市场的需求量。我国高纯氢气行业发展空间较大。高纯氢气的用途广泛,随着经济的发展和科技的进步,高纯氢气的应用领域也在不断延伸。另外,除了欧美日等传统的高纯氢气需求区域,印度、巴西、俄罗斯等新兴国家和地区的高纯氢气需求量也快速增长。