氨分解提氢及其在钢铁工业中的应用
氢气及其在钢铁工业中的应用
氢是一种化学元素，在元素周期表中排第一位，元素符号“H”。 氢元素的原子序数为1，原子量为1.008。 它是宇宙中最小的原子，也是自然界中最简单的元素。 它的分子由两个氢原子组成。 它是最轻的气体，密度约为空气的1/14。 它具有三种同位素，即（i）氕、（ii）氘和（iii）氚。 纯氢气无臭、无色、无味。
氢的原子量是所有物质中最低的，因此无论是气体还是液体都具有较低的密度。 在20摄氏度、1个大气压下，氢气的蒸气密度为0.08376千克/立方米。 气态氢的比重为0.0696，因此其密度约为空气的7%。 在常压沸点和1个大气压下，液氢的密度为70.8千克/立方米。 液态氢的比重为0.0708，因此其密度约为水的7%。
在大气压下，氢是沸点低于-253摄氏度的液体，是低于熔点-259摄氏度的固体。 它无毒，但通过置换空气中的氧气而起到简单的窒息剂的作用。 氢气在250kg/m3、常温下以高压气体形式储存时，其与常压的膨胀比为1：240。
氢气的分子比所有其他气体都小，它可以扩散通过许多被认为是气密或其他气体不可渗透的材料。 这一特性使得氢气比其他气体更难控制。 由于液氢的沸点极低，泄漏的液氢会很快蒸发。 氢气泄漏很危险，因为它们与空气混合会引起火灾。 氢气泄漏会造成潜在的火灾危险。
氢在室温下化学性质稳定，这主要是由其组成的氢原子之间的强共价键决定的。 氢分子是一种稳定的分子，具有高键能（104 kcal/mol），但它与许多不同种类的元素发生反应，形成化合物。
氢气正在减少。 它很容易与各种混合比例的氧气反应（燃烧）并形成水。 这也使得氢成为一种能源介质。
氢的能量密度很差（因为它的密度低），尽管它具有所有燃料中最好的能量重量比（因为它很轻）。 在1个大气压、15摄氏度下，氢气的能量密度（低热值，LHV）为2400大卡/立方米，液体的能量密度为2030大卡/立方米。
氢气是一种易燃气体，只要空气进入氢气容器，或者氢气从任何容器泄漏到空气中，氢气就会与氧气混合。 点火源采用火花、火焰或高热的形式。 氢气的闪点低于-253摄氏度。
氢气在空气中的各种浓度（4% 至 75%）以及标准大气温度下的各种浓度（15% 至 59%）下都是易燃的。 氢气在氯气混合物（5% 至 95%）中也会爆炸。 可燃极限随温度升高而增加。 因此，即使少量的氢气泄漏也可能引起燃烧或爆炸。 泄漏的氢气会在密闭环境中浓缩，增加燃烧和爆炸的风险。 氢气的燃烧由公式 H2 + O2 = 2H2O + 136 kcal 描述。
氢气的自燃温度较高，为585摄氏度。 这使得在没有其他点火源的情况下单独使用热量很难点燃氢气/空气混合物。 纯氢氧火焰会发出肉眼看不见的紫外线。 因此，检测燃烧的氢气泄漏是危险的，需要火焰探测器。 氢气具有非常高的研究辛烷值（+130），因此即使在非常稀薄的条件下也能抵抗燃烧。
尽管氢很稳定，但它确实与大多数元素形成化合物。 参与反应时，当氢与电负性较多的元素（如卤素或氧）反应时，它可以部分带正电，但当它与电正性较多的元素（如碱金属）反应时，它可以部分带负电。 。 当氢与氟、氧或氮结合时，它可以参与称为氢键的中等强度非共价（分子间）键，这对于许多生物分子的稳定性至关重要。 与金属和准金属形成氢键的化合物称为氢化物。 氢的氧化除去其电子，产生带有单个正电荷的氢离子。 一般水溶液中的氢离子称为氢离子。 该物种在酸碱化学中至关重要。
氢气生产
尽管从环境和还原动力学的角度来看，氢是优选的还原燃料，但目前它很昂贵。 然而，人们普遍期望发展氢经济以获得廉价的氢气。 为了这个目标，我们投入了大量的努力和资源。 目前制氢采用甲烷重整或水电解，这两种方法都是能源密集型过程。 目前，直接生产的主导技术是碳氢化合物的蒸汽重整。
大量氢气通常通过甲烷或天然气的蒸汽重整产生。 从天然气生产氢气是目前最便宜的氢气来源。 该过程涉及在蒸汽和镍催化剂存在下将天然气加热至 700 摄氏度至 1,100 摄氏度。 由此产生的内热反应分解甲烷分子并形成一氧化碳和氢气。 然后可以将一氧化碳气体与水蒸气一起通过氧化铁或其他氧化物，进行水蒸气转移反应以获得更多的氢气。
在此过程中，高温（700摄氏度至1100摄氏度）蒸汽与甲烷发生内部反应，产生合成气。 该反应由方程式 CH4 + H2O = CO + 3H2 描述。 在第二阶段，通过约 360 摄氏度的低温、放热、水蒸气转移反应产生额外的氢气。 本质上，氧原子从多余的水（蒸汽）中剥离，将一氧化碳氧化成二氧化碳。 这种氧化还提供能量来维持反应。 驱动该过程所需的额外热量通常由燃烧部分甲烷提供。
然而，有大量的研究工作致力于利用太阳能生产氢气，例如通过使用太阳能电池提供电解水所需的电子，或者通过光催化水分离，其中利用阳光对浸入水中的半导体的作用直接生产氢气。
氢气作为铁矿石的还原剂
在铁的生产中，通过将天然气和焦炉煤气等富氢气体或废塑料等材料注入高炉，将氢气与一氧化碳结合，或者用天然气生产直接还原铁。 铁矿石减少。 用氢气还原铁矿石生成纯铁和水的基本化学反应如下。
Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O
Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O
FeO + H2 = Fe + H2O
每吨铁耗氢量约为500N cum。
铁矿石与一氧化碳和氢气的还原平衡是众所周知的。 在850摄氏度以上，氢气的还原能力比一氧化碳还要强。 氢原子尺寸小，扩散性高，被认为是一种更快的还原剂，因此提供了快速还原过程而不排放温室气体的前景。 图 1 给出了用一氧化碳和氢气还原的平衡图。
从图1平衡图可以看出，一氧化碳在低温下还原铁更有效，而氢气在高温下还原氧化铁更有效。
图1 一氧化碳和氢气还原的平衡图
图 2(a) 显示了在颗粒情况下可以多么接近平衡极限。 气体利用率是温度的函数并且取决于还原程度。 未达到热力学极限。 对于流化床反应器中的矿物粉末，反应动力学更为复杂。 图 2(b) 显示了典型赤铁矿粉末在实验室炉中于 450°C 至 800°C 之间被 50% 氢气和 50% 氮气混合物还原时的还原特性。
图2 氢气的气体利用率与温度和还原度的关系
气体利用率取决于温度和还原程度。 最初，气体利用率很高，但在减少 50% 至 60% 后就会下降，特别是在 700 摄氏度左右的温度下。 原因是速率最小效应，这归因于通常在 600 摄氏度到 750 摄氏度之间发生的固相形态变化。 原因之一是水蒸气对 FeO + H2 = Fe + H2O 反应的延迟作用。
流化床的另一个限制因素是粘附，即通过矿石颗粒之间的粘附进行反流化。 它导致流化床破裂，还取决于矿粉的类型和还原程度。 流化床氢还原只有分阶段进行才能实现，其选择取决于每种粉矿的具体还原程度。 已经为几种赤铁矿和磁铁矿物种建立了类似的图表。
氢还原工艺
碳热还原的另一种替代方法是使用氢等离子体进行还原，其中包括氢的振动激发分子、原子和离子态，所有这些都可以还原氧化铁，即使在低温下也是如此。 除了氢等离子体的热力学和动力学优势外，反应的副产物是水，不会造成任何环境问题。 由于原子、离子和振动激发氢物种的存在，等离子体状态的氢为还原提供了热力学和动力学优势。 这些物质携带的能量可以在还原界面处释放，导致局部加热。 因此，氢等离子体的还原不需要像氢分子那样进行体积加热。 这可以减少反应堆热损失并节省成本。 氢等离子体对氧化铁的还原可以在氧化铁的不同物理状态下发生。 根据氧化铁在反应界面的物理状态，氧化铁的氢等离子体还原可分为两类，即（i）非均相过程，其中还原反应发生在氢气与熔融或固态氧化铁的界面上，和 (i) ii) 均相过程，其中氧化铁被汽化，因此反应在气相中发生。 均质过程也可称为解离还原。 绝大多数过程都是异构的，但同质过程的特征是有启发性的。
美国钢铁协会正在开发一种使用氢气作为还原剂的闪速炼铁工艺。 该工艺的能源需求为每吨铁水 2.6 吉卡。 该工艺流程图如图3所示。在闪速炼铁炉中，操作温度为1325摄氏度，停留时间为2秒至10秒。 停留时间是由温度、进料大小和过量气体量/距平衡线距离引起的反应速率的组合。