Mit dem zunehmenden globalen Streben nach sauberer Energie und nachhaltiger Entwicklung rückt Wasserstoffenergie als effizienter und sauberer Energieträger zunehmend in den Fokus der Menschen. Als zentrales Glied in der Wasserstoffenergie-Industriekette betrifft die Wasserstoffreinigungstechnologie nicht nur die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Wasserstoffenergie, sondern beeinflusst auch direkt deren Anwendungsbereich und wirtschaftlichen Nutzen.
1. Anforderungen an Produktwasserstoff
Wasserstoff als chemischer Rohstoff und Energieträger stellt je nach Anwendungsszenario unterschiedliche Anforderungen an Reinheit und Verunreinigungsgehalt. Bei der Herstellung von synthetischem Ammoniak, Methanol und anderen chemischen Produkten müssen Sulfide und andere giftige Substanzen im Ausgangsgas vorab entfernt werden, um eine Katalysatorvergiftung zu verhindern und die Produktqualität zu gewährleisten. In Industriebereichen wie der Metallurgie, Keramik, Glas und Halbleiterindustrie kommt Wasserstoffgas in direkten Kontakt mit Produkten, daher sind die Anforderungen an Reinheit und Verunreinigungsgehalt strenger. Beispielsweise wird Wasserstoff in der Halbleiterindustrie für Prozesse wie Kristall- und Substratherstellung, Oxidation und Glühen eingesetzt, bei denen extrem hohe Grenzwerte für Verunreinigungen wie Sauerstoff, Wasser, schwere Kohlenwasserstoffe und Schwefelwasserstoff gelten.
2. Das Funktionsprinzip der Desoxygenierung
Unter Einwirkung eines Katalysators kann eine kleine Menge Sauerstoff im Wasserstoff mit Wasserstoff zu Wasser reagieren und so den Zweck der Sauerstoffentfernung erreichen. Die Reaktion ist exotherm, und die Reaktionsgleichung lautet wie folgt:
2H ₂+O ₂ (Katalysator) -2H ₂ O+Q
Da sich Zusammensetzung, chemische Eigenschaften und Qualität des Katalysators selbst vor und nach der Reaktion nicht ändern, kann der Katalysator ohne Regeneration kontinuierlich verwendet werden.
Der Desoxidator besteht aus einem inneren und einem äußeren Zylinder. Zwischen beiden Zylindern befindet sich der Katalysator. Im inneren Zylinder befindet sich eine explosionsgeschützte elektrische Heizkomponente. Zwei Temperatursensoren am oberen und unteren Rand der Katalysatorfüllung erfassen und regeln die Reaktionstemperatur. Der äußere Zylinder ist mit einer Isolierschicht umhüllt, um Wärmeverluste und Verbrennungen zu vermeiden. Der Rohwasserstoff gelangt durch den oberen Einlass des Desoxidators in den inneren Zylinder, wird durch ein elektrisches Heizelement erhitzt und durchströmt das Katalysatorbett von unten nach oben. Der Sauerstoff im Rohwasserstoff reagiert unter der Einwirkung des Katalysators mit dem Wasserstoff zu Wasser. Der Sauerstoffgehalt des aus dem unteren Auslass austretenden Wasserstoffs kann auf unter 1 ppm reduziert werden. Das durch die Reaktion entstehende Wasser tritt gasförmig mit dem Wasserstoff aus dem Desoxidator aus, kondensiert im nachfolgenden Wasserstoffkühler, wird im Luft-Wasser-Abscheider gefiltert und aus dem System abgeleitet.
3.Wirkprinzip der Trockenheit
Die Trocknung von Wasserstoffgas erfolgt mittels Adsorptionsverfahren unter Verwendung von Molekularsieben als Adsorbentien. Nach der Trocknung kann der Taupunkt von Wasserstoffgas unter -70 °C sinken. Molekularsiebe sind eine Art Aluminiumsilikatverbindung mit kubischem Gitter, die nach der Dehydratation viele gleich große Hohlräume im Inneren bildet und eine sehr große Oberfläche besitzt. Molekularsiebe werden Molekularsiebe genannt, weil sie Moleküle unterschiedlicher Form, Durchmesser, Polarität, Siedepunkte und Sättigungsgraden trennen können.
Wasser ist ein hochpolares Molekül, und Molekularsiebe haben eine starke Affinität zu Wasser. Die Adsorption von Molekularsieben erfolgt physikalisch. Ist die Adsorption gesättigt, benötigt sie eine gewisse Zeit zum Erhitzen und Regenerieren, bevor sie erneut adsorbiert werden kann. Daher sind in einer Reinigungsanlage mindestens zwei Trockner integriert, von denen einer arbeitet, während der andere regeneriert, um eine kontinuierliche Produktion von taupunktstabilem Wasserstoffgas zu gewährleisten.
Der Trockner besteht aus einem inneren und einem äußeren Zylinder. Das Adsorptionsmittel befindet sich zwischen dem inneren und äußeren Zylinder. Im inneren Zylinder ist ein explosionsgeschütztes elektrisches Heizelement installiert. Zwei Temperatursensoren am oberen und unteren Rand der Molekularsiebpackung erfassen und regeln die Reaktionstemperatur. Der äußere Zylinder ist mit einer Isolierschicht umhüllt, um Wärmeverluste und Verbrennungen zu vermeiden. Der Luftstrom ist im Adsorptionszustand (einschließlich des primären und sekundären Betriebszustands) und im Regenerationszustand umgekehrt. Im Adsorptionszustand dient das obere Endrohr als Gasauslass und das untere Endrohr als Gaseinlass. Im Regenerationszustand dient das obere Endrohr als Gaseinlass und das untere Endrohr als Gasauslass. Das Trocknungssystem kann je nach Anzahl der Trockner in zwei oder drei Turmtrockner unterteilt werden.
4. Zwei-Turm-Prozess
Im Gerät sind zwei Trockner installiert, die sich innerhalb eines Zyklus (48 Stunden) abwechseln und regenerieren, um einen kontinuierlichen Betrieb des gesamten Geräts zu gewährleisten. Nach dem Trocknen kann der Taupunkt von Wasserstoff unter -60 °C sinken. Während eines Arbeitszyklus (48 Stunden) durchlaufen Trockner A und B jeweils einen Arbeits- und Regenerationszustand.
In einem Schaltzyklus durchläuft der Trockner zwei Zustände: den Arbeitszustand und den Regenerationszustand.
· Regenerationszustand: Das Prozessgasvolumen ist das volle Gasvolumen. Der Regenerationszustand umfasst die Heizphase und die Blaskühlphase.
1) Heizphase – die Heizung im Trockner arbeitet und stoppt den Heizvorgang automatisch, wenn die Obertemperatur den eingestellten Wert erreicht oder die Heizzeit den eingestellten Wert erreicht;
2) Abkühlphase – Nachdem der Trockner aufgehört hat zu heizen, fließt der Luftstrom auf dem ursprünglichen Weg weiter durch den Trockner, um ihn abzukühlen, bis der Trockner in den Arbeitsmodus wechselt.
·Arbeitsstatus: Das Verarbeitungsluftvolumen ist voll ausgelastet und die Heizung im Trockner funktioniert nicht.
5.Drei-Turm-Workflow
Derzeit ist das Drei-Turm-Verfahren weit verbreitet. Im Gerät sind drei Trockner installiert, die Trockenmittel (Molekularsiebe) mit hoher Adsorptionskapazität und guter Temperaturbeständigkeit enthalten. Drei Trockner wechseln zwischen Betrieb, Regeneration und Adsorption, um einen kontinuierlichen Betrieb des gesamten Geräts zu gewährleisten. Nach dem Trocknen kann der Taupunkt von Wasserstoffgas unter -70 °C liegen.
Während eines Schaltzyklus durchläuft der Trockner drei Zustände: Betrieb, Adsorption und Regeneration. Für jeden Zustand befindet sich der erste Trockner, in den das Rohwasserstoffgas nach Sauerstoffentfernung, Kühlung und Wasserfiltration gelangt:
1) Betriebszustand: Das Prozessgasvolumen ist voll ausgelastet, die Heizung im Trockner funktioniert nicht und das Medium ist nicht dehydriertes Rohwasserstoffgas.
Der zweite Trocknereingang befindet sich an:
2) Regenerationszustand: 20 % Gasvolumen: Der Regenerationszustand umfasst die Heizphase und die Blaskühlphase;
Heizphase – die Heizung im Trockner arbeitet und stoppt automatisch den Heizvorgang, wenn die Obertemperatur den eingestellten Wert erreicht oder die Heizzeit den eingestellten Wert erreicht;
Abkühlphase – Nachdem der Trockner aufgehört hat zu heizen, fließt der Luftstrom auf dem ursprünglichen Weg weiter durch den Trockner, um ihn abzukühlen, bis der Trockner in den Arbeitsmodus wechselt. Wenn sich der Trockner in der Regenerationsphase befindet, ist das Medium dehydriertes trockenes Wasserstoffgas.
Der dritte Trocknereingang befindet sich an:
3) Adsorptionszustand: Das Prozessgasvolumen beträgt 20 %, die Heizung im Trockner funktioniert nicht und das Medium zur Regeneration ist Wasserstoffgas.
Veröffentlichungszeit: 19. Dezember 2024
