Введение в последующую очистку водорода в системах щелочного электролиза

В процесс электролиза щелочной воды, водородный газ, получаемый на выходе из электролизера, обычно имеет чистоту более 99,8%, но он содержит примеси, такие как водяной пар, следы кислорода и щелочной туман. Если их не удалить, эти примеси не смогут соответствовать строгим требованиям современных промышленных применений.

Например, в областях точной промышленности:

Для процессов нанесения твердосплавных покрытий требуется чистота водорода 99,999% и точка росы ниже -65°C.

Производство кремния для полупроводниковых материалов требует, чтобы содержание кислорода в водороде было менее 5 ppm, а точка росы была ниже -50°C. Это связано с тем, что растворенный кислород может изменить удельное сопротивление монокристаллического кремния или даже изменить его тип проводимости.

Кроме того, при высокотемпературной термической обработке металлов, порошковой металлургии, производстве микроэлектронных схем, оптоэлектронных компонентов и химическом синтезе даже следовые количества кислорода или влаги в водороде могут вызвать окисление сырья при высоких температурах, что серьезно снижает качество продукции.

Таким образом, водород из электролизер Для соответствия промышленным стандартам на выходе часто требуется многоступенчатая очистка.

1. Разделение газа и жидкости

Назначение: Отделение водорода и щелочного раствора от газожидкостной смеси на выходе из электролизера для предотвращения негативного воздействия щелочного раствора на последующее очистное и сушильное оборудование.

Поток процесса:

Газожидкостная смесь поступает в газожидкостный сепаратор по трубопроводу. Из-за значительной разницы в плотности водорода и щелочного раствора щелочной раствор оседает вниз под действием силы тяжести, а водород поднимается, образуя границу раздела газ-жидкость. Щелочной раствор скапливается на дне сепаратора, а водород проходит через заполненный водой скруббер в верхней части, где примеси поглощаются или растворяются. Демистер внутри сепаратора дополнительно улавливает капли жидкости, которые объединяются на сетчатых прокладках и падают обратно в щелочной раствор под действием силы тяжести. Тщательно отделенный водород затем переходит на следующую стадию обработки.

2. Каталитическая дезоксигенация

Назначение: Преобразование остаточного кислорода в водороде в воду для удаления кислорода.

Поток процесса:

Отделенный водород поступает в резервуар дезоксигенации, где при высоких температурах (150–200 °C) происходит каталитическая реакция. Водород и кислород реагируют на палладиевом катализаторе с образованием воды. Катализатор адсорбирует молекулы газа, снижая энергию активации и обеспечивая полноту реакции, снижая содержание кислорода до уровня ниже 5 ppm. Затем прореагировавший газ проходит через охладитель, где часть водяного пара конденсируется, давая более чистый водород.

3. Адсорбционная сушка

Назначение: Удаление водяного пара для соблюдения промышленных требований к точке росы.

Поток процесса:

Обычно используется система адсорбции из трех резервуаров, каждый из которых заполнен высокопроизводительными осушителями большой емкости.

Водород из стадии дезоксигенации поступает в емкость А снизу (в режиме адсорбции). Осушитель адсорбирует влагу, а осушенный газ выходит сверху.

Одновременно емкость Б (в режиме регенерации) нагревается для выделения адсорбированной влаги в виде пара, который уносится водородом и конденсируется в охладителе.

Затем водород поступает в резервуар C (в режиме ожидания) снизу, где адсорбируется остаточная влага, а конечный продукт — водород — выходит сверху.

В этом процессе достигается точка росы ниже -70°C (содержание воды <10 частей на миллион).

Для обеспечения непрерывной работы резервуары циклически вращаются. Когда резервуар A насыщается, резервуар C переключается в режим адсорбции, резервуар A переходит в режим регенерации, а резервуар B переходит в режим ожидания, поддерживая непрерывную очистку.

Перспективы будущего

С диверсификацией применения водорода отрасли перерабатывающей промышленности требуют еще более строгих спецификаций чистоты (например, ≥99,999% водорода высокой чистоты) и точки росы (например, ≤-70°C сверхнизкая точка росы). Эта тенденция стимулирует прогресс в технологиях обработки газа в сторону более высокой эффективности и интеллекта, а также направляет оптимизацию производительности в системах производства водорода. По мере того, как появляются прорывы в материаловедении и управлении процессами, технологии обработки газа следующего поколения, сочетающие быстрое реагирование и точную очистку, станут критически важным фактором для высококачественного развития в водородной энергетической отрасли.