用于新工业设施的氢气生产

在这次采访中，Nel Hydrogen美国东部和加拿大地区经理Dave Wolff向AZoM谈到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。2020欧洲杯下注官网氢/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。

另外，具有具有独特价值的氢气的新的和新兴能源相关应用，因为氢气可以在不发光二氧化碳的情况下释放能量。氢可以与大气空气中的氧气反应，以发射热和/或电能而不产生二氧化碳或任何其他污染物。在受控条件下，刚氧化的唯一排放是水！

我们说的是哪种设施?

• 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
• 半导体制造设施使用大量的氢来制造芯片
• 大学和研究机构将氢用于先进技术的应用
• 现在出现了一种全新的设施，用氢来替代巨大仓库中的电池供电的电动叉车
  • 氢燃料电池搬运车的支持者包括亚马逊、沃尔玛、家得宝，以及各种食品和药品分销仓库
  • 一个大型仓库每周消耗的液氢量相当于3辆拖车的量

那么，在工业中使用氢有什么挑战呢?

氢气没有单一的特性使得它在工业上的使用具有独特的挑战性。但它有一个不同寻常的特性组合，导致氢的行为不同于其他广泛工业使用的气体，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。氢的独特组合特点包括:

• 它在很宽的燃料/空气范围内是可燃的
• 按重量计算，氢的能量含量巨大——一小块氢在燃烧时就能释放出大量的能量
• 氢气燃烧迅速，如果允许积聚并点燃，就会爆炸
• 它比空气轻得多，浮力很大
• 它是一个很小的分子，能够通过微小的孔泄漏
• 它以最小的活化能点燃——甚至是逸出气体的静电
• 它在膨胀时升温，这是唯一的可燃气体
• 它在白天几乎看不见的燃烧，因为火焰没有碳的亮度
• 通常不能因为气味化合物会损坏下游设备而臭2020欧洲杯下注官网

这些行为差异，以及随着新的应用程序的引入和青睐，氢的使用变得越来越普遍的事实，正在引起人们对氢装置必须安全管理的关注。

氢的什么是无害的?

氢不是氪——我们必须尊重它，但我们不需要害怕它。氢气可以被广泛使用和安全使用的原因有很多。首先，氢没有毒性或腐蚀性，所以从这个意义上说，它比氨等替代品更安全。此外，氢气具有很高的浮力，这意味着如果允许，它会直接向上逸出——因此，如果系统设计允许它逸出，一旦发生泄漏，它很容易分散。早期的演示将汽油燃料汽车与氢燃料汽车进行了对比，以防止燃料泄漏——汽油泄漏到汽车下面的地面上并点燃，烧毁了汽车和车内的一切，而氢燃料汽车中的氢脱离了故意的泄漏，并在垂直上升时立即分散在空气中。即使是在燃烧了逸出的氢气的情况下，由于火焰的亮度很低，它几乎没有辐射能，所以除非火焰直接撞击，否则它不会加热相邻的表面。氮气很容易与可呼吸的空气混合并置换，经常是低氧事故的原因，而氢气则不同，它会上升到空气柱的顶部，通常不会有置换氧气的风险。

氢的挑战被储氢放大了

虽然氢具有不同寻常的特性，但它在工业上得到了广泛而安全的应用。通过了解和尊重氢的特性，可以很容易地管理少量的氢。是氢的储存造成了复杂性。氢气的储存增加了危险性，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，以及氢气点火的严重后果。

氢气储存所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，因为氢的分子很小，所以很难安全地储存——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，而且不能有气味，因为气味会损害其他关键的氢属性(见CFR 192.625)，这一事实加剧了泄漏问题。因此，有可能发生重大的氢泄漏而没有意识到它-这就是为什么使用氢的设施都精心设计了设施通风系统，许多使用专门的氢探测器。

因为氢是极易燃的，密度极低，只要有机会泄漏，就很难储存。因此，有关氢储存的规定是建立在如果发生泄漏，将对生命和财产的损害最小化的基础上的。存储规则规定了室外存储(如果可能的话)、相邻要求、间隙距离、结构墙、通风和电气要求，以及严格的检查，以确保氢气存储的持续安全。

“氢气池”是什么意思？

非凡的氢密度意味着在泄漏时它将通过空气柱升高。如果允许氢气通过上升逃逸，则可预测行为提供安全益处，就像在门外的坦克一样。但是，如果有屋顶或覆盖物或介入的结构，或者将氢气阻碍氢气升高到逃逸，则氢气将在结构底部产生氢气池 - 氢通过将氢气阻挡氢气逃脱。如果从持续泄漏中加入额外的氢气，则氢气池将水平膨胀穿过该结构，就像跨越路面的水坑一样。遗憾的是，氢水水坑通常发现灯具或安装在结构下侧的点火源，并点燃 - 通常会导致损坏很大。

防止氢在屋顶或高架结构下积聚是防止氢事故发生的最重要的安全措施之一。

• 消除结构是最好的方法-不要把氢气储存或产生或使用在屋顶下，除非你必须。
• 如果氢应用必须在屋顶下，那么确保有足够的排气从屋顶下区域，以更快的速度去除氢可以比它可以积累。

如何最好地减轻氢的危害?

使用氢气的挑战最好通过限制手边的氢气量来解决。氢气储存产生问题的原因有以下几个:

• 储存的氢越多，发生事故时的破坏力就越大
• 氢气储存通常以加压氢气的形式存在——容易发生泄漏，并且在管道故障的情况下能够瞬间提供无限流量的氢气
• 氢可以作为液体氢储存作为液体氢气 - 以低温液体的形式储存大量的氢，产生液化空气风险，需要对安全性具有相当大的间隙，并且在管道故障的情况下，具有高氢输送速率的风险

与存储氢气相比，氢气的生成使氢气的速率与使用氢气的过程相同——没有氢气被存储。即使发生灾难性的管道故障，氢气的流量也会在该工艺和标准安全系统设计的范围内。

生产氢气和运送氢气相比有什么优势?

因为储存氢是如此复杂，氢的使用者对使用氢而不储存氢的方法很感兴趣。实际上，使用氢并不是特别具有挑战性——它的特性即使不熟悉，也可以学习，可以预测和不变。简单的设计方法和设施特点可以使使用氢气和使用任何可燃气体一样安全。但这只适用于过程中所预计的相对有限的氢气量和流量——储存的氢气的泄漏会产生一个巨大的问题，因为它可能瞬间释放出大量的氢气。

设施可以设计成处理由储存容器的主要泄漏引起的洪水 - 但它是昂贵的。它需要通过使用易燃气体探测器触发的巨型屋顶防爆排气扇来自动，几乎立即从设施屋顶下耗尽大量高度易燃气体。该系统必须在屋顶水平的氢传感器上瞬时反应，所有部件必须是防爆。

简单地调节氢气的最大流量要容易得多，使用能够满足流程的最大流量需求的氢气生产，但不需要储存大量的氢气，在事故发生时几乎可以立即释放。

生产氢的成本与交付氢的成本相比如何?

虽然从空气中产生的工业气体，如氮气、氧气和氩气，在工业领域通常可以广泛和经济地获得，但通常从天然气或煤中制成的氢气，可能不那么容易获得，如果获得，也可能由于长途运输而昂贵。

通过输送液态或气态氢气来供应氢气被认为是一种低资本投资的方法——毕竟，供方提供燃料箱和所有的输送设备——但通常情况下，它并不像人们认为的那样低资本。2020欧洲杯下注官网首先，客户必须提供从车辆到储氢容器的氢气输送基础设施，以及储氢容器的选址和保护——输送支柱、基础、围栏、照明、地下管道等。因为大型储氢，特别是液氢储氢，需要距离建筑物、物业线、停车场、公共通道、非防爆照明、进风口等很长的间隙距离，为储氢罐服务的地下管道可能比预期的更长、更昂贵。安装租用的液氢燃料箱的费用通常可以达到或超过70,000美元。

因此，预期交付氢的前期成本可能比预期的要高。一旦投资完成，供应商将开始根据规定供应责任和定价的供应协议条款向客户供应氢气。双方都被锁定在这个协议-确保你理解它，因为你的业务依赖它。

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，氢气发生器需要有意义的资本投资，为符合该氢气用户需求的氢发电机型号为70,000美元至600,000美元。通过与产氢的比较，固定资本更高。但是氢气发生器使氢气制成一小部分可变成本，相比输送的氢气产生可能导致60美分的可变成本为每100个电力每100个SCF的2.00美元，而氢气可能为1.75美元，用于大型液体氢气剂为1.75美元对于较小的高纯净气缸使用，每100 SCF高达70.00美元。定价取决于氢气量，形式，距离采购和纯度规格。

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。

很多氢使用者会做出这样的改变吗?

与客户合作考虑氢发电一直是一个教育人们有选择的过程。这项工作仍在进行中。那些选择氢发电的客户几乎从不改变回来，因为他们欣赏有保证的供应，可预测的，有竞争力的成本和优越的安全的氢气供应。

关于大卫沃尔夫

Dave Wolff拥有超过40年的项目工程、工业气体生成和应用工程、市场和销售经验。自1999年以来，他一直是氢发电技术的销售和市场负责人。Dave拥有达特茅斯学院的工程科学学位。欧洲杯线上买球他在大型和小型氢气生产，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。