我国氢气资源综合利用现状研究与分析

王在花　赵燕　郭珺

摘 要：氢气作为一种优质的清洁能源，广泛应用于石油化工和电子工业等行业。本文综述了各领域对氢气资源的利用情况，分析指出现如今面临的主要問题并提出相应的对策，希望能够为氢气资源整体利用效率优化工作提供一定的参考。

关键词：氢气;清洁能源;石油化工;电子工业;冶金工业

在我国各行各业适应清洁生产且质量升级的大环境下，氢气作为一种优质的清洁能源，其需求量与日俱增。目前，氢气广泛应用于石油化工、电子工业、浮法玻璃、冶金工业、食品工业、空间技术与燃气应用等领域。

1 氢气资源在石油化工领域的应用情况

1.1 石油炼制

石油炼制过程中的氢工艺主要是为了增加重质馏分油中的氢含量及通过减少分子质量生产较轻的组分。同时，可以除去硫化物、氮化物、铅和砷等杂质[1]。

加氢裂化是一种在氢气存在下进行的催化裂化工艺。在加氢裂化过程中，主要发生脱氢、裂化、异构化和烷基化反应[2]。其中脱氢反应主要用于石脑油加氢脱硫、粗柴油加氢脱硫、燃油加氢脱硫、以及提高飞机燃料的无焰高度等。加氢精制工艺可以提高石油化工产品的质量，增加有价值的石油化工产品的产量，减少焦油和重油渣油的生成，减少焦炭的产量，提高石油加工厂的适应性。从石油加工废渣中回收部分有价值的石油化工产品，对一系列产品进行净化，去除有害杂质。催化重整原料加氢可以脱除石脑油中的硫化物、氮化物、铅和砷。燃料油加氢脱硫主要是为了满足环境要求，因为空气污染主要是由燃料油燃烧释放的二氧化硫引起的。

选择性加氢主要用于高温裂解产物，其中乙烯馏分需采用气相加氢、丙烯馏分需采用液相加氢。汽油馏分富含二烯烃、烯烃和芳香烃等，他们与空气接触时会产生胶质，因此，必须进行氢化反应，将不稳定的化合物转化为稳定的产物。

1.2 化工行业

在化工行业，氢气主要用于C3馏分加氢、汽油加氢、C6-C8馏分加氢脱烷基和环己烷的生产。此外，选择性加氢还可用于醛制醇，炔烃制烯烃，甲苯脱烷基制苯，硝基苯加氢制苯胺以及萘制氢化萘等工艺中。轻化工行业中所用到的己二酸、脂肪醇等也都需要采用催化加氢工艺来制备。

氨合成中使用的氢主要是由天然气、石脑油和重油的蒸汽转化或部分氧化产生的。其中75-80%来自天然气、石脑油或液化石油气，10～15%是由重燃油的部分氧化制得，5%是由煤制取。

合成气的主要成分是氢和一氧化碳。合成气通过重整可以供应民用燃气，也可以通过甲烷化生产合成天然气（SNG）[3];合成气还可以生产化肥和甲醇，直接生产乙二醇等。

煤精制过程也需要大量的氢。煤的直接液化过程需要大量的氢作为中间原料，氢可以直接与煤反应，也可以转化为供熔剂煤液化或加氢提取的载氢溶剂，当加入一定量的分子氢时，其与化和氢反应。这一过程称为短期加氢，产品主要是沥青或溶剂精制煤。

2 氢气资源在其他领域的应用情况

2.1 电子工业

在大规模、超大规模和兆位级集成电路的制造中，以高纯氢和超高纯氢为基气，配置SiH4/H2、PH3/H2、B2H6/H2等混合外延和掺杂气体;半导体工业需要非常高纯度的氢气，微量杂质的“掺杂”将改变半导体的表面特性;多晶硅的制备也需要氢，当硅和氯化氢形成三氯化硅（SiHCl3）时，采用分馏法分离，后在高温下氢还原，达到半导体要求的纯度。在氧化过程中，石英管在常压下注入高纯氢和高纯氧，使其在一定温度下燃烧，生成高纯水，水蒸气与硅反应，生成高质量SiO2膜。在外延过程中，氢用于硅气相外延。SiCl4或SiHCl3在被加热的硅基片表面与氢反应，还原出硅沉积在硅基片上形成外延层。

SiCl4+2H2→Si+4HCl SiHCl3+H2→Si+3HCl

上述工艺需要高纯度的氢，如果含有甲烷，则会在外延层中形成碳化硅，造成缺陷。

在生产电真空材料和设备器件的过程中，以钨和钼为例，氧化粉末被氢还原，然后加工成线和带。氢气纯度越高，含水量越低，还原温度越低，钨和钼粉末越细。氢闸流管、离子管、激光管等充气电子管的填充气体纯度要求较高，例如在显象管制造中所用的氢气纯度大于99.99%。

非晶硅太阳能电池的制造也需要高纯度的氢。目前，已有研究采用射频辉光放电方法制备了高效率的α-si太阳能电池，该研究指出，沉积大面积、高质量、均匀的α-si薄膜是太阳能电池制造的关键。而Pin结太阳能电池在沉积i层时采用氢与硅烷的混合气。

2.2 浮法玻璃生产

氢气在玻璃工业中也有重要的应用。在浮法玻璃成型设备中，熔融的锡液容易氧化生成氧化锡，从而导致玻璃上的锡污染，增加锡的消耗。因此，有必要对锡槽进行密封，并不断地送入纯净的氢氮混合气，以保持锡槽内的正压和还原气氛。浮法玻璃厂氢气的消耗量取决于生产规模，一般情况下供氢模式多采用电解氢经提纯后送入锡槽，消耗量一般在80-150m3/h之间，氢气的纯度为99.999%。

2.3 冶金工业

在冶金工业中，氢主要用作还原气体，将金属氧化物还原成金属。除将几种金属氧化物还原成纯金属外，氢气还用作保护气体，防止金属在高温锻造和压制金属器件的过程中被氧化。

钢铁冶金过程中，除焦炭作还原剂（经典高炉法）还原铁矿石外，还可选用其他还原剂。例如含有氢、一氧化碳或氢和一氧化碳的混合物气体也可用于还原铁矿石。还原气体由水蒸汽重整或矿物燃料的部分氧化得来。海绵铁是这些“直接还原”过程的产物，其可以熔化成粗铁，然后进一步处理成钢。

直接还原技术主要有Midrex工艺、HyL-I工艺和HyL-III工艺，总还原能力90%。还原气中的氢合量分别为75%（HyL-III，蒸馏器，体积分数）和40-65%（Midrex，加热炉，体积分数）。为了充分利用气体的还原电位，应去除二氧化碳和水蒸气，回收水煤气。在有色金属冶金过程中，氢在粉末冶金生产流程中用作还原剂和公用原料。表1列出氢在各种有色金属生产和处理过程中的使用情况。

2.4 空间技术与燃气应用

氢作为航空燃料有许多优点，它不仅能满足未来航空燃料的许多要求，而且氢的燃烧不会污染环境。以单位质量计，氢的燃烧热值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，液氢在航天技术中得到了广泛的应用。

碱性燃料电池（AFC）以氢氧化钾等碱性溶液为电解质，以高纯氢为燃料，纯氧为氧化剂，工作温度为60～80℃。在所有应用中，AFC燃料电池都具有竞争力，它的低温快速启动特性在许多场合都有更大的优势。然而，由于需要纯氢和氧气作为燃料和氧化剂，需用大型气化净水和排水排热系统，限制了其应用。质子交换膜燃料电池（PEMFC）的燃料通常是高纯氢，采用离子导电的固体聚合物电解质膜，最佳温度为80℃。PEMFC最大的优点是工作温度低、启动快、功率密度高，并且只产生少量的余热和液态水，而且氮氧化物类的大气污染物。故而，它是电动汽车的理想动力源。目前，以液氢为原料的燃料电池电动汽车已进入商业化生产阶段。

3 结束语

随着国家工业化和城市化进程的加快，钢铁、有色金属、石油化工等重要行业对氢气的需求量不断增加。目前，如何降低氢气的生产成本已成为各国面临的技术问题，氢气的经济性还有待进一步探索。相信随着制氢技术和工艺的发展，燃料电池技术和氢能源经济的发展将得到极大的推动，将出现更多的低成本制氢工艺。

参考文献：

[1]梁国仑.氢气市场及其应用[J].工厂动力，2000（3）：31-35.

[2]李智超，李会鹏，赵华等.汽油加氢脱硫技术研究及展望[J].当代化工，2013（11）：1588-1590.

[3]赵利军，蔺华林.甲烷化历史与甲烷化机理研究[J].神华科技，2010（5）：80-84.

作者简介：

王在花（1987- ），女，硕士，2013年毕业于兰州大学化学工程专业，现在中国石油兰州化工研究中心工作。