神奇的氢气和一氧化碳聂国印 1聂旭春 2（1、内蒙古自治区煤田地质局，内蒙呼和浩特，2、广州大学化学工程学院）摘要：氢气和一氧化碳都是气体，都是还原剂，神奇的是煤炭、石油、生物质等所有的碳氢化合物都能还原，形成以氢气和一氧化碳为主的稳定的混合气体，经过分离、提纯可以得到纯净的氢气和一氧化碳。虽然理论上氢气和一氧化碳都具有还原性，但由于一氧化碳具有剧毒，氢气昂贵难制，又都没有大量应用于工业生产中。随着煤炭气化制氢技术的成熟，是氢气和一氧化碳经济的大量应用于工业化生产的开始；是氢产业、一氧化碳产业的开始。氢气和一氧化碳可以在铁冶炼、铝冶炼、铜冶炼、铅锌冶炼、高铝粉煤灰冶炼、多晶硅冶炼等行业发挥重要作用。关键词：氢气；一氧化碳；还原；产业；冶炼；气法冶炼；研究。1.前 言氢气和一氧化碳都是气体，都是还原剂，神奇的是煤炭、石油、生物质等所有的碳氢化合物在合适的温度、合适的压力、合适的碳、氢、氧的元素比例同时具备的条件下，都能还原，形成以氢气和一氧化碳为主的稳定的混合气体，经过分离、提纯可以得到纯净的氢气和一氧化碳。 1 虽然理论上氢气和一氧化碳都具有还原性，但由于一氧化碳具有剧毒，氢气昂贵难制，又都没有大量应用于工业生产中。随着煤炭气化制氢技术的成熟，神华煤制油化工有限公司于2008年12月实现了日产氢气626t,氢气纯度为99.5%； 2 氢气和一氧化碳的混合气体成本为1.07元/m 3以内； 3 是氢气和一氧化碳经济的大量应用于工业化生产的开始；是氢产业、一氧化碳产业的开始。2.氢 气 和 一氧化碳的研究现状2.1氢 气 研究现状氢通常的单质形态是氢气，它是无色无味无臭，极易燃烧的由双原子分子组成的气体。理论上“在高温下用氢将金属氧化物还原以制取金属较之其他方法，产品的性质更易控制，同时金属的纯度也高，广泛用于钨、钼、钴、铁等金属粉末和锗、硅的生产。 ”氢在元素周期表中位于第一位，它具有极强的还原性，但是实际却没有大量工业应用。目前对氢气的研究主要集中于制氢、氢燃料电池、储氢、输氢的研究，但氢气在冶炼工业的应用研究却是空白。部分制氢技术已成熟；氢燃料电池汽车早在2008年奥运会就进行了示范运营；储氢、输氢的研究局部应用已实现，正在进行深入研究，以适应氢能时代的要求。 42.2一氧化碳研究现状一氧化碳是无色、无臭、无味的气体，故易于忽略而致中毒。化学性质有：可燃性和还原性和毒性。一氧化碳作为还原剂，高温或加热时能将许多金属氧化物还原成金属单质，实验室利用一氧化碳实现了还原氧化铜、三氧化二铁、氧化锌，因此常用于金属的冶炼，但是工业上金属冶炼却是以焦炭形式实现的。由于受焦炭的历史沿革、一氧化碳的剧毒影响，理论上对一氧化碳研究不多，就连如何储存、运输都没有深入研究，研究较多的是其毒性，影响了工业实际应用。3.加强氢 气 和 一氧化碳储存、运输、应用的研究3.1氢 气 储存、运输的研究储氢、输氢的研究局部应用已实现，正在进行深入研究，以适应氢能时代的要求。随着氢2能时代的临近，应该开展氢气的管道运输研究。3.2一 氧 化 碳 储存、运输的研究目前一氧化碳储存、运输的研究却是空白，应该系统地研究一氧化碳的储存、运输的基础知识，实现全面替代焦炭用于工业冶炼。3.3氢 气 和一氧化碳应用的研究氢气和一氧化碳主要应用于工业冶炼行业，可以全面开展其他行业的应用研究，如飞机和航母的液态氢燃料、一氧化碳制备富勒烯等等。工业冶炼有火法和湿法之分，有了充足的氢气和一氧化碳资源，由于氢气的极强还原性适合整个冶炼行业（金属、非金属、稀土），全面开展气法冶炼的研究，即直接用氢气或一氧化碳气体还原金属、非金属、稀土元素。随着一氧化碳产业化的成熟，可以捕捉工业二氧化碳还原一氧化碳。4.氢 气 和 一氧化碳的主要应用4.1加 强 一 氧 化 碳 制 碳 纳 米 管 的研究碳纳米管的制备方法很多，到目前为止，人们尝试了多种制备方法，如石墨电弧法、热解法、激光蒸发法、等离子体法、化学气相沉积法等等。当今世界公开报道高质、高效、连续大批量工业化生产碳纳米管的实例：沸腾床催化法、化学气相沉积法。 5 煤 炭 气 化 制 氢 的 副 产 品CO有用于他用等环保措施跟进的必要， 1 然而在碳纳米管的制备中恰好有CO化学气相沉积法，二者的完美结合形成了高效、环保的煤制氢源和碳纳米管法。应加强一氧化碳制碳纳米管的产业化研究，加速形成氢能时代的煤制氢源和碳纳米管产业化。4.2加 强 一 氧 化 碳 在 铁 冶 炼 的研究焦炭的作用是：提供热量；提供还原剂；作料柱的骨架。化学方程式分别为：Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2,Fe 3O4+4CO=3Fe+4CO2。电炉炼铁没有用焦炭作骨架直接向炉内通煤气（一氧化碳）也实现了工业化， 6 充分说明一氧化碳完全可以取代焦炭实现工业冶炼。加强研究用其他方法解决料柱的骨架，提供热量，直接用一氧化碳还原铁。4.3开 展 一 氧 化 碳 和 氢 气 在 铝 冶 炼 的研究电解铝是高耗能、高污染的行业。开展研究一氧化碳和氢气在电解铝行业的应用：化学方程式：AI 2O33CO2AI3CO 2理论上是成立的，具体反应条件的研究；如果一氧化碳还原三氧化二铝实现不了，可以研究用氢气还原三氧化二铝，AI 2O33H 22AI3H 2O。4.4开 展 氢 气 在 铜 冶 炼 的研究炼铜原料有铜的硫化物、铜的氧化物、和少量盐三种，目前冶炼方法有火法和湿法，也是高耗能、高污染的行业。开展研究用氢气提炼铜，硫化物：CuS+H 2=Cu+H2S；氧化物：CuO+H2=Cu+H2O；盐：CuSO 4+H2=Cu+H2SO4。4.5开 展 氢 气 在 铅 锌 冶 炼 的研究铅锌矿多数伴生，原料有硫化物、氧化物、和少量盐三种，目前冶炼方法有火法和湿法，也是高耗能、高污染的行业。硫化精矿中主要的金属硫化物有：PbS、ZnS、FeS 2、CuFeS 2、CdS、Hg 2S、AgS、Sb 2S3，开展研究按其在元素周期表的顺序，有经济价值的按不同的反应温度逐个还原FeS 2、CuFeS 2、AgS、ZnS、CdS、Hg 2S、PbS、Sb 2S3；同上还原其氧化物；同上还原其盐。4.6开 展 氢 气 和 一 氧 化 碳 在 高 铝 粉 煤 灰 冶 炼 的研究3粉煤灰的化学成分主要是二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁、二氧化钛、氧化镁、氧化钙以及其他碱金属氧化物和稀有元素，其中三氧化二铝含量30以上的粉煤灰被称为高铝粉煤灰，具有很高的开发利用价值。开展研究氢气和一氧化碳按不同的反应温度逐个还原MgO、TiO 2、Fe 2O3、Al 2O3，如有经济价值，甚至还原CaO、SiO 2。4.7开 展 氢 气 和 一 氧 化 碳 在 多 晶 硅 冶 炼 的研究利用一氧化碳和氢气采用硅烷法制取多晶硅：无论是改良西门子法还是硅烷法在制取高纯度硅时，主要是在电弧炉中用碳还原石英砂而成，反应方程式：SiO 22CSi2CO,碳需要提纯，CO又是有害气体；改进为利用一氧化碳还原二氧化硅：SiO 22COSi2CO 2，既经济又环保；硅烷的制备方法为高温下利用硅和氢气合成硅烷：Si2H 2高温SiH 4，此法除百度百科有叙述外，未见有产业化报道，但高纯硅烷已产业化；以区别“现代硅烷的制备采用歧化法，即以冶金级硅与SiC1 4为原料合成硅烷，首先用SiCl 4、Si和H 2反应生成SiHCl 3，然后SiHCl 3歧化反应生成SiH 2Cl2，最后由SiH 2Cl2进行催化歧化反应生成SiH 4，即：3SiCl4+Si+2H2=4SiHCl3，2SiHC1 3=SiH2Cl2+SiC14，3SiH 2C12=SiH4+2SiHC13。 ”7 其他工序走硅烷法工艺路线。优点：技术成熟，成本低，降低了现代硅烷法的安全性差，高污染的隐患，能与煤制氢气联产。缺点：安全性差，有污染。5 .社会效应由于一氧化碳具有剧毒，氢气昂贵难制，焦炭的历史沿革，使人们淡忘了氢气和一氧化碳的化学性质，随着煤炭气化制氢技术的成熟，让我们揭开氢气和一氧化碳神奇的面纱，为人类创造真正的文明吧！它将改变世界。6.运 作 方 式申请国家示范项目，国家出资进行，首先开展煤制氢气和一氧化碳示范项目，然后全面联合科研院所、大中院校进行氢气和一氧化碳的储存、运输、应用的研究，迅速占领氢气和一氧化碳产业化的世界高地。参考文献1聂国印聂旭春氢能时代煤化工的思考城市建设理论研究2013年3月第9期总第075期2任相坤袁明高聚忠神华煤制氢技术发展现状煤质技术2006年1月第1期3刘芹邢涛浅析煤制天然气的工艺流程与经济性化工设计2010年03期4欧训民氢能制取和储存技术研究发展综述能源研究与信息第25卷第1期5朱华碳纳米管的制备方法研究进展江苏陶瓷2008年8月第41卷第4期6王梧冶金动态冶金管理2011年第10期7吕永梅多晶硅产业状况及发展趋势第13界“佑利杯”论文交流会文集作者简介：聂国印（1963-），男，教授级高级工程师，主要从事煤田地质、石油地质工作。电话号码：18947126252；邮箱：nieguoyin105sina.com。