常见水电解制氢在工业中的应用


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利用金属氢化物吸氢放热、脱氢吸热的性质,可以建立热泵循环或热吸附压缩机。还可利用金属氢化物来贮存氢能。氢气的应用领域用量最广泛的是作为一种重要的石油化工原料,用于生产合成氨、甲醇以及石油炼制过程的加氢反应,在浮法玻璃、 电子工业、食品工业、 冶金工业、精细有机合成、航空航天工业等领域。


电子工业


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(CVD)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。

电子工业中多晶硅的制备需要用到氢。当硅用氯化氢生成三氯氢硅SiHCl3后,经过分馏工艺分离出来,在高温下用氢还原,达到半导体需求的纯度;

当用于氢氧合成氧化,常压下将高纯氢与高纯氧通人石英管内,使之在一定的温度下燃烧,生成纯度很高的水,水汽与硅反应生成高质量的SiO2膜。

在外延工艺中,用于硅气相外延:四氯化硅或三氯氢硅在加热的硅衬底表面与氢发生反应,还原出硅沉积到硅衬底上,生成外延层上述过程对氢的纯度要求很高

在电真空材料和器件如钨和钼的生产过程中,用氢气还原氧化物粉末,再加工制成线材和带材,若其中所用的氢气的纯度越高,水含量越低,还原温度越低,所得钨、钼粉末就越细。对氢闸管、离子管、激光管等各种充气电子管的填充气体纯度要求更高,显像管制造中所使用的氢气纯度大于99.99%。

在制造非晶硅太阳电池中,也用到纯度很高的氢气。

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。


浮法玻璃生产


在玻璃工业中广泛使用的气体有氢和氮。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。



石油化工



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。合成氨、甲醇用的氢大部分是由天然气、石脑油或重油的蒸汽转化或部分氧化制取。

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。

催化重整原料的加氢是除去石脑油中的硫化物、氮化物、铅和砷等杂质,是石油炼制工业中最早使用的过程。柴油馏分和重质馏分的加氢脱硫操作压力为3-4MPa,温度340-380℃。燃料油加氢脱硫主要是由于环保的要求,因为空气污染95%是由于燃料油燃烧时放出的SO2引起的,加氢脱硫耗氢量大,工艺上可采用直接或间接脱硫。加氢裂化是在氢气存在下进行的催化裂化过程,反应主要特征是C-C键断裂,空速低,所用氢气量大。选择性加氢主要用于高温裂解产物,对乙烯馏分进行气相加氢,对丙烯馏分采用液相加氢,汽油馏分中富含二烯烃、烯烃和芳香烃,这类化合物在与空气接触时会产生胶质,故一定要进行加氢处理,将不稳定化合物转化成稳定的产物。

加氢精制也是除去有害化合物的过程,除硫化氢、硫醇、总硫之外,炔烃、烯烃、金属和准金属等均可在加氢过程中除去。因而,在现代石油化学加工过程中,利用加氢工艺可以改善石油化学品的质量,增加有价值的石油化学品的产量.减少重油残渣和焦油的生成,降低结碳量,提高石油加工厂的适应性,从石油加工废物中可以提炼出很多有价值的石油化学产品,净化一系列产品,除去有害杂质。氢是现代石油化工工业产品最通用的净化剂.

在石油化工领域,还可以用氢和一氧化碳反应合成多种有机化合物,如乙二醇的合成、合成聚甲烯(poly methylen)、,醇的同系化反应、与不饱和烃反应制醛等。用费托法可以合成各种烃,包括发动机燃料和一系列有价值的单一有机化合物,如固体石蜡、含氧化合物等

采用选择加氢,可由醛制醇,炔烃制烯烃,甲苯脱烷基制苯,硝基苯加氢制苯胺以及由萘制氢化萘等。在轻化工行业中所使用的二苯基亚甲基二异氰酸酯(MDI)、甲苯二异氰酸酯(TDI)、己二酸、脂肪醇等都需要采用催化加氢工艺。氢气纯度不同对加氢装置能耗有较大影响,如95%的氢和99%氢用于柴油加氢对比,前者能耗为后者的1.35倍。氢气中含有的两类杂质对生产不利,一类是使催化剂中毒的杂质(如O,H2S),一类是惰性物质(如甲烷、氮气、烃类),有毒杂质会使催化剂活性下降。



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。


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。


空间技术与燃气应用


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,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。

用氢气和氧气可进行焊接。氢气在氧气中燃烧的温度可达3100K,氢通过电弧的火焰时分解成原子氢,生成的原子氢飞向熔接表面,金属依靠吸收原子氢的热被进一步加热、熔化,使金属焊接表面的温度高达3800-4300K。这种原子氢可用于最难熔的金属、高碳钢、耐腐蚀材料、有色金属等的熔融和焊接。用原子氢进行焊接的优点在于,氢原子束能防止焊接部位被氧化,使焊接的地方不产生氧化皮。

氢气还可以用作燃料电池的燃料。燃料电池是将燃料和氧化剂的化学能直接转化为直流电能的装置.

由于氢具有较高的导热系数,在大型发电机组中经常用氢气作冷却剂。又由于氢是除氦以外具有极低沸点的气体,液态氢在真空中蒸发可获得14-15K的低温,因而,在需要获得超低温的科学研究中,常用氢作制冷剂。此外,在气相色谱分析中经常用氢气作载气。由于氢密度低,还可以用于充填气球和飞艇。