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氫氣的用途(第一篇):工業

如今,人們將氫氣的重點放在其作為天然氣加熱和發電替代品的潛在用途上,這一點很重要,也是可以理解的。它的主要優點被認為是高熱值和燃燒產物的“無碳”性,簡單地說是水。

為了能夠充分利用氫氣的這兩大優點,人們正在作出重大努力,以大量生產成本效益高的氫氣,并試圖設計一些方法,以擺脫簡單燃燒氫氣的一些缺點,包括:

火焰溫度高(導致氮氧化物產量增加);

火焰速度高(增加不穩定火焰的可能性);

壓縮困難(由于氫氣分子量低以及容易泄漏,離心式壓縮機無法正常工作);

大規模儲存(與天然氣相比,其熱值低,意味著必須為相同的能量儲存更多的氣體);

點火能量低(增加了意外點火的傾向)。

1650年,當時梅耶恩第一次把稀硫酸倒在鐵上,產生了一種“易點燃空氣”的氣體,氫氣就已經產生了。直到1783年,賈克斯·查爾斯制造了一個足夠大的氫氣球,載著他和一位同事在海拔550米的高空飛行了36公里,人們才意識到氫氣還有其他用途。然而,隨后的三個發現確實打開了其作為化學用途的可能性。這三個發現分別是氫化(1897年)、哈伯制氨工藝(1910年)和加氫裂化(1920年)。

今天,氫被認為是一種優質產品,其純度約為99.999%。它的角色十分廣泛,本文將介紹其中的一些角色。

煉油廠

氫氣在煉油廠的被用在各種加氫脫硫(HDS)和加氫裂化操作中。HDS是一種催化化學工藝,廣泛用于從天然氣和精煉石油產品(如汽油、噴氣燃料、煤油、柴油和燃油)中除去硫。加氫裂化是一種將重油煉油產品在氫和催化劑的作用下分解成較小分子(柴油或汽油等蒸餾物)的工藝。

英國煉油廠氫氣生產總量達到了156563 Nm3/h,相當于超過10萬噸/天。這一數字很可能會繼續增加,因為最近的立法禁止船舶使用高硫殘油,會影響傳統上出售這些重油的市場,運輸用柴油和汽油之間的平衡將重新調整。

合成氨

哈伯-博施法是當今生產氨的主要工業方法,它在金屬催化劑和一定的溫度壓力條件下直接將氫和氮結合生成氨。氨(NH3)用于生產硝酸銨,它是一種化肥,同時是許多家庭清潔產品的一部分。合成氨是氫氣目前僅次于煉油廠的第二大應用。

簡單地說,這一過程需要將氮和氫以1:3的比例混合,在一定壓力和溫度下,將其置于含有催化劑的容器中。最常用的是以鐵為基礎催化劑,通過K2O、CaO、SiO2和Al2O3等改良催化劑。反應通常發生在15-25MPa(150-250bar)和400-500℃之間。混合氣體通常通過四個催化劑床,在每一道冷卻床之間進行冷卻,以保持合理的反應平衡常數。每次通過一個催化劑床時,只有大約15%的氣體轉化成氨:液氨被脫除,未反應的氣體通過壓縮機循環利用。在現代工廠中,總轉化率可達到97%以上。

氨廠制氫一般采用甲烷水蒸汽重整(SMR)技術(圖1)(注:不同國家和地區有所區別),隨著項目規模越大,越能發揮規模優勢。公認的世界上最大的單列氨工廠位于沙特阿拉伯Al-Jubail,它每天產生1300噸氫氣,歸Al Jubail化肥公司所有。

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圖1 合成氨流程

還原金屬礦石

氫在商業上還被用來從礦石(黑鎢礦、白鎢礦和鎢鐵礦)中提取鎢。同樣的概念也可用于從黑銅礦和錐黑銅礦(氧化銅,CuO)中生產銅。

利用氫氣直接還原鐵(DRI)是一個尚未得到大規模應用的方法,其優點是高爐煤氣(BFG)主要由水蒸氣和氮氣組成,只有少量的二氧化碳。瑞典一個由瑞典鋼鐵工業聯合會(SSAB)運營的鋼鐵廠,計劃采用一種叫做Hybrit的工藝建造一個DRI試驗廠。如果試點成功,有望在2025年開始擴大到50萬噸/年的示范能力,計劃在2035年完成整個示范工程。

從理論上講,氫還可以作為還原劑來生產銀、金和鉑等金屬,但尚不適用于商業用途。

生產鹽酸

鹽酸(HCl)的大規模生產幾乎總是與其他化學品的工業規模化生產相結合,可以變相的看做是一種副產品。然而,純氯氣可以直接與氫結合,在紫外光的照射下直接生成氯化氫。這是一種高度放熱反應,很少用于商業生產氯化氫。

氫化劑

氫被用來把不飽和脂肪轉化為飽和油和脂肪。例如,食品工業使用氫來制造氫化植物油,如人造黃油和黃油。

飽和油和脂肪的加氫是一個間歇過程,發生在一個加熱罐(見圖2)中。進料油(如葵花籽或橄欖油)被泵入加熱的壓力容器,并在加熱時保持真空以抑制氧化。將溫度升高到140-250℃,攪拌混合物以確保溫度均勻。將與少量油混合的鎳催化劑固體泵入反應容器中,接著送入氫氣,這將使壓力達到2.7-4 barg。加氫反應為放熱反應,因此去除外部加熱并冷卻,劇烈攪拌,確保溫度保持在70-80℃范圍內。40-60分鐘后,氫化油混合物被泵出,形成漿狀物,催化劑固體在過濾器中去除。冷卻到室溫可以使氫化油凝固。

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圖二 反應容器

原子氫焊接

原子氫焊接(AHW)是一種在氫氣的保護氣氛中,兩個金屬鎢電極之間的電弧焊的工藝,可用于焊接難熔金屬和鎢。

氫氣作為冷卻劑

許多現代大型發電機使用氫氣作為轉子冷卻劑,其壓力約為4bar。其優點是:

低密度(比空氣低的風阻損失,約10%);

高導熱性(減小冷卻器尺寸);

高比熱容;

它比空氣清潔,因此降低套管電阻的可能性較小。

作為搜索氣體

由于氫氣對環境的影響小于過去使用的基于CCLF3的氣體,因此許多制造廠都使用氫氣來檢查泄漏情況。氫可以單獨使用,也可以與其他元素一起使用。

甲醇生產

甲醇可以由合成氣(一氧化碳和氫氣)在涂有銅和鋅氧化物的氧化鋁顆粒催化劑固定床反應器中生產。甲醇也可以通過氫和二氧化碳的直接結合來進行制備:近年來,這種反應一直備受關注,因為它提供了將大氣中的二氧化碳轉化為化石燃料的可能性。

而其挑戰在于過程的熱力學效率(如何使最終甲醇中的有用能量比生產甲醇所需的總工藝能量更多)。大部分的工作都集中在尋找一種好的催化劑上,這樣甲醇就可以以高效的速度在高選擇性的條件下生產出來。US4的研究人員發現,鈀和銅的結合分散在多孔支撐材料上的催化劑納米粒子可以產生最有效的轉化,用于增加催化劑的表面積。一個核桃大小的催化劑顆粒,內部表面積類似于一個足球場。

在這個過程中,氫氣和二氧化碳被泵入到裝有催化劑的反應容器的密封室中,被加熱到180-250℃。二氧化碳到甲醇的最大轉化率約為24%。未轉化的二氧化碳和氫氣被回收并返回容器內。目前還沒有該過程的整體熱力學效率的報道。

制造過氧化氫

過氧化氫是臨床和醫院常用的常規殺菌劑。它是一種強氧化劑,特別適用于清洗傷口、切口和其他受損組織部分。它還用于漂白頭發、美白牙齒和去除衣服上的污漬。在研究中,H2O2也被用于檢測過氧化氫酶等酶的抗氧化能力。

過氧化氫通常是在一個多步驟、能源密集型的制造過程,需要大規模生產,并以高度濃縮的形式運輸和儲存。制造過程涉及到以蒽醌(Q)為氫載體,與大氣中的O2反應。第一步是氫化,鈀催化條件下氫和蒽醌反應生成H2Q。在第二步中,鈀催化劑從溶液中過濾出來。接下來,通過向溶液中吹入空氣來氧化溶液,形成H2O2,并釋放出蒽醌。最后,在液-液萃取塔中除去過氧化氫,并通過真空蒸餾濃縮。

最近,英國和美國的研究人員開發了一種按需生產過氧化氫的方法,該方法通過一個簡單的一步過程,允許在現場以少量氫和氧直接生產稀釋的過氧化氫。這可以使它更容易走進世界欠發達地區,在那里可以用來凈化水。含有鈀和六個其他元素的雙金屬化合物可以有效催化氧的氫化,形成過氧化氫。

作為還原劑

氫是氧化還原反應的關鍵元素。例如,它被用于平板玻璃的制造,以防止形成氧化亞錫(SnO)。

化學分析

氫用于各種化學分析方法。這些方法包括原子吸收光譜法,在這里氫被用作燃料來產生熱量,同時產生中性原子。

氣相色譜

氫是氣相色譜中可用作載相的氣體之一,用于分離揮發性物質。

氣象氣球

因為氫比其他氣體輕,所以氣象學家仍然把它用于高空氣象氣球。

能量載體

氫氣不是能源,而是以可用的形式儲存和輸送能量。除了用于加熱和CHP外,它還用作氫燃料電池的燃料,在汽車、火車、輪船和自行車等運輸工具中使用。

文/七喜

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