Met de toenemende wereldwijde focus op schone energie en duurzame ontwikkeling, komt waterstofenergie, als efficiënte en schone energiedrager, steeds meer in beeld. Waterstofzuiveringstechnologie, een cruciale schakel in de keten van de waterstofenergie-industrie, is niet alleen van belang voor de veiligheid en betrouwbaarheid van waterstofenergie, maar heeft ook een directe invloed op de toepassingsmogelijkheden en economische voordelen ervan.
1. Eisen voor waterstofproduct
Waterstof, als chemische grondstof en energiedrager, stelt verschillende eisen aan zuiverheid en gehalte aan onzuiverheden in verschillende toepassingsscenario's. Bij de productie van synthetische ammoniak, methanol en andere chemische producten moeten sulfiden en andere giftige stoffen in het toevoergas vooraf worden verwijderd om katalysatorvergiftiging te voorkomen en de productkwaliteit te waarborgen, zodat het gehalte aan onzuiverheden wordt verlaagd en aan de eisen wordt voldaan. In industriële sectoren zoals de metallurgie, keramiek, glas en halfgeleiders komt waterstofgas rechtstreeks in contact met producten, waardoor de eisen aan zuiverheid en gehalte aan onzuiverheden nog strenger zijn. In de halfgeleiderindustrie wordt waterstof bijvoorbeeld gebruikt voor processen zoals kristal- en substraatbereiding, oxidatie, gloeien, enz., waarbij extreem hoge eisen gelden voor onzuiverheden zoals zuurstof, water, zware koolwaterstoffen, waterstofsulfide, enz. in waterstof.
2. Het werkingsprincipe van deoxygenatie
Onder invloed van een katalysator kan een kleine hoeveelheid zuurstof in waterstof reageren met waterstof om water te produceren, waarmee het doel van deoxygenatie wordt bereikt. De reactie is een exotherme reactie en de reactievergelijking is als volgt:
2H₂ + O₂ (katalysator) - 2H₂O + Q
Omdat de samenstelling, chemische eigenschappen en kwaliteit van de katalysator zelf niet veranderen vóór en na de reactie, kan de katalysator continu worden gebruikt zonder regeneratie.
De deoxidator heeft een binnen- en een buitencilinderstructuur, waarbij de katalysator tussen de binnen- en buitencilinder is geplaatst. In de binnencilinder bevindt zich een explosieveilig elektrisch verwarmingselement en twee temperatuursensoren aan de boven- en onderkant van de katalysatorvulling om de reactietemperatuur te meten en te regelen. De buitencilinder is omwikkeld met een isolatielaag om warmteverlies en brandwonden te voorkomen. De ruwe waterstof komt via de bovenste inlaat van de deoxidator de binnencilinder binnen, wordt verwarmd door een elektrisch verwarmingselement en stroomt van onder naar boven door het katalysatorbed. De zuurstof in de ruwe waterstof reageert met de waterstof onder invloed van de katalysator tot water. Het zuurstofgehalte in de waterstof die via de onderste uitlaat naar buiten stroomt, kan worden verlaagd tot minder dan 1 ppm. Het water dat door deze reactie ontstaat, verlaat de deoxidator in gasvorm samen met het waterstofgas, condenseert in de daaropvolgende waterstofkoeler, wordt gefilterd in de lucht-waterafscheider en wordt uit het systeem afgevoerd.
3. Werkingsprincipe van droogte
Het drogen van waterstofgas gebeurt via adsorptie, waarbij moleculaire zeven als adsorptiemiddel worden gebruikt. Na het drogen kan het dauwpunt van het waterstofgas onder de -70 ℃ komen. Moleculaire zeven zijn aluminosilicaatverbindingen met een kubisch rooster, die na dehydratatie veel holtes van gelijke grootte vormen en een zeer groot oppervlak hebben. Moleculaire zeven worden zo genoemd omdat ze moleculen met verschillende vormen, diameters, polariteiten, kookpunten en verzadigingsniveaus kunnen scheiden.
Water is een sterk polair molecuul en moleculaire zeven hebben een sterke affiniteit voor water. De adsorptie van moleculaire zeven is fysische adsorptie, en wanneer de adsorptie verzadigd is, duurt het enige tijd om de zeven te verwarmen en te regenereren voordat er opnieuw geadsorbeerd kan worden. Daarom bevat een zuiveringsinstallatie minstens twee drogers, waarbij de ene in werking is terwijl de andere regenereert, om een continue productie van dauwpuntstabiel waterstofgas te garanderen.
De droger heeft een binnen- en een buitencilinderstructuur, waarbij het adsorptiemiddel tussen de binnen- en buitencilinder is geplaatst. In de binnencilinder is een explosieveilig elektrisch verwarmingselement geïnstalleerd en twee temperatuursensoren bevinden zich aan de boven- en onderkant van de moleculaire zeefvulling om de reactietemperatuur te meten en te regelen. De buitencilinder is omwikkeld met een isolatielaag om warmteverlies en brandwonden te voorkomen. De luchtstroom is omgekeerd in de adsorptiefase (inclusief de primaire en secundaire werkingsfase) en de regeneratiefase. In de adsorptiefase is de bovenste buis de gasuitlaat en de onderste buis de gasinlaat. In de regeneratiefase is de bovenste buis de gasinlaat en de onderste buis de gasuitlaat. Het droogsysteem kan, afhankelijk van het aantal drogers, worden uitgevoerd met twee of drie torens.
4. Proces met twee torens
In het apparaat zijn twee drogers geïnstalleerd die afwisselend werken en regenereren binnen één cyclus (48 uur) om een continue werking van het gehele apparaat te garanderen. Na het drogen kan het dauwpunt van waterstof onder de -60 ℃ komen. Tijdens een werkcyclus (48 uur) doorlopen droger A en droger B respectievelijk een werk- en een regeneratiefase.
Tijdens één schakelcyclus doorloopt de droger twee toestanden: de werktoestand en de regeneratietoestand.
• Regeneratietoestand: Het procesgasvolume is het volledige gasvolume. De regeneratietoestand omvat een verwarmingsfase en een blaaskoelingsfase;
1) Verwarmingsfase – de verwarming in de droger werkt en stopt automatisch met verwarmen wanneer de boventemperatuur de ingestelde waarde bereikt of de verwarmingstijd de ingestelde waarde bereikt;
2) Koelfase – Nadat de droger is gestopt met verwarmen, blijft de luchtstroom via de oorspronkelijke route door de droger stromen om deze af te koelen totdat de droger weer in de werkmodus schakelt.
• Werkstatus: Het verwerkingsluchtvolume is op volle capaciteit en de verwarming in de droger werkt niet.
5. Workflow met drie torens
Momenteel wordt het drietorenproces veelvuldig gebruikt. Het apparaat is voorzien van drie drogers die droogmiddelen (moleculaire zeven) bevatten met een groot adsorptievermogen en een goede temperatuurbestendigheid. De drie drogers wisselen elkaar af tussen werking, regeneratie en adsorptie, waardoor het gehele apparaat continu kan functioneren. Na het drogen kan het dauwpunt van waterstofgas onder de -70 ℃ komen.
Tijdens een schakelcyclus doorloopt de droger drie toestanden: werken, adsorptie en regeneratie. Voor elke toestand bevindt zich de eerste droger waarin het ruwe waterstofgas binnenkomt na deoxygenatie, koeling en waterfiltratie:
1) Werkstatus: Het verwerkingsgasvolume is op volle capaciteit, de verwarming in de droger werkt niet en het medium is onbewerkt waterstofgas dat nog niet is ontwaterd;
De tweede droger die binnenkomt, bevindt zich op:
2) Regeneratietoestand: 20% gasvolume: De regeneratietoestand omvat een verwarmingsfase en een blaaskoelingsfase;
Verwarmingsfase – de verwarming in de droger werkt en stopt automatisch met verwarmen wanneer de boventemperatuur de ingestelde waarde bereikt of de verwarmingstijd de ingestelde waarde bereikt;
Koelfase – Nadat de droger is gestopt met verwarmen, blijft de luchtstroom via het oorspronkelijke traject door de droger stromen om deze af te koelen totdat de droger weer in de werkmodus schakelt; Tijdens de regeneratiefase is het medium gedehydrateerd droog waterstofgas.
De derde binnenkomende droger bevindt zich op:
3) Adsorptietoestand: Het volume van het verwerkingsgas bedraagt 20%, de verwarmer in de droger is niet in werking en het medium is waterstofgas voor regeneratie.
Geplaatst op: 19 december 2024
