新工业设施的制氢

在这次采访中，Nel Hydrogen的美国和加拿大东部地区经理Dave Wolff与AZoM谈论了用于新工业设施的氢气生产。

氢在工业设施中用于什么?

由于其独特的化学和/或物理性质，有许多类型的工业过程。氢是一种强大的化学还原剂，使氢气能够用于分裂化学键，用于生产燃料，油和润滑剂，食用油精炼和药物制造。氢气用于大量的量以使氨和甲醇 - 重要的化学品本身，以及其他化学品的关键化学中间体。氢的还原能力也使其成为矿石和金属的热处理的理想选择 - 在随后的热处理期间使矿石的精炼矿石和保护金属以产生所需的形状和物理特性。由于其防止氧化的能力，氢广泛展开在半导体制造中。氢的微小分子尺寸和相对较低的成本使其能够在一系列行业上操作分析设备。app亚博体育氢/氮气共混物经常用作泄漏检查气体，优先于稀缺和昂贵的氦气。

此外，由于氢可以在不排放二氧化碳的情况下释放能量，因此氢还有一些新的、正在出现的与能源相关的应用具有独特的价值。氢气可以与大气中的氧气反应，释放热能和/或电能，而不会产生二氧化碳或任何其他污染物。在可控条件下，氢氧化的唯一排放物是水!

我们谈论的是什么类型的设施？

• 化工和炼油设施
• 主要冶金
• 二次冶金，如金属热轧和制造、金属管材和线材
• 制造商店建立复杂的气体和液体系统，如制动系统和制冷系统，必须防漏
• 半导体制造设备使用大量的氢来制造芯片
• 大学和研究机构将氢用于先进的技术应用
• 现在有一种全新的设备使用氢来代替巨大仓库里的电池驱动的电动升降机
  • 氢燃料电池升降机的支持者包括亚马逊、沃尔玛、家得宝以及各种食品和医药配送仓库
  • 一个大型仓库每周消耗的液态氢相当于三辆牵引车

那么，在工业中使用氢有什么挑战性呢?

氢气没有单一的特性，这使得它在工业上的使用具有独特的挑战性。但它具有一系列不寻常的特性，这些特性使氢在广泛的工业用途中表现出与其他气体不同的行为——如普通燃料气体甲烷和丙烷、惰性气体如氮气和氩气以及常用的压缩空气。氢气独特的特性组合包括：

• 它在很宽的燃油/空气范围内易燃
• 氢有巨大的重量的能量含量-一小块氢可以释放大量的能量，如果它燃烧
• 氢气燃烧很快，如果让它聚集并点燃，就会爆炸
• 它比空气轻得多，而且浮力很强
• 它是一种很小的分子，能够通过极小的孔渗漏
• 它以最小的活化能点燃——甚至是逸出气体的静电
• 当它膨胀时就会升温——这是唯一一种会这样做的可燃气体
• 它在日光下几乎不可见地燃烧，因为火焰没有来自碳的光度
• 通常不能对其进行加味，因为加味化合物会损坏下游设备app亚博体育

这些行为差异，以及随着新应用程序的引入和获得青睐，氢的使用变得越来越普遍的事实，引起了人们对氢装置必须安全管理的担忧。

氢有什么不是危险?

氢不是氪石——我们必须尊重它，但我们不必害怕它。氢能被广泛使用和安全使用有许多原因。首先，氢是无毒或无腐蚀性的，因此从这个意义上讲，它比氨等替代品更安全。此外，氢具有很高的浮力，这意味着如果允许它直接向上逸出——因此，如果系统设计允许它逸出，它在发生泄漏时很容易分散。早期的演示将汽油燃料汽车与氢燃料汽车进行了比较，以防燃料泄漏——汽油泄漏到汽车下面的地面并点燃，汽车和车内的一切都被焚化，而氢燃料汽车中的氢逃过了故意泄漏，并在其直线上升时立即分散在空气中。即使在逸出的氢被点燃的情况下，火焰也因为亮度低而几乎没有辐射能，因此除非火焰直接撞击，否则不会加热相邻表面。与氮气不同，氮气容易与可呼吸空气混合并置换可呼吸空气，通常是低氧事故的原因，氢气上升到空气柱的顶部，通常不存在置换氧气的风险。

储氢放大了氢挑战

虽然氢具有不同寻常的性质，但它在工业上得到了广泛而安全的应用。通过知识和对其特性的尊重，可以很容易地管理少量的氢。正是氢的储存造成了复杂性。储存氢气增加了危险性，因为储存的可燃气体的能量含量巨大，泄漏或事故的可能性相对较高，而且氢气着火的严重后果。

氢储存带来的挑战有什么独特之处?

氢气具有几种独特的化学性质，使其在工业部位存储特别具有挑战性。首先，氢气与氧气反应，释放出巨大的热能 - 与任何其他物质相比，每种燃料的最高能量密度。其次，氢气将以最小的能量点燃 - 它具有任何气体的最低激活能量。氢气也会快速燃烧 - 比典型的碳氢化合物，如汽油蒸气或甲烷快四到五倍。

最后，由于氢是如此微小的分子，氢很难安全储存——它会通过最微小的管道或配件缺陷泄漏。氢气是无色无味的，而且不能加味，因为加味剂会损害氢的其他关键属性(参见CFR 192.625)，这一事实加剧了泄漏问题。因此，有可能在不知情的情况下发生重大的氢气泄漏——这就是为什么使用氢气的设施都精心设计了通风系统，许多设施都使用专用的氢气探测器。

由于氢极易燃烧，密度极低，并且有可能泄漏，因此储存起来非常困难。因此，有关储氢的法规旨在最大限度地减少泄漏时对生命和财产的损害。储存规则规定了室外储存（如有可能）、邻近要求、净空距离、中间结构墙、通风和电气要求，以及高度有序的检查，以确保氢气储存的持续安全。

“氢气池”是什么意思？

氢的密度非常低，这意味着万一发生泄漏，它将通过空气柱上升。这种可预测的行为提供了一种安全效益，如果允许氢气通过上升逸出，就像在室外的燃料箱中一样。但是如果有一个屋顶，或覆盖物，或中间的结构阻止氢气上升逃逸，氢气就会在结构的底部形成一个氢气池——氢气被结构本身固定在那里，阻止氢气逃逸。如果从持续的泄漏中加入额外的氢，氢池将在整个结构中横向扩展，就像水坑在人行道上扩展一样。不幸的是，氢水坑通常发现一个灯具或其他点火源安装在底部的结构和点燃-往往造成巨大的损害。

防止氢在屋顶或高架结构下侧聚集是可用于避免氢事故的最重要安全预防措施之一。

• 消除这种结构是最好的方法——除非你必须这样做，否则不要将氢气储存、产生或使用放在屋顶下。
• 如果氢气应用必须在屋顶下，那么确保屋顶下区域有足够的排气以更快的速度去除氢气。

如何最好地缓解氢的危害？

使用氢的挑战最好通过限制手边的氢量来解决。氢储存会产生一些问题，原因有以下几个:

• 储存的氢越多，就意味着在事故发生时，破坏性能量越大
• 氢储存通常以加压氢的形式存在——容易发生泄漏，并且能够在管道故障的情况下瞬间提供无限流量的氢
• 氢可以以液态氢的形式储存——以低温液体的形式储存大量的氢，产生液化空气的风险，需要相当大的安全间隙，并且在管道故障的情况下存在高氢气输送率的风险

与储存氢相比，制氢产生氢的速度与使用氢的过程所需要的速度相同——不储存氢。即使发生灾难性的管道故障，氢气流量也将在该工艺和标准安全系统设计的范围内。

与获得氢气相比，生产氢气有什么优势?

因为储存氢气是如此复杂，氢气用户对不储存氢气而使用氢气的方法感兴趣。事实上，使用氢并不特别具有挑战性——它的特性是可以学习的，如果不熟悉、可预测和不变的话。直截了当的设计方法和设施特点可以使使用氢气的工作与使用任何易燃气体的工作一样安全。但这只适用于一个过程中预期的相对温和的氢气量和流量——储存的氢气泄漏几乎在瞬间释放出大量氢气，造成了一个压倒性的问题。

可以设计一些设施来处理由储存容器泄漏引起的氢气泛滥，但这是昂贵的。它需要利用可燃气体探测器触发的巨大屋顶防爆排气扇，从设施屋顶下自动、几乎即时地排出大量高度易燃气体。该系统必须对屋顶水平的氢气传感器立即作出反应，所有组件必须是防爆的。

简单地调节可用氢气的最大流量要容易得多，使用能够满足工艺最大流量需求的氢气生成，但不需要储存大量的氢气，以便在事故发生时几乎立即释放出来。

与交付的氢气相比，生产氢气的成本如何？

虽然从空气中提取的工业气体，如氮气、氧气和氩气，在工业地区普遍且经济上可以获得，但氢气，通常由天然气或煤提炼，可能不那么容易获得，而且如果可以获得，也可能由于长途运输而成本很高。

人们认为，通过输送液态氢或气态氢来提供氢气是一种低资本投资的方式——毕竟，燃料罐和所有输送设备都由供应商提供——但通常情况下，这种方式的资本并不像人们想象的那么低。app亚博体育首先，客户必须为氢从车辆输送到客户的储存容器提供基础设施，以及储存容器的位置和保护——输送支柱、基础、围栏、照明、地下管道等。由于大型储氢设施，尤其是液态氢储存设施，需要离建筑物、物业线、停车场、公共通道、非防爆照明、进风口等较远的距离，为储氢罐服务的地下管道可能比预期的更长、更贵。安装一个租用的液氢储罐的费用经常达到或超过7万美元。

因此，预计交付氢气的前期成本较低，可能会高于预期。一旦投资完成，供应商将根据规定供应责任和定价的供应协议条款开始向客户供应氢气。双方都被锁定在这个协议中——确保你理解它，因为你的业务依赖于它。

通常认为氢递送是一种低固定成本，但与氢气产生相比的方法更高。氢送额的固定成本包括投资坦克和管道基础设施的资本，并将每月固定支付的坦克租赁支付，而可变成本将是交付的实际氢的费用以及供应商收取的相关费用。

相比之下，一个氢发生器需要有意义的资本投资7万到60万美元的氢发生器模型，以满足该氢用户的需求。与交付的氢气相比，这是更高的固定资本。但氢发生器使可变成本的一小部分交付相比氢——一代可能招致的可变成本60美分,至2.00美元每100电力自洽场,虽然传递氢可能售价1.75美元对于大型液氢用户高达100 70.00美元自洽场较小,高纯度气缸用户。价格取决于氢的数量、形式、采购距离和纯度规格。

通常，产生的氢气有利于使用氢气长时间使用氢的方法，其效率较高，纯度较高，压力较高。交付的氢气可能是临时要求的更好选择，或者在预测之前的使用率可能会增长或缩小的高度间歇使用的客户。

很多使用氢的人都在做这样的改变吗?

与客户合作，考虑氢气生产已经成为一个教育人们，让他们知道这个选择是存在的过程。这项工作仍在进行中。那些选择氢气发电的客户几乎不会再回头，因为他们欣赏氢气发电的可靠供应、可预测的、有竞争力的成本和优越的安全性。

关于大卫沃尔夫

Dave Wolff拥有超过40年的项目工程、工业气体发电和应用工程、市场营销和销售经验。自1999年以来，他一直是氢发电技术的销售和营销领导者。Dave拥有达特茅斯学院的工程科学学位。亚博老虎机网登录他在大规模和小规模的氢气生产、氢气分配、储存和工业利用方面有着广泛的背景，以及在不同行业的应用知识。