氢气的性质特点和展望

2021-10-20 10:56
氢气是宇宙中分布最广泛的物质，约占宇宙质量的75%。氢能既氢的化学能，是通过氢气和氧气反应所产生的能量。地球上的氢主要以化合态形式存在，氢为地球上最丰富的元素之一。氢能具有清洁、高效等特点，受到各国学术界、企业界和政府的高度关注。
随着化石燃料逐渐减少，人们在不断寻找储量丰富的新的“含能体能源”。氢气具优良的性能，是一种理想的新“含能体能源”，越来越受到人们的关注。

一、氢气燃烧性能良好，且安全无毒。氢气空气混合时可燃范围大，具有良好的燃烧性能，而且燃烧速度快。同时氢气燃烧时主要生成水和少量氨气，不会产生诸如一氧化碳、碳氢化合物等，与其他燃料相更清洁。　
二、氢气导热性能、发热值高。氢气的导热系数高出一般气体导热系数的10倍左右，是良好的传热载体。氢的发热值为142，351kJ/kg，是汽油发热值的3倍，比化石燃料、化工燃料和生物燃料的发热值都高。利用氢能高的发热值特点，已有较长的历史，比如在切割、焊接以及有机玻璃制品火焰抛光等方面的应用。氢能获取方法两百年前，人们就开始关注氢能的应用。20世纪70年代以来，许多国家和地区广泛开展氢能研究。20世纪60年代初，我国在液氢及燃料电池用于火箭燃料方面，做了大量工作。20世纪70年代开始加大了对氢能的应用。氢气作为一种重要的工业气体，依据原料、能量来源、设备和成本情况，以及对氢气纯度和用量等方面的要求，可有以下几种制备方式：
1、水煤气转化法。将水蒸气通过炽热的焦炭层制得水煤气，然后将水煤气跟水蒸气混合，以氧化铁为催化剂，使水煤气中的CO转化为CO2，二氧气化碳溶于水，通过加压水洗即得到较纯净的氢气。这种方法制氢产量大，成本相对较低，设备较多，在合成氨厂多用此法。
2、电解法制备氢气。将直流电通过铂电极（或其它惰性材料）通入水中，在阴极可以得到氢气，纯度高达99.5~99.8%，氯碱工业电解饱和食盐水制氯气和烧碱时，也可同时得到副产品氢气。该方法成本较高，但产品纯度大，像北京电子管厂（京东方前身）等就用水电解法制氢，在工业中常用于电子、仪器工业生产中的还原剂、保护气等。
3、烃类蒸气转化法。碳氢化合物在高温和催化剂的作用下与水蒸气作用，可以得到主要含氢气和一氧化碳的一种混合气体，例如：用分子筛吸附法或水煤气转化法除去CO，可得到纯净的氢气。天然气、油田气和炼厂气（石油炼制厂的副产气体）等都可用烃类裂解法和烃类蒸气转化法得到氢气。
4、烃类裂解法。碳氢化合物经过高温裂解，裂解气中含有大量氢气，再经过低温冷冻系统，可得到90%的氢气。比如由石油热裂副产的氢气，产量较大，常用于汽油加氢，这种制氢方法在世界上很多国家都采用。　
在工业生产中，氢气常作为一种副产物存在，加以提纯处理后也可作为工业生产的来源之一。比如：焦炉煤气制氢。焦炉煤气是焦炉干馏煤时产生的挥发性气体，其中氢气含量高达55%-60%，充分运用焦化厂副产焦炉煤气制氢可有效降低制氢成本，延伸了焦化行业产业链，同时也符合工业绿色低碳发展要求。
此外，电解食盐水的氯碱工业中也副产大量较纯氢气；酿造工业中用玉米发酵丙酮、丁醇时，发酵罐的废气中有1/3以上的氢气，经多次提纯后可生产普氢（97%以上）。氢能的应用、存在问题及展望氢能源在交通、工业、建筑等领域的应用，可丰富能源构成。在交通领域中，用氢燃料电池给汽车提供动力，能够解决空气污染、噪音污染和CO2排放带来的全球气候变暖等环境问题。
在工业领域中，氢气一直是最重要的原材料之一，并且通过氢的使用可以使精炼等行业达到基本无碳排放。到目前为止，氢的制造和使用都局限在工业领域中，主要用途是作为化工行业的原材料。在建筑领域中，运用氢能微型热电联产机组技术可以极大地提高能源利用效率，建设节能环保型建筑。
氢能作为最受关注的新“含能体能源”，目前在推广应用中主要存在以下问题：一是现阶段制备氢气没有摆脱对化石能源的依赖，且制备过程不但需要消耗大量的能量，而且目前制氢效率较低。开发廉价的制氢技术，是各国科学家共同关心的问题，也是氢能大规模推广应用的制约条件。二是缺少安全可靠的贮存和运输氢的方法。由于氢易气化、着火、爆炸，如何将制备的氢能安全可靠的与用户有效连接，也是氢能推广应用的制约条件。
氢能的开发方向首先应立足前阶段，将工业副产品中的氢加以综合利用。比如焦炉煤气制氢，我国焦炉煤气资源丰富，炼焦企业广泛分布在我国内地31个省份的28个省，全国焦化企业有2000多家。其次是着眼未来，通过分散的二次能源制氢。比如用太阳能来制氢，目前太阳能热分解水制氢、阳光催化光解水制氢、太阳能生物制氢等，已处于研究阶段，但还有大量的理论问题和工程技术问题要解决。


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