Angesichts des weltweit zunehmenden Strebens nach sauberer Energie und nachhaltiger Entwicklung rückt Wasserstoffenergie als effizienter und sauberer Energieträger immer mehr in den Fokus. Als Schlüsselelement in der Wertschöpfungskette der Wasserstoffindustrie betrifft die Wasserstoffreinigungstechnologie nicht nur die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Wasserstoffenergie, sondern beeinflusst auch direkt deren Anwendungsbereich und Wirtschaftlichkeit.
1. Anforderungen an den Produktwasserstoff
Wasserstoff, als chemischer Rohstoff und Energieträger, unterliegt je nach Anwendungsbereich unterschiedlichen Anforderungen an Reinheit und Verunreinigungsgehalt. Bei der Herstellung von synthetischem Ammoniak, Methanol und anderen chemischen Produkten müssen Sulfide und andere toxische Substanzen im Zufuhrgas vorab entfernt werden, um Katalysatorvergiftungen zu vermeiden und die Produktqualität zu gewährleisten. In Industriezweigen wie der Metallurgie, der Keramik-, Glas- und Halbleiterindustrie kommt Wasserstoffgas in direkten Kontakt mit den Produkten, wodurch die Anforderungen an Reinheit und Verunreinigungsgehalt noch strenger sind. Beispielsweise wird Wasserstoff in der Halbleiterindustrie für Prozesse wie die Kristall- und Substratpräparation, Oxidation und Temperung eingesetzt. Hierbei gelten extrem hohe Grenzwerte für Verunreinigungen wie Sauerstoff, Wasser, schwere Kohlenwasserstoffe und Schwefelwasserstoff im Wasserstoff.
2. Das Funktionsprinzip der Desoxygenierung
Unter Einwirkung eines Katalysators kann eine geringe Menge Sauerstoff im Wasserstoff mit Wasserstoff zu Wasser reagieren, wodurch der Zweck der Desoxygenierung erreicht wird. Die Reaktion ist exotherm, und die Reaktionsgleichung lautet wie folgt:
2H₂ + O₂ (Katalysator) → 2H₂O + Q
Da sich die Zusammensetzung, die chemischen Eigenschaften und die Qualität des Katalysators vor und nach der Reaktion nicht ändern, kann der Katalysator ohne Regeneration kontinuierlich verwendet werden.
Der Desoxidator besteht aus einem Innen- und einem Außenzylinder, zwischen denen sich der Katalysator befindet. Die explosionsgeschützte elektrische Heizeinheit ist im Innenzylinder installiert. Zwei Temperatursensoren an der Ober- und Unterseite der Katalysatorpackung erfassen und regeln die Reaktionstemperatur. Der Außenzylinder ist mit einer Isolierschicht umwickelt, um Wärmeverluste und Verbrennungen zu vermeiden. Der Rohwasserstoff strömt über den oberen Einlass in den Innenzylinder, wird durch ein elektrisches Heizelement erhitzt und durchströmt das Katalysatorbett von unten nach oben. Der im Rohwasserstoff enthaltene Sauerstoff reagiert unter Einwirkung des Katalysators mit dem Wasserstoff zu Wasser. Der Sauerstoffgehalt im aus dem unteren Auslass austretenden Wasserstoff kann auf unter 1 ppm reduziert werden. Das bei der Reaktion entstehende Wasser verlässt den Desoxidator gasförmig zusammen mit dem Wasserstoff, kondensiert im nachfolgenden Wasserstoffkühler, wird im Luft-Wasser-Abscheider gefiltert und aus dem System abgeleitet.
3. Wirkungsprinzip der Trockenheit
Die Trocknung von Wasserstoffgas erfolgt mittels Adsorption unter Verwendung von Molekularsieben als Adsorptionsmittel. Nach der Trocknung kann der Taupunkt des Wasserstoffgases unter -70 °C sinken. Molekularsiebe sind Aluminosilicatverbindungen mit kubischem Gitter, die nach der Dehydratisierung zahlreiche gleich große Hohlräume bilden und eine sehr große Oberfläche aufweisen. Molekularsiebe werden so genannt, weil sie Moleküle unterschiedlicher Form, Durchmesser, Polarität, Siedepunkte und Sättigungswerte trennen können.
Wasser ist ein stark polares Molekül, und Molekularsiebe weisen eine hohe Affinität zu Wasser auf. Die Adsorption an Molekularsieben ist eine physikalische Adsorption. Nach Erreichen der Sättigung benötigt das System Zeit zum Erhitzen und Regenerieren, bevor es erneut adsorbiert werden kann. Daher sind in einer Reinigungsanlage mindestens zwei Trockner vorgesehen, von denen einer in Betrieb ist, während der andere regeneriert wird, um die kontinuierliche Produktion von taupunktstabilem Wasserstoffgas zu gewährleisten.
Der Trockner besteht aus einem Innen- und einem Außenzylinder, zwischen denen sich das Adsorptionsmittel befindet. Die explosionsgeschützte elektrische Heizeinheit ist im Innenzylinder installiert. Zwei Temperatursensoren an der Ober- und Unterseite der Molekularsiebpackung dienen der Überwachung und Regelung der Reaktionstemperatur. Der Außenzylinder ist mit einer Isolierschicht umhüllt, um Wärmeverluste und Verbrennungen zu vermeiden. Die Luftströmung ist im Adsorptionszustand (primärer und sekundärer Betrieb) und im Regenerationszustand umgekehrt. Im Adsorptionszustand dient das obere Rohr als Gasauslass und das untere als Gaseinlass. Im Regenerationszustand ist es umgekehrt. Je nach Anzahl der Trockner kann das Trocknungssystem in einen Zwei- oder Dreiturmtrockner unterteilt werden.
4. Zwei-Turm-Verfahren
Das Gerät verfügt über zwei Trockner, die sich innerhalb eines Zyklus (48 Stunden) abwechseln und regenerieren, um einen kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten. Nach der Trocknung kann der Taupunkt des Wasserstoffs unter -60 °C sinken. Während eines Arbeitszyklus (48 Stunden) befinden sich die Trockner A und B jeweils im Arbeits- bzw. Regenerationszustand.
In einem Schaltzyklus durchläuft der Trockner zwei Zustände: den Betriebszustand und den Regenerationszustand.
•Regenerationszustand: Das Prozessgasvolumen entspricht dem vollen Gasvolumen. Der Regenerationszustand umfasst die Aufheizphase und die Blaskühlphase;
1) Heizphase – Das Heizelement im Inneren des Trockners arbeitet und stoppt die Heizung automatisch, wenn die obere Temperatur den eingestellten Wert erreicht oder die Heizzeit den eingestellten Wert erreicht.
2) Abkühlphase – Nachdem der Trockner die Heizung eingestellt hat, strömt die Luft weiterhin auf dem ursprünglichen Weg durch den Trockner, um ihn abzukühlen, bis der Trockner in den Arbeitsmodus wechselt.
•Betriebszustand: Die Prozessluftmenge ist auf maximaler Kapazität eingestellt, die Heizung im Trockner ist jedoch nicht in Betrieb.
5. Drei-Turm-Workflow
Das Drei-Turm-Verfahren findet derzeit breite Anwendung. Die Anlage ist mit drei Trocknern ausgestattet, die Trockenmittel (Molekularsiebe) mit hoher Adsorptionskapazität und guter Temperaturbeständigkeit enthalten. Die drei Trockner wechseln sich in Betrieb, Regeneration und Adsorption ab, um einen kontinuierlichen Betrieb der gesamten Anlage zu gewährleisten. Nach der Trocknung kann der Taupunkt des Wasserstoffgases unter -70 °C sinken.
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 Entgasung, Kühlung und Wasserfiltration eintritt, an folgender Stelle:
1) Betriebszustand: Das Prozessgasvolumen ist voll, die Heizung im Trockner ist nicht in Betrieb, und das Medium ist unbehandelter Rohwasserstoff.
Der zweite Trockner, der einfließt, befindet sich bei:
2) Regenerationszustand: 20 % Gasvolumen: Der Regenerationszustand umfasst die Heizphase und die Blaskühlungsphase;
Heizphase – Das Heizelement im Inneren des Trockners arbeitet und schaltet sich automatisch ab, wenn die obere Temperatur den eingestellten Wert erreicht oder die Heizzeit den eingestellten Wert erreicht hat.
Abkühlphase – Nachdem der Trockner die Heizung eingestellt hat, strömt die Luft weiterhin auf dem ursprünglichen Weg durch den Trockner, um ihn abzukühlen, bis der Trockner in den Arbeitsmodus schaltet; Befindet sich der Trockner in der Regenerationsphase, ist das Medium entwässertes, trockenes Wasserstoffgas;
Der dritte Trockner, der in den Betrieb eintritt, befindet sich bei:
3) Adsorptionszustand: Das Prozessgasvolumen beträgt 20 %, die Heizung im Trockner ist nicht in Betrieb, und das Medium ist Wasserstoffgas zur Regeneration.
Veröffentlichungsdatum: 19. Dezember 2024
