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在常溫和常壓下,氫氣是一種**容易燃燒、有顏色、光亮、無味、不溶于水的氣體。氫也是**上已知密度小的氣體。它的密度只有空氣的1/14,所以氫氣可以用作飛艇和氫氣球的充氣氣體。然而,由于其可燃性和低**性,氦氣經(jīng)常被用于填充氣球飛艇。高純氫是指純度等于或大于9999%的氫,是一種**重要的石油化工原料,高純氫應(yīng)用于合成氨、甲醇的生產(chǎn)和石油煉制過程的加氫。氫氣還可應(yīng)用于電子工業(yè)、冶金工業(yè)、食品加工、醫(yī)療中間體、浮法玻璃制造、精細**合成、航空航天等領(lǐng)域。
而且近年來,隨著大規(guī)模對制氫需求的提高,以及科技技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了-些**的、成本低廉的、新技術(shù)型的制氫方法,例如,生物制氫熱化學(xué)制氫太陽光催化光解制氫等方法應(yīng)運而生。它們將逐漸成為大規(guī)模制氫方法的主流。不過現(xiàn)在工業(yè)上-般從天然氣或水煤氣制氫氣,而不采用高耗能的電解水的方法。
氫氣的制取開發(fā)及利用
一、煤、焦炭汽化制氫
我國是**上煤炭儲量和煤炭產(chǎn)量大的國家,所以我們可以用煤作為原料制氫,這可以占到我們制氫總產(chǎn)量的一半以上。在煤制氫過程中,需要先產(chǎn)生一氧化碳和水的合成氣,如焦爐氣、水氣和半水氣。第二步是通過變壓吸收法(簡稱PSA法)和膜分離法將-氧化碳和水的合成氣轉(zhuǎn)化為二氧化碳和氫氣。在許多情況下,石化、鋼鐵、焦化工業(yè)也是重要的副產(chǎn)物。它們現(xiàn)在也經(jīng)常采取循環(huán)經(jīng)濟的形式,作為這些企業(yè)的重要化學(xué)原料或燃料。
二、天然氣、石油化工轉(zhuǎn)化制氫
將天然氣和石油化學(xué)品轉(zhuǎn)化為氫的原理與將煤汽化和將碳焦化為氫的原理是一樣的,但生產(chǎn)過程的細節(jié)是不同的。天然氣和石油產(chǎn)品也可以產(chǎn)生一氧化碳和水的合成氣,再通過PSA或膜分離法轉(zhuǎn)化為二氧化碳和氫氣,從而生產(chǎn)出高純氫氣。目前,從煤、焦炭或天然氣制氫往往走綜合利用的道路。將煤層氣或天然氣與制氫結(jié)合,并生產(chǎn)甲醇、醋酸和化肥等化工產(chǎn)品。互助可以使生產(chǎn)大化。
三、利用工業(yè)生產(chǎn)的含氫尾氣制氫
1、合成氨生產(chǎn)尾氣制氫
在合成氨生產(chǎn)過程中,含氫尾氣的回收利用被應(yīng)用于制氫。用于制氨的合成氣中含有少量的甲烷,甲烷不參與化學(xué)反應(yīng),在生產(chǎn)過程中積累,因此必須去除雜質(zhì),排出可用氣體。在合成氨生產(chǎn)過程中,通過PSA裝置回收合成氨生產(chǎn)的廢氣,提取合成氨生產(chǎn)的副產(chǎn)物氫,具有很大的經(jīng)濟價值。
2、煉油廠回收富氫氣體制氫
石油加工過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物氬氣種類繁多。例如,在催化重整過程中,碳氫化合物發(fā)生轉(zhuǎn)移反應(yīng),同時產(chǎn)生大量富氫氣體(氬氣含量高達80%)。加氫精煉、加氣裂化反應(yīng)和剩余催化裂化過程中產(chǎn)生的廢氣和副產(chǎn)物富氫氣體。這些富氫氣體可采用膜分離裝置或PSA抽氫裝置進行回收。因此,煉油廠可以通過回收富氫來生產(chǎn)相當數(shù)量的氫。這種副產(chǎn)品富氫可以回收利用,也是煉油廠循環(huán)經(jīng)濟的重要組成部分。
3、氯堿廠回收副產(chǎn)氫制氫
氯堿廠以食鹽水( NaCI )為原料,采用離子膜或石棉隔膜電解槽生產(chǎn)燒堿( NaOH)和氯氣( CI2) , 同時可得到副產(chǎn)品氫氣。把這類氫氣再去掉雜質(zhì),可制得純氫。我國許多氯堿廠都采用PSA法進行提氫裝置處理,可獲得高純度氫氣(氫純度可達99%-~9.999%) , 供各行各業(yè)使用。
四、電解水制氫
現(xiàn)在電解水制氫是傳統(tǒng)的制氫方法,技術(shù)成熟、設(shè)備簡單、運行可靠、 管理方便、 不產(chǎn)生污染、可制得氫氣純度高、雜質(zhì)含量少,適用于各種應(yīng)用場合。制氫原理相當簡單,由浸沒在電解液中的對電極,以及中間隔一層防止氫氣滲透的隔膜,構(gòu)成水電解室。電解液一般是含有30%左右氫氧化鉀( KOH)的溶液,當接通直流電后,水就分解為氫氣和氧氣。缺點是耗能大 ,制氫成本高。
五、生物制氫
生物制氫是通過**產(chǎn)氫**的作用,把自然界存在于**化臺物(碳水化臺物、蛋白質(zhì)等)的能量轉(zhuǎn)化為氫氣。也就是利用產(chǎn)氫微生物制氫。
能夠產(chǎn)氫的微生物分為兩類:-類是光臺厭氧型產(chǎn)氫**、另一類是厭氧型產(chǎn)氫**。前一又稱光臺菌,它是利用**酸經(jīng)過光照之后產(chǎn)生氫氣和二氧化碳。后-又稱***,它是利用碳水
化臺物(單糖、二糖或多糖等)、蛋白質(zhì)等發(fā)酵 ,產(chǎn)生氫氣、二氧化碳和**酸,其中**酸還可利用光合菌在光照下產(chǎn)生氫氣和二氧化碳。
六、熱化學(xué)制氫
所謂熱化學(xué)制氫是指在一定溫度條件下 ,直接利用熱使水通過一定的化學(xué)反 應(yīng)過程進行分解來制取氫e氣。直接用熱使水分解是**困難的,熱化學(xué)法則是借助于復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程,通過某些裝置把熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,制取氫氣。
七、太陽光催化分解水制氫
前面已經(jīng)提到,利用太陽能制氫是未來獲得氫能的基本途徑。例如,利用太陽能熱,可以通過熱化學(xué)方法分解水來制取氫能;利用太陽熱或太陽光發(fā)電,可以通過電分解水來制取氫能;利用太陽光,可以通過產(chǎn)氫微生物對**物的作用來制取氫能。在太陽光作用下,當有光催化劑存在時,可以使水分解為氫氣和氧氣。
氫氣在各行各業(yè)的應(yīng)用
1.石油化工工業(yè)
氫氣是現(xiàn)代煉油工業(yè)和化學(xué)工業(yè)的基本原料之一, 范圍內(nèi)氫以多種形式用于化學(xué)工業(yè)。石油煉制工業(yè)用氫量次于合成氨。在石油煉制過程中,氫 氣主要用于石腦油加氫脫硫、粗柴油加氫脫硫燃料油加氫脫硫、改善飛機燃料的無火焰高度和加氫裂化等方面;在石油化工領(lǐng)域,氫氣主要用于C3餾分加氫、汽油加氫、C6 - C8餾分加氫脫烷基以及生產(chǎn)環(huán)己烷等方面。
2.電子半導(dǎo)體工業(yè)
在晶體的生長與襯底的制備、氧化工藝外延工藝中以及化學(xué)氣相淀積技術(shù)中,均要用到氫氣。導(dǎo)體工業(yè)對氣體純度要求極高,微量雜質(zhì)的“摻人”, 將會改變半導(dǎo)體的表面特性。光將纖維的應(yīng)用和開發(fā)是新技術(shù)的重要標志之一,石英玻璃纖維 是光導(dǎo)纖維的主要類型,在制造過程中,需要采用氫 氧焰加熱,經(jīng)數(shù)十次沉積,對氫純度和潔凈度都有很高要求。
3.玻璃工業(yè)
在玻璃制造工業(yè)中使用的氣體有氫氣和氮氣。在浮法玻璃成形設(shè)備中裝有熔融的錫液,它極易被氧化,生成氧化錫,造成玻璃沾錫,增加錫的消耗量,因此需要將錫槽密封,并連續(xù)不斷送人純凈2-8%氫氮混合氣,維持槽內(nèi)正壓與還原氛,保護錫液不被氧化。四、 冶金工業(yè)、在冶金工業(yè)中,氫氣主要用作還原氣,以便將金屬氧化物還原成金屬。氫氣除了用于還原若干種金屬氧化物以制取純金屬外,在高溫鍛壓一些金屬器材時 ,氫氣作為保護氣以使金屬不被氧化。
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