Классификация водорода

Качество водорода, как и любого промышленного газа, определяется его чистотой, то есть содержанием примесей.
В зависимости от метода получения водород может содержать различные примеси.


Крупнотоннажное производство водорода основано на процессах получения водорода из углеводородного сырья. Такие методы, как конверсия метана с водяным паром, каталитическое окисление метана, а также крекинг и риформинг позволяют получать водород в виде водородсодержащего газа, то есть его смеси с газообразными углеводородами и продуктами их окисления – СО и углекислого газа. При этом содержание водорода в такой смеси на выходе из реактора редко превышает 50%. Отделение целевого продукта от примесей проводят низкотемпературной конденсацией, позволяющей отделить водород от газообразных углеводородов (метана и этана), дальнейшая ректификация позволяет получать водород чистотой до 95%. Наиболее распространённым методом выделения водорода из водородсодержащего газа является адсорбционное выделение на цеолитах, в том числе адсорбция при переменном давлении (pressure swing adsorption, PSA). Этот способ позволяет добиваться чистоты водорода до 99,99%. Однако, водород, получаемый из углеводородного сырья, даже прошедший описанную выше многостадийную очистку содержит достаточно высокое количество угарного газа, что препятствует его применению во многих отраслях промышленности.

Другим источником водорода, исключающим наличие таких примесей является вода (или водный раствор щёлочи).
Процесс электролиза воды широко распространен в промышленности для получения водорода высокой чистоты. Основными примесями в этом случае могут быть водяной пар, кислород и щёлочь.

В России качество водорода, получаемого методом электролиза воды, регламентируется двумя государственными стандартами, которые рассмотрены ниже.

 

ГОСТ 3022-80 «Водород технический»

Согласно настоящему ГОСТу водород классифицируется на марки «А» и «Б».
Водород марки «А» имеет чистоту 99,99% и предназначен для использования в электронной, фармацевтической и химической промышленностях, в порошковой металлургии, для восстановления тугоплавких металлов из их оксидов, при спекании изделий из порошков, содержащих хром и нержавеющие стали.
Водород марки «Б» имеет чистоту 99,95%, используется в электронной, химической, фармацевтической промышленностях, энергетике, промышленности средств связи и цветной металлургии.

 

Физико-химические показатели водорода по ГОСТ 3022-80

 

Наименование показателя

Норма для марки

А

Б

1

Объёмная доля водорода в пересчёте на сухой газ, не менее

99, 99%

99,95%

2

Суммарная объёмная доля кислорода и азота, не более

0,01%

0,05%

3

Массовая концентрация водяных паров (при 20 °С, 1 атм, в баллонах под давлением), не более

0,2 г/м3

0,2 г/м3


 

ГОСТ Р 51673-2000 «Водород газообразный чистый»


Сырьём для получения газообразного чистого водорода является технический водород по ГОСТ 3022, получаемый электролитическим разложением воды с последующим его сжатием и очисткой.
Водород, стандартизируемый по настоящему ГОСТу, предназначен для применения в ракетно-космической технике, в хроматографии, в процессах термообработки металлопродукции, при получении ультрадисперсных металлических порошков и особо чистых металлов, спекании изделий из порошковых материалов, изготовлении изделий электронной техники, нейтрализаторов выхлопных газов автомобилей и других отраслях промышленности и научных исследованиях.
Газообразный чистый водород в сжатом состоянии выпускают высшего, первого и второго сортов.

 

Физико-химические показатели водорода по ГОСТ Р 51673-2000

 

Наименование показателя

Значение

Высший сорт

Первый сорт

Второй сорт

1

Объёмная доля водорода в пересчёте на сухой газ, не менее

99, 9999%

99, 999%

99, 994%

2

Суммарная объёмная доля кислорода и аргона, не более

0,2 ppm

2 ppm

20 ppm

3

Объёмная доля азота, не более

0,5 ppm

5 ppm

20 ppm

4

Объёмная доля метана, не более

0,3 ppm

3 ppm

20 ppm

5

Объёмная доля паров воды, не более

2 ppm

20 ppm

40 ppm

Технические условия на водород

Компании-производители технических газов, обладающие электролизным оборудованием для производства водорода, согласно действующему законодательству также вправе вводить собственные технические условия и декларировать соответствие предлагаемых газов различным маркам, сортам и классам согласно таким ТУ.

Например:

ТУ 2114-016-78538315-2008 (ООО НПК «Наука») классифицирует водород на:

Марка «А» - 99,99999%,

Марка «Б» - 99,9999% и

Марка «В» - 99,999%.

ТУ 20.11.11-012-05015259-2018 (АО «Линде Газ Рус») классифицирует водород на:

Марка «4.0» - 99,99%,

Марка «5.0» - 99,999%,

Марка «5.5» - 99,9995% и

Марка «6.0» - 99,9999%. 

Заключение

Водород, получаемый методом электролиза водного раствора щёлочи (то есть с помощью традиционных щелочных электролизёров) на выходе из электролизного модуля насыщен водяным паром, имеет существенную примесь кислорода (порядка 100 ppm) и может содержать остатки щёлочи, поэтому такие установки оснащаются дополнительными системами очистки для получения водорода высокой чистоты.

Компания ProtonOnSite разработала и предлагает к поставке бесщелочные генераторы водорода, на принципиально новой технологии электролиза без использования щёлочи. В так называемой PEM-технологии электролиза электролитом служит протонообменная мембрана (proton exchange membrane, PEM), а в системе циркулирует только деионизованная вода. Благодаря особенностям этой технологии единственной примесью в производимом водороде являются лишь пары воды, которые удаляются встроенными регенерируемыми осушителями. Таким образом, генераторы водорода ProtonOnSite позволяют получать водород с показателями чистоты, превышающими требования по первому сорту ГОСТ Р 51673-2000 без применения дополнительного оборудования.