化工尾气再回收制氢气储存的探讨

＊林旭添

（宁波职业技术学院 浙江 315800）

在化工尾气的回收中，化工企业应充分意识到氢气制取的重要性，明确主要的氢气制取技术；然后再针对已有的氢气储存方法进行科学分析与比较，采取更具应用优势的方法进行氢气储存。通过这样的方式，才可以让化工尾气得到良好的回收与再利用，并进一步提升氢气的储存质量，满足当今社会各个领域对氢气的实际储存及其应用需求，促进相关领域、社会经济与环境的协调可持续发展。

1.化工尾气再回收制氢气概述

（1）化工尾气再回收制氢气的主要意义。通过以往的化工生产实践与相关研究发现，化工尾气中含有大量的氢气资源，如果对其尾气进行合理的再回收，通过氢气提纯技术的良好应用，便可实现高纯度的氢气制取。这样不仅可以让化工企业中的尾气得到良好的回收与再利用，从而实现化工企业经济效益的进一步提升；同时也可以更好地满足当今社会对于氢气能源的实际应用需求，促进相关领域的进一步发展。由此可见，在对化工尾气进行再回收的过程中，氢气制取具有非常好的应用和研究意义。

（2）化工尾气再回收制氢气的主要技术类型。针对化工生产尾气再回收中的氢气制取，最主要的技术措施是纯化。就目前来看，其主要的纯化制取技术类型包括以下几种：

①高压催化技术：其主要原理是让化工尾气中的氢和氧之间进行催化反应，从而将其中的氧去除，此项技术制取的氢气纯度可以达到99.999%，在含氧氢气提纯中十分适用，但是其适用规格比较小。

②金属氢化物分离技术：其主要原理是先让氢和金属反应生成金属氢化物，再通过减压或加热的方法将氢分解出来，此项技术制取的氢气纯度可以达到99.9999%以上，在氧气含量较低、中小型规格的氢气提纯中十分适用。

③高压吸附技术：其主要原理是通过吸附剂将氢气中的杂质选择性吸附去除，此项技术制取的氢气纯度可达到99.999%，在所有含氢气体的氢气提纯中都适用，且其适用规格很大。

④聚合物薄膜扩散技术：其主要原理是根据不同气体在薄膜中的不同扩展速度来提纯氢气，此项技术制取的氢气纯度可达到92.98%，适用于炼油厂废气中的氢气制取，但是其使用规格比较小。

⑤低温分离技术：其主要原理是让氢气在低温条件下冷凝，此项技术制取的氢气纯度可以达到90%～98%，适用于所有含氢气体中的氢气制取提纯，且具有较大的适用规格[1]。

⑥钯合金薄膜扩散技术：其主要原理是钯合金具有选择透过性，只有氢气可从此薄膜中通过，其他任何气体都无法从中通过，此项技术制取的氢气纯度可达到99.9999%以上，在所有低含氢量气体的氢气制取提纯中都非常适用，但是其适用规格不大，仅适合中小型规格。

2.化工尾气再回收制取氢气的主要储存方法

(1)传统储存方法

①高压气态储存法

通常情况下，气态氢需要在地下库房或特殊钢瓶内储存。由于气态氢具有较大的体积，因此在储存过程中，为实现气态氢储存量的提升，就需要对氢气做相应的压缩处理。但是经以往的实践研究发现，氢气压缩不仅具有极高的技术要求，且危险性极大。基于上述情况，此种储存方法在当今并没有达到很高的利用率，也并非氢气储存方法中的最佳选择。

②低温液态储存法

经研究发现，在-254℃的冷却条件下，氢气会转变成液体状态。相比较气体状态的氢气而言，液态氢的体积也会显著缩小。将液态氢储存在高真空状态的特殊绝热容器内，便可实现氢储存量的有效提升。但是此种储存方法需要花费很高的成本，且存在较高的风险性，加之各方面因素的影响，储存在高真空容器中的液态氢也很容易发生泄露[2]。因此，在当今的氢储存中，此种储存方法也并未得到广泛应用。

(2)金属氢化物储氢合金储存法

氢与所有金属氢化物之间的反应都具有可逆性，通过对金属氢化物加热的方式，可将其中的氢气分解并释放出来；而通过氢气与金属之间的反应，又可以生成金属氢化物，使氢以固态的形式结合并储存在金属中。这种金属氢化物被叫做“储氢合金”，此种合金不仅能够释放出大量的氢气，也可以将大量的氢气吸收并储存其中。经研究发现，氢和很多种金属间化物或合金都能够发生反应，从而生成相应的金属氢化物，并伴随着一定的热量释放，其反应式为：

其中，M代表储氢合金，此种合金通常需要两种或两种以上的金属熔炼获得，储氢合金的正向反应是氢气储存，逆向反应是氢气释放，即在受热情况下，储氢合金中储存的氢便会以氢气的形式被释放出来[3]。在压力条件与温度条件不断改变的情况下，储氢合金中的正反应和逆反应将会交替进行，这样便可让储氢合金像吸水的海绵一样不断吸收氢气；也可以像挤出海绵里的水一样不断释放出氢气。当氢气被储氢合金吸附在表面后，便会分解成氢原子，这些氢原子会扩散到储氢合金中的晶格内部，以固溶体的形式在其中随机分布，这种固溶体叫做α相。而在氢原子分布到了晶格内部之后，便会在其中占据一定的空间位置，金属氢化物也由此形成，这种金属氢化物叫做β相。

具有储氢作用的氢化金属通常是合金，其组成元素有两种或多种。从目前已有的相关研究结果来看，储氢合金的基本类型有四种：

①稀土镧镍系合金：经研究发现，1kg镧镍合金中储存的氢气量可以达到153L。

②第二是铁钛合金：此种合金是目前最为广泛应用的一种储氢合金材料，经研究发现，1kg铁钛合金中储存的氢气量可以达到1kg镧镍合金储存氢气量的4倍；同时，此种储氢合金材料也具有活性大、经济实惠等应用优势，且能够在常温常压条件下释放出氢气，从而为氢气的储存及其应用带来了极大便利。

③第三是镁系合金：此种金属是目前具有最大吸氢量的金属材料，但是在具体应用中，其氢气释放条件比较特殊，需要在287℃的加热条件下才可以实现氢气的释放；且此种金属的氢气吸收速度也非常缓慢，这样的情况便使其在氢气储存中的应用受到了诸多限制。

④第四是锆、铌、钒等多种元素组成的合金：此类储氢合金虽然具备良好的储氢性能，但是由于其组成元素为稀贵金属，所以仅在一些比较特殊的储氢场合中适用，并不能得到普遍应用。

3.基属氢化物储氢合基储存法的主要应用优势分析

在当今，金属氢化物形式的储氢合金已经在氢气储存中得到了广泛应用。与传统的氢气储存方法相比，这种新的氢气储存方法具备更多的应用优势。就目前氢气储存中所应用的储氢合金来看，其主要的应用优势表现在以下几个方面：第一是氢气浓度更高，第二是储氢密度更大，第三是安全性更好，第四是使用寿命更长。

(1)氢气浓度更高

相比较其他的氢气储存方法而言，通过金属氢化物形式的储氢合金进行氢气储存，可使其中的氢气具备更高纯度。借助于储氢合金的催化作用，氢分子会转变为氢原子，然后扩散到储氢合金的内部，最终固定在储氢金属晶格中的四面体或八面体空隙里，并将存在于储氢合金颗粒间的气体杂质排出。在这样的情况下，储氢金属内储存的氢气便具有非常高的纯度。就目前常用的储氢合金来看，其中排出的氢气纯度可达到99.999%以上。

(2)储氢密度更大

因为储氢合金内储存的氢是氢原子，所以相比较其他储氢方式而言，此种储氢方法将会让氢具有非常高的密度。表1是几种常见氢储存方法下的氢密度对比情况。

通过表1中对比数据可知，相比较传统的液态氢储存法与固态氢储存法而言，储氢合金法所储存的氢都具有更高的密度，在同等质量的氢气储存中，占用的储存空间也更小[4]。由此可见，储氢合金是更加理想化的氢气储存介质。

表1 几种常见氢储存方法下的氢密度对比情况

(3)安全性更好

相比较传统的氢气储存方法而言，储氢合金在氢气储存中具有更高的安全性。虽然储氢合金的形成过程属于一个放热反应，但由于释放的热量并不是很高，所以基本不存在危险隐患。在储氢合金内的氢以固态形式存在，具有更好的稳定性，通常只有在获取到充足的热量时，才可以将氢以氢气的形式释放出来；当热量供给不足时，氢气释放也会自动停止[5]。在这样的氢气储存和释放条件下，储氢合金就具备了比传统压缩氢气储存和低温液态氢储存方法更高的安全性，通过该储氢方法的合理应用，可有效避免各类安全事故的发生，为氢气的储存和应用提供更好的安全保障。

(4)使用寿命更长

在通过传统储存法进行氢储存时，储氢容器的使用寿命约为15年，但是在具体应用中，由于受到各方面因素的影响，传统储氢容器的实际使用寿命通常都难以达到15年。相比较传统的储氢容器而言，储氢合金具备更长的使用寿命。具体应用中，储氢合金能够反复进行氢气的吸收和释放，其材质不易损坏，容量下降速度也很慢。比如，在TiFe0.8Ni0.2储氢合金经历了65000次氢气吸收和释放之后，其储氢容量下降值仅为16%；同时，在TiFe系列的储氢合金应用过程中，降低的储氢容量还可以再生。这就让储氢合金便具有了更长的使用寿命。通过储氢合金的合理应用，不仅可有效满足氢气的实际储存及其应用需求，同时也可以实现合金材料的显著节约，进一步提升氢气储存方面的经济效益。

4.化工尾气再回收制取氢气及其储存技术发展展望

随着当今社会经济与科学技术的协同发展，化工尾气在回收过程中所应用的氢气制取技术，以及氢气储存过程中所应用的储存技术也实现了不断发展。越来越多的新技术和新材料都将投入到这两项技术的具体应用中，以此来促进其技术优势的充分发挥。

首先是化工尾气回收中的氢气制取方面，虽然目前已经具备了很多的氢气制取与提纯技术，但是一些技术依然存在诸多弊端，并不能在具体的氢气制取与提纯中得以广泛应用。基于此，相关单位和研究者就需要加大力度对一些存在局限性的氢气制取和提纯技术进行研究与改进，并结合化工尾气回收中的氢气制取实际需求，开发更多新的制取与提纯技术，以此来进一步简化其制取流程，提升氢气纯度。

其次是氢气的储存方面，虽然储氢合金在目前已经表现出了非常显著的应用优势，但是由于其中的一些金属为稀贵金属，具有一定的局限性，难以得到广泛应用，基于此，相关单位与研究者还需要对更多的储氢合金原料进行研究，以此来满足储氢合金的实际应用需求，提升氢气储存质量。

5.结束语

综上所述，在化工企业的生产经营中，尾气回收及其再利用是一项重要的工作内容。相关企业应充分了解各种氢气储存技术的适用范围，结合实际情况，采取合理的技术措施来进行氢气储存。同时，研究者也应该加大力度对化工尾气中的氢气制取以及氢气储存技术进行研究，让更多先进的技术和材料被应用其中。这样才可以提升氢气的制取及其储存效果，满足其实际应用需求。