В условиях растущего глобального стремления к чистой энергии и устойчивому развитию водородная энергетика, как эффективный и экологически чистый энергоноситель, постепенно входит в поле зрения людей. Будучи ключевым звеном в цепочке водородной энергетики, технология очистки водорода не только влияет на безопасность и надежность водородной энергии, но и напрямую влияет на сферу ее применения и экономическую выгоду.
1. Требования к водороду, получаемому из продукта.
Водород, как химическое сырье и энергоноситель, предъявляет различные требования к чистоте и содержанию примесей в зависимости от области применения. При производстве синтетического аммиака, метанола и других химических продуктов, для предотвращения отравления катализатора и обеспечения качества продукции, необходимо предварительно удалять сульфиды и другие токсичные вещества из подаваемого газа, чтобы снизить содержание примесей и соответствовать требованиям. В таких отраслях промышленности, как металлургия, керамика, стекло и полупроводники, водород непосредственно контактирует с продуктами, и требования к чистоте и содержанию примесей здесь более строгие. Например, в полупроводниковой промышленности водород используется в таких процессах, как подготовка кристаллов и подложек, окисление, отжиг и т. д., где действуют чрезвычайно высокие ограничения на содержание примесей, таких как кислород, вода, тяжелые углеводороды, сероводород и др.
2. Принцип действия деоксигенации
Под действием катализатора небольшое количество кислорода в водороде может реагировать с водородом, образуя воду и тем самым осуществляя деоксигенацию. Эта реакция является экзотермической, и уравнение реакции выглядит следующим образом:
2H₂ + O₂ (катализатор) - 2H₂O + Q
Поскольку состав, химические свойства и качество самого катализатора не изменяются до и после реакции, катализатор можно использовать непрерывно без регенерации.
Деоксидатор имеет внутреннюю и внешнюю цилиндрическую конструкцию, при этом катализатор размещен между внутренним и внешним цилиндрами. Внутри внутреннего цилиндра установлен взрывозащищенный электрический нагревательный элемент, а в верхней и нижней частях каталитического наполнителя расположены два датчика температуры для определения и контроля температуры реакции. Внешний цилиндр обтянут изоляционным слоем для предотвращения потерь тепла и предотвращения ожогов. Сырой водород поступает во внутренний цилиндр через верхний вход деоксидатора, нагревается электрическим нагревательным элементом и проходит через каталитический слой снизу вверх. Кислород в сыром водороде реагирует с водородом под действием катализатора, образуя воду. Содержание кислорода в водороде, выходящем через нижний выход, может быть снижено до уровня ниже 1 ppm. Образовавшаяся в результате реакции вода выходит из деоксидатора в газообразном виде вместе с водородом, конденсируется в последующем водородном охладителе, фильтруется в воздушно-водяном сепараторе и удаляется из системы.
3. Принцип действия сухости
Для сушки водорода используется метод адсорбции с применением молекулярных сит в качестве адсорбентов. После сушки точка росы водорода может достигать значения ниже -70 ℃. Молекулярное сито представляет собой алюмосиликатное соединение с кубической решеткой, которое после дегидратации образует множество полостей одинакового размера и обладает очень большой площадью поверхности. Молекулярные сита называются молекулярными ситами, потому что они способны разделять молекулы различной формы, диаметра, полярности, температуры кипения и степени насыщения.
Вода — это сильно полярная молекула, и молекулярные сита обладают сильным сродством к воде. Адсорбция молекулярных сит — это физическая адсорбция, и когда адсорбция достигает насыщения, требуется некоторое время для нагрева и регенерации, прежде чем адсорбция может произойти снова. Поэтому в очистное устройство включает как минимум два осушителя, один из которых работает, а другой регенерируется, чтобы обеспечить непрерывное производство водорода, стабильного по точке росы.
Сушилка имеет внутреннюю и внешнюю цилиндрическую конструкцию, при этом адсорбент загружается между внутренним и внешним цилиндрами. Внутри внутреннего цилиндра установлен взрывозащищенный электрический нагревательный элемент, а два датчика температуры расположены сверху и снизу наполнителя из молекулярного сита для определения и контроля температуры реакции. Внешний цилиндр обернут изоляционным слоем для предотвращения потерь тепла и предотвращения ожогов. Поток воздуха в режиме адсорбции (включая первичный и вторичный режимы работы) и в режиме регенерации обратный. В режиме адсорбции верхняя труба является выходом газа, а нижняя – входом. В режиме регенерации верхняя труба является входом газа, а нижняя – выходом. В зависимости от количества сушилок, система сушки может быть разделена на двухбашенные и трехбашенные сушилки.
4. Двухбашенный процесс
В устройстве установлены два осушителя, которые поочередно работают и регенерируются в течение одного цикла (48 часов), обеспечивая непрерывную работу всего устройства. После сушки точка росы водорода может опускаться ниже -60 ℃. В течение рабочего цикла (48 часов) осушители А и В находятся в рабочем и регенеративном состояниях соответственно.
В течение одного цикла переключения сушилка проходит два состояния: рабочее состояние и состояние регенерации.
• Состояние регенерации: Объем технологического газа соответствует полному объему газа. Состояние регенерации включает стадию нагрева и стадию продувки и охлаждения;
1) Этап нагрева – нагревательный элемент внутри сушилки работает и автоматически отключает нагрев, когда верхняя температура достигает заданного значения или время нагрева достигает заданного значения;
2) Этап охлаждения – После прекращения нагрева сушилки поток воздуха продолжает циркулировать внутри нее по первоначальному пути, охлаждая ее до тех пор, пока сушилка не переключится в рабочий режим.
• Рабочее состояние: Объем обрабатываемого воздуха заполнен полностью, нагреватель внутри осушителя не работает.
5. Трехбашенный рабочий процесс
В настоящее время широко используется трехбашенный процесс. В устройстве установлены три осушителя, содержащие осушители (молекулярные сита) с высокой адсорбционной способностью и хорошей термостойкостью. Три осушителя поочередно работают в режиме эксплуатации, регенерации и адсорбции, обеспечивая непрерывную работу всего устройства. После сушки точка росы водорода может достигать значения ниже -70 ℃.
В течение цикла переключения осушитель проходит три состояния: рабочее, адсорбционное и регенерационное. Для каждого состояния расположен первый осушитель, в который поступает неочищенный водород после деоксигенации, охлаждения и фильтрации воды:
1) Рабочее состояние: Объем технологического газа заполнен полностью, нагреватель внутри осушителя не работает, среда представляет собой неочищенный водород;
Вторая сушилка, входящая в систему, расположена в следующем месте:
2) Состояние регенерации: 20% объема газа: Состояние регенерации включает стадию нагрева и стадию охлаждения с помощью продувки;
Этап нагрева – нагревательный элемент внутри сушилки работает и автоматически прекращает нагрев, когда верхняя температура достигает заданного значения или время нагрева достигает заданного значения;
Этап охлаждения – После прекращения нагрева осушителя поток воздуха продолжает циркулировать через него по первоначальному пути, охлаждая его до тех пор, пока осушитель не переключится в рабочий режим; на этапе регенерации в качестве среды используется обезвоженный сухой водород;
Третий входящий сушильный агрегат расположен по адресу:
3) Состояние адсорбции: объем технологического газа составляет 20%, нагреватель в сушилке не работает, в качестве среды используется водород для регенерации.
Дата публикации: 19 декабря 2024 г.
