氫氣以及高純氫氣的廣泛應(yīng)用

氫氣以及高純氫氣的廣泛應(yīng)用氫氣的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，其中，用量最大的是作為一種重要的石油化工原料，用于生產(chǎn)合成氨、甲醇以及石油煉制過程的加氫。氫氣廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)、冶金工業(yè)、食品加工、浮法玻璃、精細化工和有機合成、航空航天工業(yè)等領(lǐng)域也廣泛應(yīng)用。氫作為能源，是未來發(fā)電、電動汽車用燃料電池的燃料。(一)石油化工氫氣是現(xiàn)代煉油工業(yè)和化學(xué)工業(yè)的基本原料之一，在廣泛范圍內(nèi)氫以多種形式用于石油化學(xué)工業(yè)。我國的合成氨生產(chǎn)的主要原料是煤制氣、天然氣、石腦油和重油，一個1000t/d規(guī)模的合成氨廠，每生產(chǎn)1t氨氨約需氫氣336m3。與合成氨一樣，合成甲醇的氫大部分也是由煤制氣、天然氣、石腦油或重油制取，一個日產(chǎn)千噸級規(guī)模的甲醇廠，每生產(chǎn)1t甲醇約需氫氣560m3。由于甲醇是一種基本有機化工原料，又可作為代替燃料，其需要量日益增長，因而用于甲醇合成的氫氣量也有可能繼續(xù)增長。石油煉制工業(yè)用氫量僅次于合成氨。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、燃料加氫脫硫、改善飛機燃料性能和加氫裂化等方面；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)已烷等方面。催化重整原料的加氫是除石腦油中的硫化物、氮化物、鉛和砷等雜質(zhì)，是石油煉制工業(yè)是最早使用的過程。加氫裂化是在氫氣存在下進行的催化裂化過程，反應(yīng)主要特征是C-C鍵斷裂。選擇性加氫主要用于高溫裂解產(chǎn)物，對乙烯餾分進行氣相加氫，對丙烯餾分采用液相加氫。加氫精制也是除去有害化合物的過程，除硫化氫、硫醇、總硫之外，炔烴、烯烴、金屬和準(zhǔn)金屬等均可在加氫過程中除去。因而，在現(xiàn)代石油化學(xué)加工過程中，利用加氫工藝可以改善石油化學(xué)品的質(zhì)量，增加最有價值的石油化學(xué)品的產(chǎn)量，減少重油殘渣和焦油的生成，降低結(jié)炭量，提高石油加工廠的適應(yīng)性，從石油加工廢物中可以得到很多有價值的石油化學(xué)產(chǎn)品，凈化一系列產(chǎn)品，除去有害雜質(zhì)。氫是現(xiàn)代石油加工工業(yè)產(chǎn)品最通用的交化劑，能提高大型裂化裝置的生產(chǎn)能力。在石油化工領(lǐng)域，還可以用氫和一氧化碳反應(yīng)合成多種有機化合物，如乙二醇的合成、合成聚甲烯、醇的同系化反應(yīng)、與不飽和烴反應(yīng)制醛等。此外，采用選擇加氫，可由醛制醇，炔烴制烯烴，硝基苯加氫制苯胺以及由萘制氫化萘等。(二)電子工業(yè)在一些電子材料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(CVD)技術(shù)中，均要采用氫氣作為反應(yīng)氣、還原氣或保護氣。半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)對氣體純度要求極高，比如氧雜質(zhì)的允許濃度為10-12等。微量雜質(zhì)的“摻入”，將會改變半導(dǎo)體的表面特性，甚至使產(chǎn)品成品率降低或造成廢品。在制造非晶體硅太陽能電池中，也需要用到純度很高的氫氣。非晶硅薄膜半導(dǎo)體是國際上近十年來研制成功的新材料，在太陽能轉(zhuǎn)換和信息技術(shù)等方面已展示出了誘人的應(yīng)用前景。光導(dǎo)纖維的應(yīng)用和開發(fā)已經(jīng)規(guī)模使用，石英玻璃纖維是光導(dǎo)纖維的主要類型，在光纖預(yù)制棒制造過程中，需要采用氫氧焰加熱，經(jīng)數(shù)十次沉積，對氫氣純度和潔凈度都有一定要求。(三)浮法玻璃生產(chǎn)工藝在玻璃工業(yè)中廣泛使用的氣體有氫、乙炔、氧和氮。浮法玻璃生產(chǎn)時，為使錫槽中液態(tài)錫不被氧化，采用氮氫混合氣對錫槽進行保護，需用氣體純度較高，其中氫氣的純度為99.999%。(四)冶金工業(yè)在治金工業(yè)中，氫氣主要用做還原氣，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中，經(jīng)常用氫氣作為保護氣以使金屬不被氧化。(五)食品加工工業(yè)許多天然食用油具有很大度的不飽和性，經(jīng)氫化處理后，所行產(chǎn)品可穩(wěn)定貯存，并能抵抗細菌的生長，提高油的黏度。植物油加氫氫化所用的氫氣，純度要求都很高，一般需嚴(yán)格提純后方可使用。食用油加氫的產(chǎn)品可加工成人造奶油和食用蛋白質(zhì)等。非食用油加氫可得到生產(chǎn)肥皂和畜牧業(yè)飼料的原料。過程包括用氫飽和不飽和酸(油酸、亞油酸等)的甘油脂，將氫引入到液體脂肪或植物油的組成中。(六)空間技術(shù)與燃氣應(yīng)用氫作為航空燃料的優(yōu)點有很多，它不僅能滿足未來航空燃料的許多要求，最重要的是，氫燃料對環(huán)境不產(chǎn)生污染。用氫氣做燃料在許多方面比烴類燃料更優(yōu)越，國外20世紀(jì)60年代開始研制用氫氣作為汽車燃料的問題，常規(guī)內(nèi)燃機經(jīng)少許修改就可用氫氣做燃料。日本對以液氫為燃料的超導(dǎo)磁懸浮列車進行了可行性研究。美國波音公司和劉易斯研究中心對液氫飛機作過可行性研究?？梢灶A(yù)見，不久的將來必然以氫取代烴做燃料。用氫氣和氧氣可進行焊接或金屬、非金屬的熔化。氫氣在氧氣中燃燒的溫度可過3100K，氫通過電弧的火焰時分解成原子氫，原子氫可用于最難熔的金屬、高碳鋼、耐腐蝕材料、有色金屬等的熔融和焊接。用原子氫進行焊接的優(yōu)點在于，氫原子束能防止焊接部位被氧化，使焊接的地方不產(chǎn)生氧化皮。氫作為能源，是未來發(fā)電、電動汽車用燃料電池的燃料。燃料電池是將氫燃料與氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)化效率高，生成物為水，對環(huán)境無污染被譽為“零排放”，氫是人類未來的清潔能源。(七)其他應(yīng)用(1)由于氫具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，在大型發(fā)電機組中經(jīng)常用氫氣做冷卻劑。(2)