System oczyszczania wodoru

Wodór jest obiecującym nośnikiem czystej energii, który można wykorzystać do różnych zastosowań, takich jak ogniwa paliwowe, wytwarzanie energii i transport. Jednak produkcja wodoru często wiąże się z zanieczyszczeniami, które mogą mieć wpływ na jego jakość i wydajność. Dlatego oczyszczanie wodoru jest niezbędnym krokiem zapewniającym efektywność i bezpieczeństwo wykorzystania wodoru.

Adsorpcja zmiennociśnieniowa
Adsorpcja zmiennociśnieniowa (PSA) jest szeroko stosowaną metodą oczyszczania wodoru, która polega na selektywnej adsorpcji zanieczyszczeń na materiałach porowatych, takich jak węgiel aktywny lub zeolity, pod wysokim ciśnieniem. Zaadsorbowane zanieczyszczenia są następnie uwalniane poprzez zmniejszenie ciśnienia i przepłukanie adsorbentu gazem płuczącym. PSA pozwala uzyskać wysoką czystość i odzysk wodoru, ale wymaga również dużego zużycia energii, dużych rozmiarów sprzętu i okresowej regeneracji adsorbentu.

Separacja membranowa
Separacja membranowa to kolejna powszechna metoda oczyszczania wodoru, w której wykorzystuje się cienkie i przepuszczalne materiały, takie jak polimery, metale lub ceramika, do oddzielania wodoru od innych gazów na podstawie ich wielkości molekularnej, kształtu lub powinowactwa. Separacja membranowa może działać przy niskim ciśnieniu i temperaturze otoczenia lub przy niskim ciśnieniu i temperaturze, co zmniejsza koszty energii i kapitału. Jednakże separacja membranowa wiąże się również z wyzwaniami, takimi jak zanieczyszczenie membrany, degradacja i selektywność.

Destylacja kriogeniczna
Destylacja kriogeniczna to metoda oczyszczania wodoru wykorzystująca różne temperatury wrzenia wodoru i innych gazów. Schładzając mieszaninę gazów do bardzo niskich temperatur, wodór można oddzielić w postaci pary, a zanieczyszczenia skraplać się w postaci cieczy. Destylacja kriogeniczna pozwala uzyskać bardzo wysoką czystość i odzysk wodoru, zwłaszcza w celu usunięcia gazów obojętnych, takich jak azot i hel. Destylacja kriogeniczna wiąże się jednak również z wysokim zużyciem energii, skomplikowanym wyposażeniem i zagrożeniami dla bezpieczeństwa.

Dyfuzja palladu
Dyfuzja palladu to metoda oczyszczania wodoru wykorzystująca unikalną właściwość metalicznego palladu, który może absorbować i rozpraszać atomy wodoru poprzez swoją strukturę sieciową. Stosując gradient ciśnienia lub temperatury na cienkiej membranie palladowej, wodór można selektywnie transportować z jednej strony na drugą, pozostawiając zanieczyszczenia. Dyfuzja palladu pozwala osiągnąć bardzo wysoką czystość i odzysk wodoru, ale wiąże się to również z wysokimi kosztami materiałów, ograniczoną dostępnością oraz podatnością na zatrucie i kruchość.

Metody biologiczne
Metody biologiczne to nowe metody oczyszczania wodoru, które wykorzystują mikroorganizmy, takie jak bakterie, algi lub grzyby, do przekształcania lub usuwania zanieczyszczeń z gazowego wodoru. Na przykład niektóre bakterie mogą wykorzystywać tlenek węgla, powszechnie występujące zanieczyszczenie w produkcji wodoru, jako substrat do wzrostu i wytwarzać dwutlenek węgla i wodę jako produkty uboczne. Metody biologiczne mogą zapewnić niskie zużycie energii, korzyści dla środowiska i produkty o potencjalnej wartości dodanej. Jednak metody biologiczne napotykają również wyzwania, takie jak niska wydajność, skalowalność i stabilność.

Po raz pierwszy badaczom udało się odzyskać 98,8 procent wodoru ze strumienia wylotowego konwencjonalnego chłodzonego wodą wodnego reaktora konwersji gazu, co stanowi najwyższą wartość, jaką kiedykolwiek zarejestrowano.

W tradycyjnych metodach separacji wodoru stosuje się reaktor konwersji wody z gazem, co wymaga dodatkowego etapu. W reaktorze konwersji gazu wodnego tlenek węgla jest najpierw przekształcany w dwutlenek węgla, a następnie wodór i dwutlenek węgla oddzielane są w procesie absorpcji. Sprężarka służy do sprężania oczyszczonego wodoru w celu natychmiastowego użycia lub przechowywania.

Aby szybko i ekonomicznie oddzielić wodór od innych cząsteczek gazu, takich jak dwutlenek węgla i tlenek węgla, wymagane jest zastosowanie wysokotemperaturowych membran elektrolitowych z polimeru selektywnego protonowo, czyli PEM. Może również pracować w wyższych temperaturach niż inne wysokotemperaturowe pompy elektrochemiczne typu PEM, zwiększając jej zdolność do oddzielania wodoru od innych gazów.

Proces oczyszczania wodoru
Aby osiągnąć separację, zespół zastosował „kanapkę” elektrody, w której elektrody o przeciwnych ładunkach służą jako „chleb”, a membrana służy jako „mięso delikatesowe”. Jonomerowe materiały wiążące elektrody są zaprojektowane tak, aby trzymać elektrody razem, podobnie jak gluten spaja chleb.

Kromka chleba, czyli dodatnio naładowana elektroda, w pompie uwalnia protony i elektrony z wodoru. Podczas gdy protony przemieszczają się przez membranę, elektrony przemieszczają się przez pompę poprzez przewód stykający się z dodatnio naładowaną elektrodą. Po przejściu przez membranę i dotarciu do ujemnie naładowanej elektrody protony i elektrony ponownie łączą się, tworząc wodór.
Ponieważ PEM przepuszcza tylko protony, tlenek węgla, dwutlenek węgla, metan i azot nie mogą przejść. Zespół stworzył adhezyjne jonomerowe spoiwo kwasu fosfonowego, które utrzymuje cząsteczki elektrod w pompie wodorowej razem, aby mogły prawidłowo działać.

Naukowcy wykorzystają swoje podejście i narzędzia do badania oczyszczania wodoru w rurociągach gazu ziemnego. Chociaż ta metoda transportu i przechowywania wodoru nie została jeszcze wdrożona w praktyce, wiąże się ona z wieloma obietnicami. Wodór można wykorzystać do wspomagania systemów energii słonecznej i wiatrowej, a także do wielu innych zastosowań przyjaznych dla środowiska, wykorzystując ogniwa paliwowe lub generator turbinowy.

Gaz przemysłowy zawiera dużą liczbę gazów odlotowych z różnym wodorem. Separacja i oczyszczanie wodoru to także jedna z najwcześniej uprzemysłowionych dziedzin technologii PSA.

Zasada separacji mieszaniny gazów metodą PSA polega na tym, że zdolność adsorpcji adsorbentu dla różnych składników gazu zmienia się wraz ze zmianą ciśnienia. Składniki zanieczyszczeń w gazie wlotowym są usuwane poprzez adsorpcję pod wysokim ciśnieniem, a zanieczyszczenia te są desorbowane poprzez obniżenie ciśnienia i wzrost temperatury. Cel usunięcia zanieczyszczeń i wydobycia czystych składników osiąga się poprzez zmiany ciśnienia i temperatury.

Do produkcji wodoru PSA wykorzystuje się adsorbent z sitami molekularnymi JZ-512H do oddzielania bogatego wodoru w celu wytworzenia wodoru, co odbywa się poprzez zmianę ciśnienia w złożu adsorpcyjnym. Ponieważ wodór bardzo trudno jest zaadsorbować, inne gazy (które można nazwać zanieczyszczeniami) są łatwo lub łatwo zaadsorbowane, zatem gaz bogaty w wodór będzie wytwarzany, gdy jego ciśnienie będzie zbliżone do ciśnienia wlotowego oczyszczonego gazu. Podczas desorpcji (regeneracji) uwalniają się zanieczyszczenia, a ciśnienie stopniowo spada do ciśnienia desorpcji
Wieża adsorpcyjna na przemian realizuje proces adsorpcji pod ciśnieniem. wyrównywanie i desorpcja w celu osiągnięcia ciągłej produkcji wodoru. Bogaty wodór dostaje się do układu pod pewnym ciśnieniem. Bogaty wodór przechodzi przez wieżę adsorpcyjną wypełnioną od dołu do góry specjalnym adsorbentem. Co/CH4/N2 zatrzymuje się na powierzchni adsorbentu jako silny składnik adsorpcyjny, natomiast H2 przenika do złoża jako składnik adsorpcyjny. Produktowy wodór zebrany ze szczytu wieży adsorpcyjnej jest wyprowadzany poza granicę. Gdy adsorbent w złożu zostanie nasycony CO / CH4 / N2, bogaty wodór jest kierowany do innych wież adsorpcyjnych. W procesie desorpcji adsorpcyjnej w zaadsorbowanej wieży pozostaje jeszcze pewne ciśnienie powstającego wodoru.

Ta część czystego wodoru jest wykorzystywana do wyrównania i przepłukania pozostałych właśnie zdesorbowanych wież wyrównujących ciśnienie. To nie tylko wykorzystuje wodór pozostały w wieży adsorpcyjnej, ale także spowalnia prędkość wzrostu ciśnienia w wieży adsorpcyjnej, spowalnia stopień zmęczenia wieży adsorpcyjnej i skutecznie osiąga cel separacji wodoru.

Gazowy wodór jest wytwarzany w wyniku różnych procesów i zazwyczaj jest wytwarzany w postaci zanieczyszczonej. Typowe procesy obejmują syntezę chemiczną poprzez reforming parowy metanu, odgazowywanie z instalacji styrenu lub etylenu, w których jako produkt uboczny wytwarzany jest gazowy wodór, oraz zastosowania petrochemiczne, takie jak hydrokraking lub odsiarczanie. Aby wykorzystać wodór, niezbędny jest proces oczyszczania w celu wytworzenia oczyszczonego wodoru gazowego. Adsorpcja zmiennociśnieniowa wodoru (H2PSA) to proces wykorzystujący lotność wodoru oraz jego ogólny brak polarności i powinowactwa do zeolitów w celu oczyszczania strumieni zanieczyszczonych gazów.

Wytwarzanie wodoru zazwyczaj wiąże się z wytwarzaniem zanieczyszczeń lub produktów ubocznych, które należy usunąć. Obejmuje takie związki, jak tlenek węgla, dwutlenek węgla, azot, woda i nieprzereagowane węglowodory. Wodór PSA wykorzystuje preferencyjną adsorpcję tych składników, eliminując je ze strumienia wodoru, uzyskując wodór oczyszczony.

Tradycyjnie Hydrogen PSA wykorzystuje wiele złóż sitowych i składa się z czterech faz: fazy adsorpcji, fazy rozprężania, fazy regeneracji i fazy zwiększania ciśnienia. W procesie tym zanieczyszczony strumień wodoru kierowany jest na złoże sitowe, gdzie pod ciśnieniem selektywnie adsorbowane są zanieczyszczenia na sicie molekularnym. Po zakończeniu etapu adsorpcji regenerację przeprowadza się poprzez obniżenie ciśnienia w złożu, co zmniejsza powinowactwo zanieczyszczeń, umożliwiając ich odrzucenie.

Dalsze oczyszczanie złoża osiąga się poprzez przepłukanie czystym wodorem w celu usunięcia wszelkich pozostałych zanieczyszczeń. Złoże ponownie poddaje się działaniu ciśnienia w celu powtórzenia procesu adsorpcji. Łóżka pracują zsynchronizowane, aby umożliwić ciągłe wytwarzanie wodoru.

Produkty sprzedawane są we wszystkich regionach Chin i eksportowane do krajów na całym świecie. Zostały sprzedane w ponad 20 krajach i regionach, w tym w Stanach Zjednoczonych, Niemczech, Maroku, Kenii, Arabii Saudyjskiej, Wietnamie, Algierii, Indiach, Tanzanii i Tajwanie. Pomyślnie dostarczono dobrze znane przedsiębiorstwa, takie jak China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group i inne znane przedsiębiorstwa. Istnieje wiele stacji uwodornienia zielonego wodoru, takich jak Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming itp., które realizują projekty ekologiczne i wytwarzające wodór.