燃料电池级氢气变压吸附纯化工艺研究

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本文以纯化制备燃料电池级氢气为目标,简要的介绍了氢能的战略地位及利用和燃料电池级氢气纯化技术的研究现状。提出多层吸附剂变压吸附纯化制备燃料电池级氢气工艺,并利用专业数值模拟软件建立包含能量传递、动量传递、质量传递及吸附动力学方程在内的严格的数学模型,对纯化过程进行模拟与分析。本文以组成为H2/CO2/CH4/CO=76%/20%/3.5%/0.5%、压力为22 bar的甲烷重整气为原料气,设计了一个六塔四均十三步的变压吸附工艺流程。以活性炭、5A分子筛、硅胶、Cu+负载活性炭为吸附剂,并对其进行BET数据表征,后利用静态容积法测定H2、CO2、CH4、CO在这四种吸附剂上的吸附平衡数据,用Extended Langmuir方程进行拟合。分别探究双层吸附剂、三层吸附剂在变压吸附纯化制备燃料电池级氢气工艺中的效果,分析了原料气进料量在活性炭和5A组合工艺中对产品气中氢气纯度及回收率、杂质气体含量的影响,结果表明在该工艺中一氧化碳难以达到燃料电池用氢规定标准。后引入Cu+负载活性炭作为一氧化碳深度脱除吸附剂,探究三层吸附剂在变压吸附纯化工艺中的作用,并综合考察了原料气进料流量、吸附剂种类、吸附剂装填比例及冲洗率等对产品气中氢气纯度及回收率、杂质气体含量的影响,通过循环稳态下吸附床层中各物质的气相、固相浓度分布,系统的阐述了气体在各层吸附剂上的吸脱附行为变化,从而得到所有杂质气体都满足燃料电池氢气标准的最佳吸附剂组合和工艺条件,此时氢气纯度99.99971%,回收率为72.09%。
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