如今，人們將氫氣的重點放在其作為天然氣加熱和發(fā)電替代品的潛在用途上，這一點很重要，也是可以理解的。它的主要優(yōu)點被認(rèn)為是高熱值和燃燒產(chǎn)物的“無碳”性，簡單地說是水。

為了能夠充分利用氫氣的這兩大優(yōu)點，人們正在作出重大努力，以大量生產(chǎn)成本效益高的氫氣，并試圖設(shè)計一些方法，以擺脫簡單燃燒氫氣的一些缺點，包括：

火焰溫度高（導(dǎo)致氮氧化物產(chǎn)量增加）；

火焰速度高（增加不穩(wěn)定火焰的可能性）；

壓縮困難（由于氫氣分子量低以及容易泄漏，離心式壓縮機無法正常工作）；

大規(guī)模儲存（與天然氣相比，其熱值低，意味著必須為相同的能量儲存更多的氣體）；

點火能量低（增加了意外點火的傾向）。

1650年，當(dāng)時梅耶恩第一次把稀硫酸倒在鐵上，產(chǎn)生了一種“易點燃空氣”的氣體，氫氣就已經(jīng)產(chǎn)生了。直到1783年，賈克斯·查爾斯制造了一個足夠大的氫氣球，載著他和一位同事在海拔550米的高空飛行了36公里，人們才意識到氫氣還有其他用途。然而，隨后的三個發(fā)現(xiàn)確實打開了其作為化學(xué)用途的可能性。這三個發(fā)現(xiàn)分別是氫化（1897年）、哈伯制氨工藝（1910年）和加氫裂化（1920年）。

今天，氫被認(rèn)為是一種優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，其純度約為99．999％。它的角色十分廣泛，本文將介紹其中的一些角色。

煉油廠

氫氣在煉油廠的被用在各種加氫脫硫（HDS）和加氫裂化操作中。HDS是一種催化化學(xué)工藝，廣泛用于從天然氣和精煉石油產(chǎn)品（如汽油、噴氣燃料、煤油、柴油和燃油）中除去硫。加氫裂化是一種將重油煉油產(chǎn)品在氫和催化劑的作用下分解成較小分子（柴油或汽油等蒸餾物）的工藝。

英國煉油廠氫氣生產(chǎn)總量達(dá)到了156563 Nm3／h，相當(dāng)于超過10萬噸／天。這一數(shù)字很可能會繼續(xù)增加，因為最近的立法禁止船舶使用高硫殘油，會影響傳統(tǒng)上出售這些重油的市場，運輸用柴油和汽油之間的平衡將重新調(diào)整。

合成氨

哈伯－博施法是當(dāng)今生產(chǎn)氨的主要工業(yè)方法，它在金屬催化劑和一定的溫度壓力條件下直接將氫和氮結(jié)合生成氨。氨（NH3）用于生產(chǎn)硝酸銨，它是一種化肥，同時是許多家庭清潔產(chǎn)品的一部分。合成氨是氫氣目前僅次于煉油廠的第二大應(yīng)用。

簡單地說，這一過程需要將氮和氫以1：3的比例混合，在一定壓力和溫度下，將其置于含有催化劑的容器中。最常用的是以鐵為基礎(chǔ)催化劑，通過K2O、CaO、SiO2和Al2O3等改良催化劑。反應(yīng)通常發(fā)生在15－25MPa（150－250bar）和400－500℃之間�；旌蠚怏w通常通過四個催化劑床，在每一道冷卻床之間進行冷卻，以保持合理的反應(yīng)平衡常數(shù)。每次通過一個催化劑床時，只有大約15％的氣體轉(zhuǎn)化成氨：液氨被脫除，未反應(yīng)的氣體通過壓縮機循環(huán)利用。在現(xiàn)代工廠中，總轉(zhuǎn)化率可達(dá)到97％以上。

氨廠制氫一般采用甲烷水蒸汽重整（SMR）技術(shù)（圖1）（注：不同國家和地區(qū)有所區(qū)別），隨著項目規(guī)模越大，越能發(fā)揮規(guī)模優(yōu)勢。公認(rèn)的世界上最大的單列氨工廠位于沙特阿拉伯Al－Jubail，它每天產(chǎn)生1300噸氫氣，歸Al Jubail化肥公司所有。

圖1 合成氨流程

還原金屬礦石

氫在商業(yè)上還被用來從礦石（黑鎢礦、白鎢礦和鎢鐵礦）中提取鎢。同樣的概念也可用于從黑銅礦和錐黑銅礦（氧化銅，CuO）中生產(chǎn)銅。

利用氫氣直接還原鐵（DRI）是一個尚未得到大規(guī)模應(yīng)用的方法，其優(yōu)點是高爐煤氣（BFG）主要由水蒸氣和氮氣組成，只有少量的二氧化碳。瑞典一個由瑞典鋼鐵工業(yè)聯(lián)合會（SSAB）運營的鋼鐵廠，計劃采用一種叫做Hybrit的工藝建造一個DRI試驗廠。如果試點成功，有望在2025年開始擴大到50萬噸／年的示范能力，計劃在2035年完成整個示范工程。

從理論上講，氫還可以作為還原劑來生產(chǎn)銀、金和鉑等金屬，但尚不適用于商業(yè)用途。

生產(chǎn)鹽酸

鹽酸（HCl）的大規(guī)模生產(chǎn)幾乎總是與其他化學(xué)品的工業(yè)規(guī)�；�生產(chǎn)相結(jié)合，可以變相的看做是一種副產(chǎn)品。然而，純氯氣可以直接與氫結(jié)合，在紫外光的照射下直接生成氯化氫。這是一種高度放熱反應(yīng)，很少用于商業(yè)生產(chǎn)氯化氫。

氫化劑

氫被用來把不飽和脂肪轉(zhuǎn)化為飽和油和脂肪。例如，食品工業(yè)使用氫來制造氫化植物油，如人造黃油和黃油。

飽和油和脂肪的加氫是一個間歇過程，發(fā)生在一個加熱罐（見圖2）中。進料油（如葵花籽或橄欖油）被泵入加熱的壓力容器，并在加熱時保持真空以抑制氧化。將溫度升高到140－250℃，攪拌混合物以確保溫度均勻。將與少量油混合的鎳催化劑固體泵入反應(yīng)容器中，接著送入氫氣，這將使壓力達(dá)到2．7－4 barg。加氫反應(yīng)為放熱反應(yīng)，因此去除外部加熱并冷卻，劇烈攪拌，確保溫度保持在70－80℃范圍內(nèi)。40－60分鐘后，氫化油混合物被泵出，形成漿狀物，催化劑固體在過濾器中去除。冷卻到室溫可以使氫化油凝固。

圖二 反應(yīng)容器

原子氫焊接

原子氫焊接（AHW）是一種在氫氣的保護氣氛中，兩個金屬鎢電極之間的電弧焊的工藝，可用于焊接難熔金屬和鎢。

氫氣作為冷卻劑

許多現(xiàn)代大型發(fā)電機使用氫氣作為轉(zhuǎn)子冷卻劑，其壓力約為4bar。其優(yōu)點是：

低密度（比空氣低的風(fēng)阻損失，約10％）；

高導(dǎo)熱性（減小冷卻器尺寸）；

高比熱容；

它比空氣清潔，因此降低套管電阻的可能性較小。

作為搜索氣體

由于氫氣對環(huán)境的影響小于過去使用的基于CCLF3的氣體，因此許多制造廠都使用氫氣來檢查泄漏情況。氫可以單獨使用，也可以與其他元素一起使用。

甲醇生產(chǎn)

甲醇可以由合成氣（一氧化碳和氫氣）在涂有銅和鋅氧化物的氧化鋁顆粒催化劑固定床反應(yīng)器中生產(chǎn)。甲醇也可以通過氫和二氧化碳的直接結(jié)合來進行制備：近年來，這種反應(yīng)一直備受關(guān)注，因為它提供了將大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為化石燃料的可能性。

而其挑戰(zhàn)在于過程的熱力學(xué)效率（如何使最終甲醇中的有用能量比生產(chǎn)甲醇所需的總工藝能量更多）。大部分的工作都集中在尋找一種好的催化劑上，這樣甲醇就可以以高效的速度在高選擇性的條件下生產(chǎn)出來。US4的研究人員發(fā)現(xiàn)，鈀和銅的結(jié)合分散在多孔支撐材料上的催化劑納米粒子可以產(chǎn)生最有效的轉(zhuǎn)化，用于增加催化劑的表面積。一個核桃大小的催化劑顆粒，內(nèi)部表面積類似于一個足球場。

在這個過程中，氫氣和二氧化碳被泵入到裝有催化劑的反應(yīng)容器的密封室中，被加熱到180－250℃。二氧化碳到甲醇的最大轉(zhuǎn)化率約為24％。未轉(zhuǎn)化的二氧化碳和氫氣被回收并返回容器內(nèi)。目前還沒有該過程的整體熱力學(xué)效率的報道。

制造過氧化氫

過氧化氫是臨床和醫(yī)院常用的常規(guī)殺菌劑。它是一種強氧化劑，特別適用于清洗傷口、切口和其他受損組織部分。它還用于漂白頭發(fā)、美白牙齒和去除衣服上的污漬。在研究中，H2O2也被用于檢測過氧化氫酶等酶的抗氧化能力。

過氧化氫通常是在一個多步驟、能源密集型的制造過程，需要大規(guī)模生產(chǎn)，并以高度濃縮的形式運輸和儲存。制造過程涉及到以蒽醌（Q）為氫載體，與大氣中的O2反應(yīng)。第一步是氫化，鈀催化條件下氫和蒽醌反應(yīng)生成H2Q。在第二步中，鈀催化劑從溶液中過濾出來。接下來，通過向溶液中吹入空氣來氧化溶液，形成H2O2，并釋放出蒽醌。最后，在液－液萃取塔中除去過氧化氫，并通過真空蒸餾濃縮。

最近，英國和美國的研究人員開發(fā)了一種按需生產(chǎn)過氧化氫的方法，該方法通過一個簡單的一步過程，允許在現(xiàn)場以少量氫和氧直接生產(chǎn)稀釋的過氧化氫。這可以使它更容易走進世界欠發(fā)達(dá)地區(qū)，在那里可以用來凈化水。含有鈀和六個其他元素的雙金屬化合物可以有效催化氧的氫化，形成過氧化氫。

作為還原劑

氫是氧化還原反應(yīng)的關(guān)鍵元素。例如，它被用于平板玻璃的制造，以防止形成氧化亞錫（SnO）。

化學(xué)分析

氫用于各種化學(xué)分析方法。這些方法包括原子吸收光譜法，在這里氫被用作燃料來產(chǎn)生熱量，同時產(chǎn)生中性原子。

氣相色譜

氫是氣相色譜中可用作載相的氣體之一，用于分離揮發(fā)性物質(zhì)。

氣象氣球

因為氫比其他氣體輕，所以氣象學(xué)家仍然把它用于高空氣象氣球。

能量載體

氫氣不是能源，而是以可用的形式儲存和輸送能量。除了用于加熱和CHP外，它還用作氫燃料電池的燃料，在汽車、火車、輪船和自行車等運輸工具中使用。

文/七喜