Система очистки водорода

Водород — многообещающий экологически чистый носитель энергии, который можно использовать для различных применений, таких как топливные элементы, производство электроэнергии и транспорт. Однако при производстве водорода часто используются примеси, которые могут повлиять на его качество и производительность. Таким образом, очистка водорода является важным шагом для обеспечения эффективности и безопасности использования водорода.

Адсорбция при переменном давлении
Адсорбция при переменном давлении (PSA) — широко используемый метод очистки водорода, основанный на селективной адсорбции примесей на пористых материалах, таких как активированный уголь или цеолиты, под высоким давлением. Адсорбированные примеси затем высвобождаются за счет снижения давления и продувки адсорбента продувочным газом. С помощью PSA можно добиться высокой чистоты и восстановления водорода, но это также требует высокого энергопотребления, большого размера оборудования и периодической регенерации адсорбента.

Мембранное разделение
Мембранное разделение — еще один распространенный метод очистки водорода, в котором используются тонкие и проницаемые материалы, такие как полимеры, металлы или керамика, для отделения водорода от других газов на основе их молекулярного размера, формы или сродства. Мембранное разделение может работать при низком или атмосферном давлении и температуре, что снижает энергетические и капитальные затраты. Однако мембранное разделение также сталкивается с такими проблемами, как загрязнение мембран, деградация и селективность.

Криогенная дистилляция
Криогенная дистилляция — это метод очистки водорода, в котором используются различные температуры кипения водорода и других газов. Охлаждая газовую смесь до чрезвычайно низких температур, водород можно отделить в виде пара, а примеси конденсировать в виде жидкости. Криогенная перегонка позволяет добиться очень высокой чистоты и восстановления водорода, особенно для удаления инертных газов, таких как азот и гелий. Однако криогенная дистилляция также предполагает высокое энергопотребление, сложное оборудование и риски безопасности.

Диффузия палладия
Диффузия палладия — это метод очистки водорода, в котором используется уникальное свойство металлического палладия, который может поглощать и диффундировать атомы водорода через свою решетчатую структуру. Применяя градиент давления или температуры к тонкой палладиевой мембране, водород можно избирательно переносить с одной стороны на другую, оставляя после себя примеси. Диффузия палладия позволяет достичь сверхвысокой чистоты и восстановления водорода, но она также страдает от высокой стоимости материала, ограниченной доступности, а также подверженности отравлению и охрупчиванию.

Биологические методы
Биологические методы — это новые методы очистки водорода, в которых используются микроорганизмы, такие как бактерии, водоросли или грибы, для преобразования или удаления примесей из газообразного водорода. Например, некоторые бактерии могут использовать окись углерода, распространенную примесь при производстве водорода, в качестве субстрата для роста и производить углекислый газ и воду в качестве побочных продуктов. Биологические методы могут обеспечить низкое энергопотребление, экологические преимущества и потенциальную продукцию с добавленной стоимостью. Однако биологические методы также сталкиваются с такими проблемами, как низкая эффективность, масштабируемость и стабильность.

Впервые исследователи извлекли 98,8 процентов водорода из выходного потока обычного водоохлаждаемого реактора конверсии газа, что является самым высоким показателем, когда-либо зарегистрированным.

В традиционных методах выделения водорода используется реактор конверсии водяного газа, что требует дополнительной стадии. В реакторе конверсии водяного газа окись углерода сначала преобразуется в диоксид углерода, а затем водород и диоксид углерода разделяются с помощью процесса абсорбции. Компрессор используется для создания давления очищенного водорода для немедленного использования или хранения.

Использование высокотемпературных протон-селективных полимерных электролитных мембран (ПЭМ) необходимо для быстрого и экономичного отделения водорода от других молекул газа, таких как диоксид углерода и окись углерода. Он также может работать при более высоких температурах, чем другие высокотемпературные электрохимические насосы типа PEM, что повышает его способность отделять водород от других газов.

Процесс очистки водорода
Чтобы добиться разделения, команда использовала электродный «сэндвич», в котором электроды с противоположными зарядами служат «хлебом», а мембрана — «мясным деликатесом». Иономерные связующие материалы для электродов предназначены для удержания электродов вместе, подобно тому, как глютен скрепляет хлеб.

Ломтик хлеба или положительно заряженный электрод в насосе высвобождает протоны и электроны из водорода. Пока протоны проходят через мембрану, электроны проходят через насос по проводу, который касается положительно заряженного электрода. Пройдя через мембрану и достигнув отрицательно заряженного электрода, протоны и электроны снова объединяются, образуя водород.
Поскольку PEM пропускает только протоны, окись углерода, диоксид углерода, метан и газообразный азот не могут пройти. Команда создала клейкое иономерное связующее на основе фосфоновой кислоты, которое удерживает частицы электродов в водородном насосе вместе, чтобы они могли функционировать должным образом.

Исследователи будут использовать свой подход и инструменты для исследования очистки водорода в газопроводах. Хотя этот метод транспортировки и хранения водорода еще не реализован на практике, он имеет большие перспективы. Водород можно использовать для поддержки систем солнечной и ветровой энергии, а также для множества других экологически чистых применений с использованием топливных элементов или турбогенератора.

Промышленный газ содержит большое количество отходящих газов с различным водородом. Выделение и очистка водорода также является одной из первых промышленных областей технологии PSA.

Принцип разделения газовой смеси ПСА заключается в том, что адсорбционная способность адсорбента по отношению к различным компонентам газа меняется с изменением давления. Компоненты примесей во входящем газе удаляются путем адсорбции под высоким давлением, а эти примеси десорбируются за счет снижения давления и повышения температуры. Цель удаления примесей и извлечения чистых компонентов достигается за счет изменения давления и температуры.

При производстве водорода PSA используется молекулярно-ситовый адсорбент JZ-512H для отделения богатого водорода с получением водорода, что достигается за счет изменения давления в адсорбционном слое. Поскольку водород очень трудно адсорбировать, другие газы (которые можно назвать примесями) легко или легко адсорбируются, поэтому богатый водородом газ будет вырабатываться, когда его давление близко к входному давлению обработанного газа. Примеси выделяются в процессе десорбции (регенерации), а давление постепенно снижается до давления десорбции.
В адсорбционной башне попеременно осуществляется процесс адсорбции под давлением. выравнивание и десорбция для достижения непрерывного производства водорода. Богатый водород поступает в систему под определенным давлением. Богатый водород проходит через адсорбционную башню, заполненную специальным адсорбентом, снизу вверх. Co/CH4/N2 удерживается на поверхности адсорбента как сильный адсорбционный компонент, а H2 проникает в слой как адсорбционный компонент. Продуктовый водород, собранный с верхней части адсорбционной колонны, выводится за пределы границы. Когда адсорбент в слое насыщается CO/CH4/N2, богатый водород переключается на другие адсорбционные колонны. В процессе адсорбции-десорбции определенное давление полученного водорода все еще остается в адсорбционной колонне.

Эта часть чистого водорода используется для выравнивания и промывки других только что десорбированных колонн выравнивания давления. Это не только позволяет использовать оставшийся водород в адсорбционной колонне, но также замедляет скорость повышения давления в адсорбционной колонне, снижает степень усталости в адсорбционной колонне и эффективно достигает цели отделения водорода.

Газообразный водород производится в результате множества различных процессов и обычно производится в нечистой форме. Типичные процессы включают химический синтез путем паровой конверсии метана, удаление газов из заводов по производству стирола или этилена, где в качестве побочного продукта производится газообразный водород, а также нефтехимические применения, такие как гидрокрекинг или десульфуризация. Чтобы использовать водород, необходим процесс очистки для создания очищенного газообразного водорода. Адсорбция водорода при переменном давлении (H2PSA) — это процесс, в котором используется летучесть водорода и его общее отсутствие полярности и сродства к цеолитам для очистки загрязненных газовых потоков.

Производство водорода обычно включает в себя производство загрязняющих веществ или побочных продуктов, которые необходимо удалить. В его состав входят такие соединения, как окись углерода, диоксид углерода, азот, вода и непрореагировавшие углеводороды. Водородный PSA использует преимущественную адсорбцию этих компонентов, удаляя их из потока водорода и получая очищенный водород.

Традиционно водородный PSA использует преимущества нескольких сит и состоит из четырех фаз: фаза адсорбции, фаза сброса давления, фаза регенерации и фаза повторного повышения давления. При этом поток нечистого водорода подается в сито, где примеси избирательно адсорбируются на молекулярном сите под давлением. После завершения стадии адсорбции регенерация осуществляется путем сброса давления в слое, что снижает сродство примесей, позволяя их удалить.

Дальнейшая очистка слоя достигается продувкой чистым водородом для удаления оставшихся загрязнений. В слое снова создается давление, чтобы повторить процесс адсорбции. Слои работают синхронно, что обеспечивает непрерывное производство водорода.

Продукция реализуется во всех регионах Китая и экспортируется в страны мира. Они продаются более чем в 20 странах и регионах, включая США, Германию, Марокко, Кению, Саудовскую Аравию, Вьетнам, Алжир, Индию, Танзанию и Тайвань. Успешно обеспечиваем такие известные предприятия, как China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group и другие известные предприятия. Существует множество станций гидрогенизации зеленого водорода, таких как Уланчабу, Хайкоу, Хайнань, Хайнань, Хайкоу, Юньнань, Куньмин и т. д., которые предоставляют проекты по производству экологически чистого водорода и водорода.