Система очищення водню

Водень є перспективним чистим носієм енергії, який можна використовувати для різних застосувань, таких як паливні елементи, виробництво електроенергії та транспорт. Однак виробництво водню часто включає домішки, які можуть вплинути на його якість і продуктивність. Тому очищення водню є важливим кроком для забезпечення ефективності та безпеки використання водню.

Адсорбція коливань тиску
Адсорбція під тиском (PSA) — це широко використовуваний метод очищення водню, який базується на вибірковій адсорбції домішок на пористих матеріалах, таких як активоване вугілля або цеоліти, під високим тиском. Потім адсорбовані домішки вивільняються шляхом зниження тиску та промивання адсорбенту продувним газом. PSA може досягти високої чистоти та відновлення водню, але це також вимагає високого споживання енергії, великого розміру обладнання та періодичної регенерації адсорбенту.

Відділення мембрани
Мембранне відділення — ще один поширений метод очищення водню, який використовує тонкі та проникні матеріали, такі як полімери, метали або кераміка, для відділення водню від інших газів на основі їх молекулярного розміру, форми або спорідненості. Мембранне відділення може працювати при низькому тиску або температурі навколишнього середовища, що зменшує енергетичні та капітальні витрати. Однак розділення мембран також стикається з такими проблемами, як забруднення мембрани, деградація та селективність.

Кріогенна дистиляція
Кріогенна дистиляція — це метод очищення водню, який використовує різні точки кипіння водню та інших газів. Охолоджуючи газову суміш до надзвичайно низьких температур, водень можна відокремити у вигляді пари, тоді як домішки конденсуються у вигляді рідини. Кріогенна дистиляція може досягти дуже високої чистоти та відновлення водню, особливо для видалення інертних газів, таких як азот і гелій. Однак кріогенна дистиляція також передбачає високе енергоспоживання, складне обладнання та ризики безпеки.

Дифузія паладію
Дифузія паладію — це метод очищення водню, який використовує унікальну властивість металевого паладію, здатного поглинати та дифундувати атоми водню через його гратчасту структуру. Застосовуючи градієнт тиску або температури через тонку паладієву мембрану, водень може вибірково транспортуватися з одного боку на інший, залишаючи позаду домішки. Дифузія паладію може досягти надвисокої чистоти та відновлення водню, але вона також страждає від високої вартості матеріалів, обмеженої доступності та сприйнятливості до отруєння та крихкості.

Біологічні методи
Біологічні методи — це нові методи очищення водню, які використовують мікроорганізми, такі як бактерії, водорості або гриби, для перетворення або видалення домішок із газоподібного водню. Наприклад, деякі бактерії можуть використовувати окис вуглецю, поширену домішку у виробництві водню, як субстрат для росту та виробляти вуглекислий газ і воду як побічні продукти. Біологічні методи можуть запропонувати низьке споживання енергії, переваги для навколишнього середовища та потенційні продукти з доданою вартістю. Однак біологічні методи також стикаються з такими проблемами, як низька ефективність, масштабованість і стабільність.

Вперше дослідники вилучили 98,8 відсотка водню зі звичайного водяного охолоджуваного реактора конверсії водяного газу, що є найвищим показником, коли-небудь зареєстрованим.

У традиційних методах виділення водню використовується реактор конверсії водяного газу, що вимагає додаткової стадії. У реакторі конверсії водяного газу монооксид вуглецю спочатку перетворюється на вуглекислий газ, а потім водень і вуглекислий газ розділяються за допомогою процесу абсорбції. Компресор використовується для створення тиску в очищеному водні для негайного використання або зберігання.

Використання високотемпературних протонселективних полімерних електролітних мембран, або PEM, необхідне для швидкого та економічного відділення водню від інших молекул газу, таких як діоксид вуглецю та монооксид вуглецю. Він також може працювати при більш високих температурах, ніж інші високотемпературні електрохімічні насоси типу PEM, покращуючи його здатність відокремлювати водень від інших газів.

Процес очищення воднем
Щоб досягти поділу, команда використала електродний «сендвіч», у якому електроди з протилежними зарядами служать «хлібом», а мембрана — «м’ясним делікатесом». Іономерні сполучні матеріали для електродів призначені для утримування електродів разом, подібно до того, як глютен утримує разом хліб.

Скибочка хліба, або позитивно заряджений електрод, у насосі вивільняє протони та електрони з водню. Поки протони рухаються через мембрану, електрони рухаються через насос через дріт, який торкається позитивно зарядженого електрода. Пройшовши через мембрану та досягнувши негативно зарядженого електрода, протони й електрони знову об’єднуються, утворюючи водень.
Оскільки PEM пропускає лише протони, монооксид вуглецю, вуглекислий газ, метан і азот не можуть проходити через нього. Команда створила адгезивний зв’язувальний іономер фосфонової кислоти, щоб утримувати частинки електрода у водневому насосі разом, щоб вони могли нормально функціонувати.

Дослідники використовуватимуть свій підхід та інструменти для дослідження очищення водню в газопроводах. Хоча цей метод транспортування та зберігання водню ще не застосований на практиці, він багатообіцяючий. Водень можна використовувати для підтримки сонячних і вітрових енергетичних систем, а також для багатьох інших екологічно чистих застосувань, використовуючи паливні елементи або турбогенератори.

Промисловий газ містить велику кількість відхідних газів з різним воднем. Розділення та очищення водню також є однією з перших індустріалізованих галузей технології PSA.

Принцип PSA розділення газової суміші полягає в тому, що адсорбційна здатність адсорбенту для різних компонентів газу змінюється зі зміною тиску. Компоненти домішок у вхідному газі видаляються шляхом адсорбції під високим тиском, і ці домішки десорбуються шляхом зниження тиску та підвищення температури. Мета видалення домішок і вилучення чистих компонентів досягається за рахунок зміни тиску і температури.

У виробництві водню PSA використовується адсорбент на основі молекулярних сит JZ-512H для відділення багатого водню для отримання водню, що завершується зміною тиску в адсорбційному шарі. Оскільки водень дуже важко адсорбувати, інші гази (які можна назвати домішками) легко або легко адсорбуються, тому газ, збагачений воднем, утворюватиметься, коли він буде близьким до вхідного тиску обробленого газу. Під час десорбції (регенерації) виділяються домішки, і тиск поступово знижується до тиску десорбції.
Адсорбційна вежа по черзі здійснює процес адсорбції, тиску. вирівнювання та десорбція для досягнення безперервного виробництва водню. Насичений водень надходить у систему під певним тиском. Збагачений воднем проходить через адсорбційну вежу, заповнену спеціальним адсорбентом від низу до верху. Co / CH4 / N2 утримується на поверхні адсорбенту як сильний адсорбційний компонент, а H2 проникає в шар як адсорбційний компонент. Продукт водню, зібраний у верхній частині адсорбційної вежі, виводиться за межі. Коли адсорбент у шарі насичується CO / CH4 / N2, насичений воднем перемикається в інші адсорбційні вежі. У процесі адсорбційної десорбції певний тиск продукту водню все ще залишається в адсорбованій вежі.

Ця частина чистого водню використовується для вирівнювання та промивання інших щойно десорбованих опор вирівнювання тиску. Це не тільки дозволяє використовувати водень, що залишився в адсорбційній вежі, але також уповільнює швидкість підвищення тиску в адсорбційній вежі, уповільнює ступінь втоми в адсорбційній вежі та ефективно досягає мети відділення водню.

Газоподібний водень виробляється в результаті різноманітних процесів і зазвичай у нечистій формі. Типові процеси включають хімічний синтез шляхом парового риформінгу метану, виділення газів із стиролових або етиленових заводів, де газоподібний водень виробляється як побічний продукт, і нафтохімічні застосування, такі як гідрокрекінг або десульфурація. Щоб використовувати водень, необхідний процес очищення для створення очищеного газоподібного водню. Адсорбція під тиском водню (H2PSA) — це процес, який використовує летючість водню та його загальну відсутність полярності та спорідненості до цеолітів для очищення потоків забрудненого газу.

Генерація водню зазвичай включає виробництво забруднень або побічних продуктів, які необхідно видалити. До нього входять такі сполуки, як оксид вуглецю, вуглекислий газ, азот, вода та вуглеводні, що не прореагували. Hydrogen PSA використовує переваги переважної адсорбції цих компонентів, видаляючи їх із потоку водню, щоб отримати очищений водень.

Традиційно Hydrogen PSA використовує переваги кількох ситових шарів і складається з чотирьох фаз: фази адсорбції, фази зниження тиску, фази регенерації та фази відновлення тиску. У процесі потік забрудненого водню пропускається в шар сита, де домішки вибірково адсорбуються на молекулярному ситі під тиском. Після завершення етапу адсорбції регенерація здійснюється шляхом зниження тиску в шарі, що зменшує спорідненість домішок, що дозволяє їх відкинути.

Подальше очищення шару досягається продуванням чистим воднем для видалення будь-яких забруднень, що залишилися. У шар знову створюється тиск для повторення процесу адсорбції. Шари працюють синхронно, щоб забезпечити постійне виробництво водню.

Продукція продається в усіх регіонах Китаю та експортується в країни світу. Вони були продані в понад 20 країнах і регіонах, включаючи Сполучені Штати, Німеччину, Марокко, Кенію, Саудівську Аравію, В’єтнам, Алжир, Індію, Танзанію та Тайвань. Успішно надані такі відомі підприємства, як China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group та інші відомі підприємства. Існує багато станцій гідрогенізації зеленого водню, таких як Вуланчабу, Хайкоу, Хайнань, Хайнань Хайкоу, Юньнань Куньмін тощо, які забезпечують проекти з виробництва екологічно чистого водню.