還記得高中化學課里的那個實驗嗎?將鋅顆粒放入稀硫酸溶液的試管中,產生的氣體用倒置的試管去收集。收集一試管氣體,用拇指堵住管口,口朝下;移近火焰,移開拇指點火,若聽到尖銳的爆鳴聲,表明氣體不純;要再收集再檢驗,若聽到噗聲,表明氣體已純。
沒錯,這就是我們所熟悉的氫氣。十八世紀,卡文迪許用類似的實驗發現了這種氣體,之后拉瓦錫將這種氣體命名為氫氣。
氫無色,非常輕,其沸點非常的低,常壓下達到-252.78°C;因此要將氫氣液化,相比一般氮氣、氧氣的液化,需要更多的能量。氫易與其他化學物質反應,是化工和石油工業非常有用的反應物。氫在大氣中的含量很低。
1970年,由于巖石的蛇紋石化,發現海底有著非常多原始的氫能源。但由于極端的地質條件,這種開采似乎不太可能。最近,人們還發現了來自地面的天然氫排放,并正在調查以了解這種氫的來源。今天,天然氣或碳氫化合物以及水被用作生產氫氣的原料。
此外,氫具有很高的能量含量(120MJ/kg),且釋放能量時沒有碳排放。這使得它成為未來一個有希望的能源載體。氫與燃料電池中的空氣或氧氣發生反應,轉化為電和熱,只釋放水。駕駛氫能汽車進行長距離行駛同時不排放廢氣,這個曾經的夢想已經得以實現。
氫氣的安全特性
氫氣爆炸極限范圍大,與空氣混合爆炸下限為4%、上限為75%。無色無味,比空氣輕得多(空氣密度的0.07),不易被人發覺,易在設備、容器、建筑物的頂部積聚,遇到火種、熱源即可發生危險。氫氣與有些金屬不兼容,易引起材料氫脆。
燃燒時,氫氣會產生淡藍色的幾乎看不到的火焰,火花長并窄。氫氣火焰很難熄滅,因為余熱很容易使氫氣在空氣中重新起燃。
氫氣泄漏時有聲音。泄漏不燃燒時,會產生嘶嘶的聲音。泄漏燃燒時,會產生一種噪音,類似“噴氣發動機”。
安全地使用氫氣,需要從使用氫氣的系統設計,運行體系上考慮氫氣的這些特性。液化空氣在氫氣設計和使用安全上有著豐富的經驗,并專門設計開發了氫氣使用安全培訓,如有任何需求歡迎隨時溝通交流。
氫氣的制備
氫氣的制備方式主要有煤制氫,蒸汽甲烷重整制氫,甲醇裂解制氫以及水電解制氫四種。
煤制氫
煤制氫主要可以分為煤氣化和焦爐氣。煤氣化 (Coal Gasification) ,是指煤或者焦炭、半焦等固體燃料在高溫下和氣化劑反應,產生含H2、CO、CO2、CH4、N2等的合成氣的過程。氫氣是煤氣化的其中一種產品。根據用戶的實際需要,合成氣還可以進一步反應,生成氨氣,甲醇,尿素等化工產品。
焦爐氣 (Coke Oven Gas) 是指用幾種煙煤配成煉焦用煤,在煉焦爐中經高溫干餾后, 在產出焦炭和焦油產品的同時所得到的可燃氣體, 是煉焦產品的副產品。焦爐氣超過90%的成分是氫氣和甲烷。
焦爐氣經過進一步凈化處理后有多種利用方式,其主要用途是:工業與民用燃料、化工原料、還原劑直接還原煉鐵、制氫。
無論是焦爐氣制氫還是煤氣化制氫,其原材料來自于煤,我國是世界焦炭產量最大的國家,規模大,成本低廉。但是,由于焦爐氣用途較廣,生產廠商往往通過比較各種用途產生的持續經濟效益,來評估并決定產出氫氣的價值。另外,由于原材料是煤,其組分較為復雜,氫氣中的不純物也難以控制。對于一些需要高純度氫氣的用戶,比如電子工業的用戶,對采用該類方式制得的氫氣會比較謹慎。
蒸汽甲烷重整制氫
蒸汽甲烷重整制氫又稱天然氣制氫,在蒸汽重整的工藝流程中,脫硫后的天然氣與水蒸氣混合后預熱或經過預重整,然后在專有的頂燒蒸汽重整爐中經過催化生成氫氣、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)。根據終端用戶的需要,可以將一氧化碳與水蒸氣反應生成額外的氫氣和二氧化碳,也可以直接生成氫氣和一氧化碳。氫氣通過變壓吸附裝置提純。
天然氣制氫一般規模較大,幾千甚至上萬標立每小時。提純方式以變壓吸附居多。由于變壓吸附沒有除氮的功能,因此天然氣制氫結合變壓吸附純化的工藝生產出來的氫氣雖然純度已經較高,但氫氣中的氮含量取決于天然氣中的氮含量。
甲醇裂解制氫
將甲醇與水按一定比例混合、加熱汽化并過熱,達到一定的溫度和壓力,在這種條件下混合過熱氣通過催化劑作用,同時發生催化裂解反應以及一氧化碳變換反應,最終生成氫、二氧化碳及殘存的少量一氧化碳等的混合氣體。后續經過變壓吸附等提純技術,能夠產生高純度的氫氣。
甲醇裂解制氫的規模比天然氣制氫的規模要小,一般是幾百到幾千標立每小時的規模。由于其原材料為甲醇和水,因此反應后的不純物比較容易控制,對于生產符合國標定義的99.999%高純氫氣,該種方式是比較適合的。
水電解制氫
水電解制氫的原理是水分子在電極上發生電化學反應,陰極反應產生氫氣,陽極反應產生氧氣。
水電解制氫由于其原材料比較單一,因此最后產品中的雜質也相對可控,可以制得高純度的氫氣。但是,其制取氫氣的電耗較高,在沒有低廉電價的情況下,運行成本比較高。
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