Hidrojen Arıtma Sistemi

Hidrojen, yakıt hücreleri, enerji üretimi ve ulaşım gibi çeşitli uygulamalar için kullanılabilecek, gelecek vaat eden bir temiz enerji taşıyıcısıdır. Ancak hidrojen üretimi genellikle kalitesini ve performansını etkileyebilecek yabancı maddeleri içerir. Bu nedenle hidrojen saflaştırması, hidrojen kullanımının verimliliğini ve güvenliğini sağlamak için önemli bir adımdır.

Basınç salınımlı adsorpsiyon
Basınç salınımlı adsorpsiyon (PSA), yüksek basınç altında aktif karbon veya zeolitler gibi gözenekli malzemeler üzerindeki safsızlıkların seçici adsorpsiyonuna dayanan, hidrojen saflaştırması için yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Adsorbe edilen safsızlıklar daha sonra basıncın azaltılması ve adsorbanın bir temizleme gazı ile yıkanması yoluyla serbest bırakılır. PSA, yüksek saflık ve hidrojen geri kazanımı sağlayabilir ancak aynı zamanda yüksek enerji tüketimi, büyük ekipman boyutu ve adsorbanın periyodik olarak yenilenmesini gerektirir.

Membran ayırma
Membran ayırma, hidrojeni moleküler boyutlarına, şekillerine veya afinitelerine göre diğer gazlardan ayırmak için polimerler, metaller veya seramikler gibi ince ve geçirgen malzemeler kullanan hidrojen saflaştırması için başka bir yaygın yöntemdir. Membran ayırma, düşük veya ortam basıncında ve sıcaklığında çalışabilir, bu da enerji ve sermaye maliyetlerini azaltır. Ancak membran ayırma aynı zamanda membran kirlenmesi, bozunma ve seçicilik gibi zorluklarla da karşı karşıyadır.

Kriyojenik damıtma
Kriyojenik damıtma, hidrojenin ve diğer gazların farklı kaynama noktalarından yararlanan bir hidrojen saflaştırma yöntemidir. Gaz karışımının son derece düşük sıcaklıklara soğutulmasıyla, safsızlıklar sıvı olarak yoğunlaşırken hidrojen buhar olarak ayrılabilir. Kriyojenik damıtma, özellikle nitrojen ve helyum gibi inert gazların uzaklaştırılmasında çok yüksek saflık ve hidrojen geri kazanımı sağlayabilir. Ancak kriyojenik damıtma aynı zamanda yüksek enerji tüketimi, karmaşık ekipman ve güvenlik riskleri de içerir.

Paladyum difüzyonu
Paladyum difüzyonu, hidrojen atomlarını kafes yapısı yoluyla emebilen ve dağıtabilen paladyum metalinin benzersiz özelliğini kullanan bir hidrojen saflaştırma yöntemidir. İnce bir paladyum zarı boyunca bir basınç veya sıcaklık gradyanı uygulanarak hidrojen, safsızlıkları geride bırakarak seçici olarak bir taraftan diğerine taşınabilir. Paladyum difüzyonu, ultra yüksek saflık ve hidrojenin geri kazanımını sağlayabilir, ancak aynı zamanda yüksek malzeme maliyeti, sınırlı kullanılabilirlik ve zehirlenme ve gevrekleşmeye karşı duyarlılık gibi sorunlar da taşır.

Biyolojik yöntemler
Biyolojik yöntemler, hidrojen gazındaki yabancı maddeleri dönüştürmek veya çıkarmak için bakteri, alg veya mantar gibi mikroorganizmaları kullanan, hidrojen saflaştırmasına yönelik yeni ortaya çıkan yöntemlerdir. Örneğin, bazı bakteriler, hidrojen üretiminde yaygın bir yabancı madde olan karbon monoksiti büyüme için bir substrat olarak kullanabilir ve yan ürünler olarak karbondioksit ve su üretebilir. Biyolojik yöntemler düşük enerji tüketimi, çevresel faydalar ve potansiyel katma değerli ürünler sunabilir. Ancak biyolojik yöntemler aynı zamanda düşük verimlilik, ölçeklenebilirlik ve stabilite gibi zorluklarla da karşı karşıyadır.

Araştırmacılar ilk kez, geleneksel su soğutmalı su gaz kaydırma reaktörünün çıkış akışından hidrojenin yüzde 98,8'ini geri kazandılar; bu, şimdiye kadar kaydedilen en yüksek değerdir.

Geleneksel hidrojen ayırma yöntemlerinde, ilave bir adım gerektiren su gazı kaydırma reaktörü kullanılır. Su gazı kaydırma reaktöründe, karbon monoksit ilk önce karbon dioksite dönüştürülür ve daha sonra hidrojen ve karbon dioksit, bir emme işlemi kullanılarak ayrılır. Saflaştırılmış hidrojeni anında kullanım veya depolama için basınçlandırmak için bir kompresör kullanılır.

Hidrojeni karbondioksit ve karbon monoksit gibi diğer gaz moleküllerinden hızlı ve ekonomik bir şekilde ayırmak için yüksek sıcaklıkta proton seçici polimer elektrolit membranların veya PEM'lerin kullanılması gerekir. Ayrıca diğer yüksek sıcaklıklı PEM tipi elektrokimyasal pompalardan daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilir ve hidrojeni diğer gazlardan ayırma yeteneğini artırır.

Hidrojen saflaştırma işlemi
Ekip, ayırma işlemini gerçekleştirmek için, zıt yüklere sahip elektrotların "ekmek", zarın ise "şarküteri eti" görevi gördüğü bir elektrot "sandviçi" kullandı. Elektrot iyonomer bağlayıcı malzemeleri, glutenin ekmeği bir arada tutmasına benzer şekilde, elektrotları bir arada tutacak şekilde tasarlanmıştır.

Pompadaki ekmek dilimi veya pozitif yüklü elektrot, hidrojenden proton ve elektronları serbest bırakır. Protonlar membrandan geçerken, elektronlar pozitif yüklü bir elektroda temas eden bir tel aracılığıyla pompanın içinden geçer. Membrandan geçip negatif yüklü elektroda ulaştıktan sonra protonlar ve elektronlar birleşerek yeniden hidrojen oluşturur.
PEM yalnızca protonların geçmesine izin verdiği için karbon monoksit, karbon dioksit, metan ve nitrojen gazı geçemez. Ekip, düzgün çalışabilmeleri için hidrojen pompasındaki elektrot parçacıklarını bir arada tutmak amacıyla yapışkan bir fosfonik asit iyonomer bağlayıcı oluşturdu.

Araştırmacılar, doğal gaz boru hatlarındaki hidrojen saflaştırmasını araştırmak için yaklaşımlarını ve araçlarını kullanacaklar. Hidrojenin taşınması ve depolanmasına yönelik bu yöntem henüz uygulamaya konulmamış olsa da, pek çok ümit vaat ediyor. Hidrojen, bir yakıt hücresi veya türbin jeneratörü kullanılarak güneş ve rüzgar enerjisi sistemlerinin yanı sıra diğer çeşitli çevre dostu uygulamaları desteklemek için kullanılabilir.

Endüstriyel gaz, çeşitli hidrojen içeren çok sayıda atık gaz içerir. Hidrojenin ayrılması ve saflaştırılması aynı zamanda PSA teknolojisinin en eski sanayileşmiş alanlarından biridir.

Gaz karışımının PSA ile ayrılması ilkesi, farklı gaz bileşenleri için adsorbanın adsorpsiyon kapasitesinin basınç değişimiyle değişmesidir. Giriş gazındaki yabancı maddeler yüksek basınçlı adsorpsiyonla uzaklaştırılır ve bu yabancı maddeler basınç azaltımı ve sıcaklık artışıyla desorbe edilir. Safsızlıkların giderilmesi ve saf bileşenlerin çıkarılması amacına basınç ve sıcaklık değişiklikleri yoluyla ulaşılır.

PSA hidrojen üretimi, adsorpsiyon yatağının basınç değişimiyle tamamlanan hidrojeni üretmek üzere zengin hidrojeni ayırmak için JZ-512H moleküler elek adsorbanını kullanır. Hidrojenin adsorbe edilmesi çok zor olduğundan, diğer gazların (safsızlıklar olarak adlandırılabilecek) adsorbe edilmesi kolay veya kolaydır, dolayısıyla arıtılmış gazın giriş basıncına yakın olduğunda hidrojen açısından zengin gaz üretilecektir. Desorpsiyon (rejenerasyon) sırasında safsızlıklar açığa çıkar ve basınç kademeli olarak desorpsiyon basıncına düşer.
Adsorpsiyon kulesi dönüşümlü olarak adsorpsiyon ve basınç işlemini gerçekleştirir. Sürekli hidrojen üretimi elde etmek için dengeleme ve desorpsiyon. Zengin hidrojen belli bir basınç altında sisteme girer. Zengin hidrojen, özel adsorbanla doldurulmuş adsorpsiyon kulesinden aşağıdan yukarıya doğru geçer. Co / CH4 / N2, güçlü bir adsorpsiyon bileşeni olarak adsorbanın yüzeyinde tutulur ve H2, bir adsorpsiyon bileşeni olarak yatağa nüfuz eder. Adsorpsiyon kulesinin tepesinden toplanan hidrojen ürünü sınırın dışına çıkarılır. Yataktaki adsorban CO/CH4/N2 ile doyurulduğunda zengin hidrojen diğer adsorpsiyon kulelerine geçer. Adsorpsiyon desorpsiyonu sürecinde, adsorbe edilmiş kulede belirli bir miktarda ürün hidrojeni kalır.

Saf hidrojenin bu kısmı, yeni desorbe edilen diğer basınç dengeleme kulelerini dengelemek ve temizlemek için kullanılır. Bu sadece adsorpsiyon kulesinde kalan hidrojenden faydalanmakla kalmaz, aynı zamanda adsorpsiyon kulesindeki basınç artış hızını da yavaşlatır, adsorpsiyon kulesindeki yorulma derecesini yavaşlatır ve hidrojen ayırma amacına etkili bir şekilde ulaşır.

Hidrojen gazı çeşitli farklı işlemlerle üretilir ve genellikle saf olmayan bir formda üretilir. Tipik prosesler arasında metan buhar reformasyonuyla kimyasal sentez, yan ürün olarak hidrojen gazının üretildiği stiren veya etilen tesislerinden gazın uzaklaştırılması ve hidrokraking veya kükürt giderme gibi petrokimyasal uygulamalar yer alır. Hidrojeni kullanmak için, saflaştırılmış hidrojen gazı oluşturmak üzere bir saflaştırma işlemi gereklidir. Hidrojen basıncı salınımlı adsorpsiyon (H2PSA), hidrojenin uçuculuğundan ve genel olarak polarite eksikliğinden ve kirlenmiş gaz akışlarını saflaştırmak için zeolitlere yönelik afinitesinden yararlanan bir işlemdir.

Hidrojen üretimi tipik olarak uzaklaştırılması gereken kirletici maddelerin veya yan ürünlerin üretimini içerir. Karbon monoksit, karbondioksit, nitrojen, su ve reaksiyona girmemiş hidrokarbonlar gibi bileşikleri içerir. Hidrojen PSA, bu bileşenlerin tercihli adsorpsiyonundan yararlanır ve bunları hidrojen akışından çıkararak saflaştırılmış hidrojen verir.

Geleneksel olarak Hidrojen PSA, birden fazla elek yatağından yararlanır ve dört aşamadan oluşur: bir adsorpsiyon aşaması, bir basınçsızlaştırma aşaması, bir rejenerasyon aşaması ve bir yeniden basınçlandırma aşaması. İşlemde, saf olmayan hidrojen akışı, safsızlıkların basınç altında seçici olarak moleküler elek üzerine adsorbe edildiği elek yatağına geçirilir. Adsorpsiyon adımı tamamlandıktan sonra, yatağın basıncının düşürülmesiyle rejenerasyon gerçekleştirilir, bu da yabancı maddelerin afinitesini azaltır ve bunların atılmasına olanak tanır.

Yatağın daha fazla saflaştırılması, kalan kirletici maddelerin uzaklaştırılması için saf hidrojen ile temizlenerek sağlanır. Adsorpsiyon prosesinin tekrarlanması için yatağa yeniden basınç uygulanır. Yataklar sürekli hidrojen üretimine izin verecek şekilde senkronize çalışır.

Ürünler Çin'in tüm bölgelerinde satılmakta ve dünya ülkelerine ihraç edilmektedir. Amerika Birleşik Devletleri, Almanya, Fas, Kenya, Suudi Arabistan, Vietnam, Cezayir, Hindistan, Tanzanya ve Tayvan dahil olmak üzere 20'den fazla ülke ve bölgede satıldılar. China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group ve diğer tanınmış şirketler gibi tanınmış şirketlere başarıyla hizmet verildi. Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming gibi birçok yeşil hidrojen hidrojenasyon istasyonu yeşil ve hidrojen üretim projeleri sağlıyor.