氢气以及高纯氢气（H2）的应用

 

氢气的应用领域很广，其中，用量最大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。结合广州市谱源气体有限公司多年在该领域的经验，将相关应用归结如下：氢气广泛应用于电子工业、冶金工业、食品加工、浮法玻璃、精细化工和有机合成、航空航天工业等领域也广泛应用。氢作为能源，是未来发电、电动汽车用燃料电池的燃料。

（一）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，在广泛范围内氢以多种形式用于石油化学工业。我国的合成氨生产的主要原料是煤制气、天然气、石脑油和重油，一个1000t/d规模的合成氨厂，每生产1t氨氨约需氢气336m³。与合成氨一样，合成甲醇的氢大部分也是由煤制气、天然气、石脑油或重油制取，一个日产千吨级规模的甲醇厂，每生产1t甲醇约需氢气560 m^3。。由于甲醇是一种基本有机化工原料，又可作为代替燃料，其需要量日益增长，因而用于甲醇合成的氢气量也有可能继续增长。

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、燃料加氢脱硫、改善飞机燃料性能和加氢裂化等方面；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已烷等方面。

催化重整原料的加氢是除石脑油中的硫化物、氮化物、铅和砷等杂质，是石油炼制工业是最早使用的过程。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。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。

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，增加最有价值的石油化学品的产量，减少重油残渣和焦油的生成，降低结炭量，提高石油加工厂的适应性，从石油加工废物中可以得到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。氢是现代石油加工工业产品最通用的交化剂，能提高大型裂化装置的生产能力。

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、醇的同系化反应、与不饱和烃反应制醛等。此外，采用选择加氢，可由醛制醇，炔烃制烯烃，硝基苯加氢制苯胺以及由萘制氢化萘等。

（二）电子工业

在一些电子材料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，均要采用氢气作为反应气、还原气或保护气。半导体集成电路生产对气体纯度要求极高，比如氧杂质的允许浓度为10-¹²等。微量杂质的“掺入”，将会改变半导体的表面特性，甚至使产品成品率降低或造成废品。

在制造非晶体硅太阳能电池中，也需要用到纯度很高的氢气。非晶硅薄膜半导体是国际上近十年来研制成功的新材料，在太阳能转换和信息技术等方面已展示出了诱人的应用前景。

光导纤维的应用和开发已经规模使用，石英玻璃纤维是光导纤维的主要类型，在光纤预制棒制造过程中，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一定要求。

（三）浮法玻璃生产工艺

在玻璃工业中广泛使用的气体有氢、乙炔、氧和氮。浮法玻璃生产时，为使锡槽中液态锡不被氧化，采用氮氢混合气对锡槽进行保护，需用气体纯度较高，其中氢气的纯度为99.999%。

（四）冶金工业

在治金工业中，氢气主要用做还原气，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中，经常用氢气作为保护气以使金属不被氧化。

（五）食品加工工业

许多天然食用油具有很大度的不饱和性，经氢化处理后，所行产品可稳定贮存，并能抵抗细菌的生长，提高油的黏度。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。非食用油加氢可得到生产肥皂和畜牧业饲料的原料。过程包括用氢饱和不饱和酸（油酸、亚油酸等）的甘油脂，将氢引入到液体脂肪或植物油的组成中。

（六）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，最重要的是，氢燃料对环境不产生污染。

用氢气做燃料在许多方面比烃类燃料更优越，国外20世纪60年代开始研制用氢气作为汽车燃料的问题，常规内燃机经少许修改就可用氢气做燃料。

日本对以液氢为燃料的超导磁悬浮列车进行了可行性研究。美国波音公司和刘易斯研究中心对液氢飞机作过可行性研究。可以预见，不久的将来必然以氢取代烃做燃料。

用氢气和氧气可进行焊接或金属、非金属的熔化。氢气在氧气中燃烧的温度可过3100K，氢通过电弧的火焰时分解成原子氢，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。

氢作为能源，是未来发电、电动汽车用燃料电池的燃料。燃料电池是将氢燃料与氧化剂的化学能直接转化为电能，转化效率高，生成物为水，对环境无污染被誉为“零排放”，氢是人类未来的清洁能源。

（七）其他应用

（1）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做冷却剂。

（2）在需要获得超低温的科学研究中，常用氢做制冷剂。

（3）在气相色谱分析中经常用氢气做载气。

（4）由于氢密度低，还可以用于充填气球和飞艇。

（5）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。

氢气是可燃易爆气体，并且着火能低、扩散速度大，也是窒息性气体，所以在使用氢气时，除应严格遵守氢气安全使用的规定外，主要应防止氢气集聚形成爆炸混合气和防止氢气着火、回火等事故的发生。

（1）为防止使用场所内氢气的集聚，应采取良好的通风措施、即时的氢气泄漏报警系统。

（2）氢气供应系统的设备、管路及其附件、阀门的选型、选材和施工验收、维护管理都应做到准确、严格，使氢气供应系统始终处于完好状态，不得有泄漏现象发生。

（3）应按规定检查使用氢气场所的电气装置（包括防静电接地）的防爆措施、装置接线（缆）的完好性，即时发现缺陷、即时正确处理。

（4）应按规定检测氢气纯度，使用场所内的氢气浓度，即时发现超标或不合格，即时查明原因，即时处理、直至停止供氢进行检查。

（5）应按规定检查氢气供应系统的阻火器是否完好、阻火性能等，使之确保氢气使用过程的安全性。
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产品规格和技术指标

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容器规格	容器尺寸 (cm)	平均重量 (kg)	阀门/螺纹出口	充装量
40L氢气钢瓶，绿色	22×140	51	QF-30 螺纹W21.8-14L	13.5MPa/5.4Nm3

成分		纯氢	高纯氢气	超纯氢气	单位
氢气	≥	99.99%	99.999%	99.9999%	%V
氧（氩）	≤	5	1	0.2	ppmv
氮气	≤	60	5	0.1	ppmv
一氧化碳	≤	5	1	0.1	ppmv
二氧化碳	≤	5	1	0.1	ppmv
甲烷	≤	10	1	0.2	ppmv
水份	≤	30	3	1.0	ppmv

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