我國氫氣資源綜合利用現(xiàn)狀研究與分析

王在花　趙燕　郭珺

摘 要：氫氣作為一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源，廣泛應(yīng)用于石油化工和電子工業(yè)等行業(yè)。本文綜述了各領(lǐng)域?qū)錃赓Y源的利用情況，分析指出現(xiàn)如今面臨的主要問題并提出相應(yīng)的對策，希望能夠?yàn)闅錃赓Y源整體利用效率優(yōu)化工作提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：氫氣;清潔能源;石油化工;電子工業(yè);冶金工業(yè)

在我國各行各業(yè)適應(yīng)清潔生產(chǎn)且質(zhì)量升級的大環(huán)境下，氫氣作為一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源，其需求量與日俱增。目前，氫氣廣泛應(yīng)用于石油化工、電子工業(yè)、浮法玻璃、冶金工業(yè)、食品工業(yè)、空間技術(shù)與燃?xì)鈶?yīng)用等領(lǐng)域。

1 氫氣資源在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用情況

1.1 石油煉制

石油煉制過程中的氫工藝主要是為了增加重質(zhì)餾分油中的氫含量及通過減少分子質(zhì)量生產(chǎn)較輕的組分。同時(shí)，可以除去硫化物、氮化物、鉛和砷等雜質(zhì)[1]。

加氫裂化是一種在氫氣存在下進(jìn)行的催化裂化工藝。在加氫裂化過程中，主要發(fā)生脫氫、裂化、異構(gòu)化和烷基化反應(yīng)[2]。其中脫氫反應(yīng)主要用于石腦油加氫脫硫、粗柴油加氫脫硫、燃油加氫脫硫、以及提高飛機(jī)燃料的無焰高度等。加氫精制工藝可以提高石油化工產(chǎn)品的質(zhì)量，增加有價(jià)值的石油化工產(chǎn)品的產(chǎn)量，減少焦油和重油渣油的生成，減少焦炭的產(chǎn)量，提高石油加工廠的適應(yīng)性。從石油加工廢渣中回收部分有價(jià)值的石油化工產(chǎn)品，對一系列產(chǎn)品進(jìn)行凈化，去除有害雜質(zhì)。催化重整原料加氫可以脫除石腦油中的硫化物、氮化物、鉛和砷。燃料油加氫脫硫主要是為了滿足環(huán)境要求，因?yàn)榭諝馕廴局饕怯扇剂嫌腿紵尫诺亩趸蛞鸬摹?/p>

選擇性加氫主要用于高溫裂解產(chǎn)物，其中乙烯餾分需采用氣相加氫、丙烯餾分需采用液相加氫。汽油餾分富含二烯烴、烯烴和芳香烴等，他們與空氣接觸時(shí)會產(chǎn)生膠質(zhì)，因此，必須進(jìn)行氫化反應(yīng)，將不穩(wěn)定的化合物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的產(chǎn)物。

1.2 化工行業(yè)

在化工行業(yè)，氫氣主要用于C3餾分加氫、汽油加氫、C6-C8餾分加氫脫烷基和環(huán)己烷的生產(chǎn)。此外，選擇性加氫還可用于醛制醇，炔烴制烯烴，甲苯脫烷基制苯，硝基苯加氫制苯胺以及萘制氫化萘等工藝中。輕化工行業(yè)中所用到的己二酸、脂肪醇等也都需要采用催化加氫工藝來制備。

氨合成中使用的氫主要是由天然氣、石腦油和重油的蒸汽轉(zhuǎn)化或部分氧化產(chǎn)生的。其中75-80%來自天然氣、石腦油或液化石油氣，10～15%是由重燃油的部分氧化制得，5%是由煤制取。

合成氣的主要成分是氫和一氧化碳。合成氣通過重整可以供應(yīng)民用燃?xì)?，也可以通過甲烷化生產(chǎn)合成天然氣（SNG）[3];合成氣還可以生產(chǎn)化肥和甲醇，直接生產(chǎn)乙二醇等。

煤精制過程也需要大量的氫。煤的直接液化過程需要大量的氫作為中間原料，氫可以直接與煤反應(yīng)，也可以轉(zhuǎn)化為供熔劑煤液化或加氫提取的載氫溶劑，當(dāng)加入一定量的分子氫時(shí)，其與化和氫反應(yīng)。這一過程稱為短期加氫，產(chǎn)品主要是瀝青或溶劑精制煤。

2 氫氣資源在其他領(lǐng)域的應(yīng)用情況

2.1 電子工業(yè)

在大規(guī)模、超大規(guī)模和兆位級集成電路的制造中，以高純氫和超高純氫為基氣，配置SiH4/H2、PH3/H2、B2H6/H2等混合外延和摻雜氣體;半導(dǎo)體工業(yè)需要非常高純度的氫氣，微量雜質(zhì)的“摻雜”將改變半導(dǎo)體的表面特性;多晶硅的制備也需要?dú)洌?dāng)硅和氯化氫形成三氯化硅（SiHCl3）時(shí)，采用分餾法分離，后在高溫下氫還原，達(dá)到半導(dǎo)體要求的純度。在氧化過程中，石英管在常壓下注入高純氫和高純氧，使其在一定溫度下燃燒，生成高純水，水蒸氣與硅反應(yīng)，生成高質(zhì)量SiO2膜。在外延過程中，氫用于硅氣相外延。SiCl4或SiHCl3在被加熱的硅基片表面與氫反應(yīng)，還原出硅沉積在硅基片上形成外延層。

SiCl4+2H2→Si+4HCl SiHCl3+H2→Si+3HCl

上述工藝需要高純度的氫，如果含有甲烷，則會在外延層中形成碳化硅，造成缺陷。

在生產(chǎn)電真空材料和設(shè)備器件的過程中，以鎢和鉬為例，氧化粉末被氫還原，然后加工成線和帶。氫氣純度越高，含水量越低，還原溫度越低，鎢和鉬粉末越細(xì)。氫閘流管、離子管、激光管等充氣電子管的填充氣體純度要求較高，例如在顯象管制造中所用的氫氣純度大于99.99%。

非晶硅太陽能電池的制造也需要高純度的氫。目前，已有研究采用射頻輝光放電方法制備了高效率的α-si太陽能電池，該研究指出，沉積大面積、高質(zhì)量、均勻的α-si薄膜是太陽能電池制造的關(guān)鍵。而Pin結(jié)太陽能電池在沉積i層時(shí)采用氫與硅烷的混合氣。

2.2 浮法玻璃生產(chǎn)

氫氣在玻璃工業(yè)中也有重要的應(yīng)用。在浮法玻璃成型設(shè)備中，熔融的錫液容易氧化生成氧化錫，從而導(dǎo)致玻璃上的錫污染，增加錫的消耗。因此，有必要對錫槽進(jìn)行密封，并不斷地送入純凈的氫氮混合氣，以保持錫槽內(nèi)的正壓和還原氣氛。浮法玻璃廠氫氣的消耗量取決于生產(chǎn)規(guī)模，一般情況下供氫模式多采用電解氫經(jīng)提純后送入錫槽，消耗量一般在80-150m3/h之間，氫氣的純度為99.999%。

2.3 冶金工業(yè)

在冶金工業(yè)中，氫主要用作還原氣體，將金屬氧化物還原成金屬。除將幾種金屬氧化物還原成純金屬外，氫氣還用作保護(hù)氣體，防止金屬在高溫鍛造和壓制金屬器件的過程中被氧化。

鋼鐵冶金過程中，除焦炭作還原劑（經(jīng)典高爐法）還原鐵礦石外，還可選用其他還原劑。例如含有氫、一氧化碳或氫和一氧化碳的混合物氣體也可用于還原鐵礦石。還原氣體由水蒸汽重整或礦物燃料的部分氧化得來。海綿鐵是這些“直接還原”過程的產(chǎn)物，其可以熔化成粗鐵，然后進(jìn)一步處理成鋼。

直接還原技術(shù)主要有Midrex工藝、HyL-I工藝和HyL-III工藝，總還原能力90%。還原氣中的氫合量分別為75%（HyL-III，蒸餾器，體積分?jǐn)?shù)）和40-65%（Midrex，加熱爐，體積分?jǐn)?shù)）。為了充分利用氣體的還原電位，應(yīng)去除二氧化碳和水蒸氣，回收水煤氣。在有色金屬冶金過程中，氫在粉末冶金生產(chǎn)流程中用作還原劑和公用原料。表1列出氫在各種有色金屬生產(chǎn)和處理過程中的使用情況。

2.4 空間技術(shù)與燃?xì)鈶?yīng)用

氫作為航空燃料有許多優(yōu)點(diǎn)，它不僅能滿足未來航空燃料的許多要求，而且氫的燃燒不會污染環(huán)境。以單位質(zhì)量計(jì)，氫的燃燒熱值比烴類燃料的燃燒熱值大1.8倍。由液氫和液氧組合成的推進(jìn)劑具有很高的比推力。因此，液氫在航天技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。

堿性燃料電池（AFC）以氫氧化鉀等堿性溶液為電解質(zhì)，以高純氫為燃料，純氧為氧化劑，工作溫度為60～80℃。在所有應(yīng)用中，AFC燃料電池都具有競爭力，它的低溫快速啟動(dòng)特性在許多場合都有更大的優(yōu)勢。然而，由于需要純氫和氧氣作為燃料和氧化劑，需用大型氣化凈水和排水排熱系統(tǒng)，限制了其應(yīng)用。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的燃料通常是高純氫，采用離子導(dǎo)電的固體聚合物電解質(zhì)膜，最佳溫度為80℃。PEMFC最大的優(yōu)點(diǎn)是工作溫度低、啟動(dòng)快、功率密度高，并且只產(chǎn)生少量的余熱和液態(tài)水，而且氮氧化物類的大氣污染物。故而，它是電動(dòng)汽車的理想動(dòng)力源。目前，以液氫為原料的燃料電池電動(dòng)汽車已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)階段。

3 結(jié)束語

隨著國家工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，鋼鐵、有色金屬、石油化工等重要行業(yè)對氫氣的需求量不斷增加。目前，如何降低氫氣的生產(chǎn)成本已成為各國面臨的技術(shù)問題，氫氣的經(jīng)濟(jì)性還有待進(jìn)一步探索。相信隨著制氫技術(shù)和工藝的發(fā)展，燃料電池技術(shù)和氫能源經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將得到極大的推動(dòng)，將出現(xiàn)更多的低成本制氫工藝。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁國侖.氫氣市場及其應(yīng)用[J].工廠動(dòng)力，2000（3）：31-35.

[2]李智超，李會鵬，趙華等.汽油加氫脫硫技術(shù)研究及展望[J].當(dāng)代化工，2013（11）：1588-1590.

[3]趙利軍，藺華林.甲烷化歷史與甲烷化機(jī)理研究[J].神華科技，2010（5）：80-84.

作者簡介：

王在花（1987- ），女，碩士，2013年畢業(yè)于蘭州大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)，現(xiàn)在中國石油蘭州化工研究中心工作。