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    液空科普小课堂之走近氢气(上篇)

  • 来源: 时间:2020-3-20 10:00

还记得高中化学课里的那个实验吗?将锌颗粒放入稀硫酸溶液的试管中,产生的气体用倒置的试管去收集。收集一试管气体,用拇指堵住管口,口朝下;移近火焰,移开拇指点火,若听到尖锐的爆鸣声,表明气体不纯;要再收集再检验,若听到噗声,表明气体已纯。

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没错,这就是我们所熟悉的氢气。十八世纪,卡文迪许用类似的实验发现了这种气体,之后拉瓦锡将这种气体命名为氢气。


氢 气(Hydrogen)

氢无色,非常轻,其沸点非常的低,常压下达到-252.78°C;因此要将氢气液化,相比一般氮气、氧气的液化,需要更多的能量。氢易与其他化学物质反应,是化工和石油工业非常有用的反应物。氢在大气中的含量很低。


1970年,由于岩石的蛇纹石化,发现海底有着非常多原始的氢能源。但由于极端的地质条件,这种开采似乎不太可能。最近,人们还发现了来自地面的天然氢排放,并正在调查以了解这种氢的来源。今天,天然气或碳氢化合物以及水被用作生产氢气的原料。


此外,氢具有很高的能量含量(120MJ/kg),且释放能量时没有碳排放。这使得它成为未来一个有希望的能源载体。氢与燃料电池中的空气或氧气发生反应,转化为电和热,只释放水。驾驶氢能汽车进行长距离行驶同时不排放废气,这个曾经的梦想已经得以实现。


氢气的安全特性

氢气爆炸极限范围大,与空气混合爆炸下限为4%、上限为75%。无色无味,比空气轻得多(空气密度的0.07),不易被人发觉,易在设备、容器、建筑物的顶部积聚,遇到火种、热源即可发生危险。氢气与有些金属不兼容,易引起材料氢脆。


燃烧时,氢气会产生淡蓝色的几乎看不到的火焰,火花长并窄。氢气火焰很难熄灭,因为余热很容易使氢气在空气中重新起燃。


氢气泄漏时有声音。泄漏不燃烧时,会产生嘶嘶的声音。泄漏燃烧时,会产生一种噪音,类似“喷气发动机”。


安全地使用氢气,需要从使用氢气的系统设计,运行体系上考虑氢气的这些特性。液化空气在氢气设计和使用安全上有着丰富的经验,并专门设计开发了氢气使用安全培训,如有任何需求欢迎随时沟通交流。


氢气的制备

氢气的制备方式主要有煤制氢,蒸汽甲烷重整制氢,甲醇裂解制氢以及水电解制氢四种。


煤制氢

煤制氢主要可以分为煤气化和焦炉气。煤气化 (Coal Gasification) ,是指煤或者焦炭、半焦等固体燃料在高温下和气化剂反应,产生含H2、CO、CO2、CH4、N2等的合成气的过程。氢气是煤气化的其中一种产品。根据用户的实际需要,合成气还可以进一步反应,生成氨气,甲醇,尿素等化工产品。


焦炉气 (Coke Oven Gas) 是指用几种烟煤配成炼焦用煤,在炼焦炉中经高温干馏后, 在产出焦炭和焦油产品的同时所得到的可燃气体, 是炼焦产品的副产品。焦炉气超过90%的成分是氢气和甲烷。


焦炉气经过进一步净化处理后有多种利用方式,其主要用途是:工业与民用燃料、化工原料、还原剂直接还原炼铁、制氢。


无论是焦炉气制氢还是煤气化制氢,其原材料来自于煤,我国是世界焦炭产量最大的国家,规模大,成本低廉。但是,由于焦炉气用途较广,生产厂商往往通过比较各种用途产生的持续经济效益,来评估并决定产出氢气的价值。另外,由于原材料是煤,其组分较为复杂,氢气中的不纯物也难以控制。对于一些需要高纯度氢气的用户,比如电子工业的用户,对采用该类方式制得的氢气会比较谨慎。


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蒸汽甲烷重整制氢

蒸汽甲烷重整制氢又称天然气制氢,在蒸汽重整的工艺流程中,脱硫后的天然气与水蒸气混合后预热或经过预重整,然后在专有的顶烧蒸汽重整炉中经过催化生成氢气、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)。根据终端用户的需要,可以将一氧化碳与水蒸气反应生成额外的氢气和二氧化碳,也可以直接生成氢气和一氧化碳。氢气通过变压吸附装置提纯。


天然气制氢一般规模较大,几千甚至上万标立每小时。提纯方式以变压吸附居多。由于变压吸附没有除氮的功能,因此天然气制氢结合变压吸附纯化的工艺生产出来的氢气虽然纯度已经较高,但氢气中的氮含量取决于天然气中的氮含量。


甲醇裂解制氢

将甲醇与水按一定比例混合、加热汽化并过热,达到一定的温度和压力,在这种条件下混合过热气通过催化剂作用,同时发生催化裂解反应以及一氧化碳变换反应,最终生成氢、二氧化碳及残存的少量一氧化碳等的混合气体。后续经过变压吸附等提纯技术,能够产生高纯度的氢气。


甲醇裂解制氢的规模比天然气制氢的规模要小,一般是几百到几千标立每小时的规模。由于其原材料为甲醇和水,因此反应后的不纯物比较容易控制,对于生产符合国标定义的99.999%高纯氢气,该种方式是比较适合的。


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水电解制氢

水电解制氢的原理是水分子在电极上发生电化学反应,阴极反应产生氢气,阳极反应产生氧气。


水电解制氢由于其原材料比较单一,因此最后产品中的杂质也相对可控,可以制得高纯度的氢气。但是,其制取氢气的电耗较高,在没有低廉电价的情况下,运行成本比较高。

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