Waterstofzuiveringssysteem

Waterstof is een veelbelovende schone energiedrager die voor verschillende toepassingen kan worden gebruikt, zoals brandstofcellen, energieopwekking en transport. Bij de productie van waterstof zijn echter vaak onzuiverheden betrokken die de kwaliteit en prestaties kunnen beïnvloeden. Daarom is waterstofzuivering een essentiële stap om de efficiëntie en veiligheid van het waterstofgebruik te garanderen.

Drukverandering adsorptie
Pressure Swing Adsorptie (PSA) is een veelgebruikte methode voor waterstofzuivering die berust op de selectieve adsorptie van onzuiverheden op poreuze materialen, zoals actieve kool of zeolieten, onder hoge druk. De geadsorbeerde onzuiverheden worden vervolgens vrijgegeven door de druk te verlagen en het adsorbens met een spoelgas te spoelen. PSA kan een hoge zuiverheid en terugwinning van waterstof bereiken, maar vereist ook een hoog energieverbruik, grote apparatuuromvang en periodieke regeneratie van het adsorbens.

Membraan scheiding
Membraanscheiding is een andere veelgebruikte methode voor waterstofzuivering waarbij gebruik wordt gemaakt van dunne en permeabele materialen, zoals polymeren, metalen of keramiek, om waterstof van andere gassen te scheiden op basis van hun moleculaire grootte, vorm of affiniteit. Membraanscheiding kan werken bij lage of omgevingsdruk en -temperatuur, waardoor de energie- en kapitaalkosten worden verlaagd. Membraanscheiding wordt echter ook geconfronteerd met uitdagingen zoals membraanvervuiling, afbraak en selectiviteit.

Cryogene destillatie
Cryogene destillatie is een methode voor waterstofzuivering waarbij gebruik wordt gemaakt van de verschillende kookpunten van waterstof en andere gassen. Door het gasmengsel af te koelen tot extreem lage temperaturen kan waterstof als damp worden afgescheiden, terwijl de onzuiverheden als vloeistoffen worden gecondenseerd. Cryogene destillatie kan een zeer hoge zuiverheid en terugwinning van waterstof bereiken, vooral voor het verwijderen van inerte gassen zoals stikstof en helium. Cryogene destillatie brengt echter ook een hoog energieverbruik, complexe apparatuur en veiligheidsrisico's met zich mee.

Palladium-diffusie
Palladiumdiffusie is een methode voor waterstofzuivering die gebruik maakt van de unieke eigenschap van palladiummetaal, dat waterstofatomen door zijn roosterstructuur kan absorberen en diffunderen. Door een druk- of temperatuurgradiënt over een dun palladiummembraan aan te leggen, kan waterstof selectief van de ene naar de andere kant worden getransporteerd, waarbij de onzuiverheden achterblijven. Palladiumdiffusie kan een ultrahoge zuiverheid en terugwinning van waterstof bereiken, maar heeft ook te lijden onder hoge materiaalkosten, beperkte beschikbaarheid en gevoeligheid voor vergiftiging en verbrossing.

Biologische methoden
Biologische methoden zijn opkomende methoden voor waterstofzuivering waarbij gebruik wordt gemaakt van micro-organismen, zoals bacteriën, algen of schimmels, om onzuiverheden uit waterstofgas om te zetten of te verwijderen. Sommige bacteriën kunnen bijvoorbeeld koolmonoxide, een veel voorkomende onzuiverheid bij de productie van waterstof, gebruiken als substraat voor groei en kooldioxide en water als bijproducten produceren. Biologische methoden kunnen een laag energieverbruik, milieuvoordelen en potentiële producten met toegevoegde waarde bieden. Biologische methoden worden echter ook geconfronteerd met uitdagingen zoals lage efficiëntie, schaalbaarheid en stabiliteit.

Voor het eerst hebben onderzoekers 98,8 procent van de waterstof teruggewonnen uit de uitlaatstroom van een conventionele watergekoelde watergasshiftreactor, wat de hoogste waarde ooit is.

Bij traditionele waterstofscheidingsmethoden wordt gebruik gemaakt van een watergasshiftreactor, wat een extra stap noodzakelijk maakt. In de watergasshiftreactor wordt koolmonoxide eerst omgezet in kooldioxide en vervolgens worden de waterstof en kooldioxide gescheiden met behulp van een absorptieproces. Een compressor wordt gebruikt om de gezuiverde waterstof onder druk te zetten voor onmiddellijk gebruik of opslag.

Het gebruik van protonselectieve polymeerelektrolytmembranen, of PEM's, op hoge temperatuur is vereist om waterstof snel en economisch te scheiden van andere gasmoleculen zoals kooldioxide en koolmonoxide. Het kan ook bij hogere temperaturen werken dan andere elektrochemische pompen van het PEM-type met hoge temperatuur, waardoor het vermogen om waterstof van andere gassen te scheiden wordt vergroot.

Waterstofzuiveringsproces
Om de scheiding te bereiken, gebruikte het team een ​​'sandwich' met elektroden, waarbij elektroden met tegengestelde ladingen als 'brood' dienen en een membraan als 'deli-vlees'. De elektrode-ionomeerbindmiddelen zijn ontworpen om de elektroden bij elkaar te houden, vergelijkbaar met hoe gluten brood bij elkaar houdt.

Het sneetje brood, of positief geladen elektrode, in de pomp maakt protonen en elektronen vrij uit de waterstof. Terwijl protonen door het membraan reizen, reizen elektronen door de pomp via een draad die een positief geladen elektrode raakt. Nadat ze door het membraan zijn gegaan en bij de negatief geladen elektrode zijn aangekomen, combineren de protonen en elektronen opnieuw waterstof.
Omdat de PEM alleen protonen doorlaat, kunnen koolmonoxide, kooldioxide, methaan en stikstofgas er niet doorheen. Het team creëerde een klevend fosfonzuurionomeerbindmiddel om de elektrodedeeltjes in de waterstofpomp bij elkaar te houden, zodat ze goed konden functioneren.

Onderzoekers zullen hun aanpak en tools gebruiken om waterstofzuivering in aardgasleidingen te onderzoeken. Hoewel deze manier van transporteren en opslaan van waterstof nog in de praktijk moet worden gebracht, is het veelbelovend. Waterstof kan worden gebruikt ter ondersteuning van zonne- en windenergiesystemen, evenals een verscheidenheid aan andere milieuvriendelijke toepassingen, door gebruik te maken van een brandstofcel- of turbinegenerator.

Industrieel gas bevat een groot aantal afgassen met diverse waterstof. De scheiding en zuivering van waterstof is ook een van de vroegst geïndustrialiseerde gebieden van de PSA-technologie.

Het principe van PSA-scheiding van een gasmengsel is dat de adsorptiecapaciteit van het adsorbens voor verschillende gascomponenten verandert naarmate de druk verandert. De onzuiverheidscomponenten in het inlaatgas worden verwijderd door adsorptie onder hoge druk, en deze onzuiverheden worden gedesorbeerd door drukverlaging en temperatuurstijging. Het doel van het verwijderen van onzuiverheden en het extraheren van pure componenten wordt bereikt door druk- en temperatuurveranderingen.

Bij de productie van PSA-waterstof wordt gebruik gemaakt van JZ-512H-adsorbens met moleculaire zeef om de rijke waterstof te scheiden en waterstof te produceren, wat wordt voltooid door de drukverandering van het adsorptiebed. Omdat waterstof zeer moeilijk te adsorberen is, kunnen andere gassen (die onzuiverheden kunnen worden genoemd) gemakkelijk of gemakkelijk worden geadsorbeerd. Er zal dus waterstofrijk gas worden geproduceerd wanneer het dicht bij de inlaatdruk van het behandelde gas ligt. Tijdens de desorptie (regeneratie) komen onzuiverheden vrij en neemt de druk geleidelijk af tot desorptiedruk
De adsorptietoren voert afwisselend het proces van adsorptie en druk uit. egalisatie en desorptie om een ​​continue waterstofproductie te bereiken. Rijke waterstof komt onder een bepaalde druk het systeem binnen. De rijke waterstof stroomt door de adsorptietoren gevuld met speciaal adsorbens van onder naar boven. Co/CH4/N2 wordt als een sterke adsorptiecomponent op het oppervlak van het adsorbens vastgehouden en H2 dringt als adsorptiecomponent het bed binnen. Het productwaterstof dat vanaf de bovenkant van de adsorptietoren wordt verzameld, wordt buiten de grens afgevoerd. Wanneer het adsorbens in het bed verzadigd is met CO/CH4/N2, wordt de rijke waterstof overgeschakeld naar andere adsorptietorens. Tijdens het adsorptie-desorptieproces blijft er nog steeds een bepaalde druk van productwaterstof achter in de geadsorbeerde toren.

Dit deel van zuivere waterstof wordt gebruikt om de andere zojuist gedesorbeerde drukvereffeningstorens te egaliseren en door te spoelen. Dit maakt niet alleen gebruik van de resterende waterstof in de adsorptietoren, maar vertraagt ​​ook de drukstijgingssnelheid in de adsorptietoren, vertraagt ​​de vermoeidheidsgraad in de adsorptietoren en bereikt effectief het doel van waterstofscheiding.

Waterstofgas wordt via verschillende processen geproduceerd en wordt doorgaans in onzuivere vorm geproduceerd. Typische processen omvatten chemische synthese door stoomreforming van methaan, ontgassing uit styreen- of ethyleenfabrieken waar waterstofgas als bijproduct wordt geproduceerd, en petrochemische toepassingen zoals hydrokraken of ontzwaveling. Om de waterstof te kunnen gebruiken is een zuiveringsproces nodig om gezuiverd waterstofgas te creëren. Waterstofdruk-swing-adsorptie (H2PSA) is een proces dat inspeelt op de vluchtigheid van waterstof en het algehele gebrek aan polariteit en affiniteit voor zeolieten om verontreinigde gasstromen te zuiveren.

Bij het genereren van waterstof gaat het doorgaans om de productie van verontreinigingen of bijproducten die moeten worden verwijderd. Het omvat verbindingen zoals koolmonoxide, kooldioxide, stikstof, water en niet-gereageerde koolwaterstoffen. Waterstof-PSA profiteert van de preferentiële adsorptie van deze componenten, waardoor ze uit de waterstofstroom worden geëlimineerd, waardoor gezuiverde waterstof ontstaat.

Traditioneel maakt waterstof-PSA gebruik van meerdere zeefbedden en bestaat het uit vier fasen: een adsorptiefase, een fase van drukverlaging, een regeneratiefase en een fase van herdruk. Daarbij wordt de onzuivere waterstofstroom naar het zeefbed geleid, waar onzuiverheden selectief onder druk op de moleculaire zeef worden geadsorbeerd. Nadat de adsorptiestap is voltooid, wordt regeneratie bewerkstelligd door het drukloos maken van het bed, waardoor de affiniteit van de onzuiverheden afneemt, waardoor deze kunnen worden weggegooid.

Verdere zuivering van het bed wordt bereikt door te spoelen met zuivere waterstof om eventuele resterende verontreinigingen te verwijderen. Het bed wordt opnieuw onder druk gezet om het adsorptieproces te herhalen. De bedden lopen synchroon om een ​​continue waterstofopwekking mogelijk te maken.

Producten worden verkocht in alle regio's van China en geëxporteerd naar landen over de hele wereld. Ze zijn verkocht in meer dan 20 landen en regio's, waaronder de Verenigde Staten, Duitsland, Marokko, Kenia, Saoedi-Arabië, Vietnam, Algerije, India, Tanzania en Taiwan. Met succes bekende ondernemingen geleverd zoals China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group en andere bekende ondernemingen. Er zijn veel groene waterstofhydrogeneringsstations zoals Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, enz. die groene en waterstofproductieprojecten bieden.