真空變壓吸附上活性炭對(duì)氫氣的凈化

　　氫是很有潛力的二次能源。與傳統(tǒng)化石燃料相比，氫具有零污染和廣泛可用的來(lái)源的優(yōu)勢(shì)，并且被認(rèn)為是重要的能源載體。目前，大部分的氫的生產(chǎn)是用天然氣和蒸汽甲烷重整制備。但是這種工藝會(huì)釋放出包含H2，CH4，CO2，N2和CO的氣體混合物，氫凈化是氫能利用的重要組成部分。本次我們實(shí)驗(yàn)通過(guò)用活性炭進(jìn)行真空變壓吸附和變壓吸附作為氫純化的方法，測(cè)試活性炭對(duì)于氫凈化效果。

　　目前，超過(guò)85%的制氫公司使用變壓吸附技術(shù)來(lái)純化氫氣。變壓吸附是真空變壓吸附的基礎(chǔ)。與變壓吸附相比，真空變壓吸附的效率和生產(chǎn)率更高。在這項(xiàng)研究中，多組分氣體(H2/CO2/CH4/CO/N2=0.79/0.17/0.021/0.012/0.007)的氫氣純化是通過(guò)一塔真空變壓吸附和變壓吸附進(jìn)行的。比較了活性炭和沸石吸附劑的吸附能力。選擇活性炭作為氫純化的吸附劑，因?yàn)榕c活性炭摻沸石相比，活性炭具有更大的吸附能力。此外，建立了10個(gè)步驟的變壓吸附循環(huán)模型，以模擬氫的凈化性能。

　　活性炭和活性炭摻沸石吸附床的突破曲線

　　活性炭和活性炭摻沸石中五組分混合物的摩爾分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果如圖1所示，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合。從圖1可以看出，每種組分的穿透時(shí)間是不同的。氫被輕度吸附并迅速達(dá)到突破點(diǎn)。氮?dú)馐堑谝粋�(gè)突破吸附床的氣體，其次是一氧化碳，而甲烷和二氧化碳則是最后一個(gè)突破吸附床的氣體。主要原因是不同氣體的吸附性能不同。活性炭和活性炭摻沸石吸附劑對(duì)每種氣體組分的吸附能力如下：CO2>CH4>CO>N2>H2。在吸附過(guò)程中，弱吸附物從吸附床解吸并重新整合到氣流中，因此在穿透曲線中出現(xiàn)了明顯的峰值。如圖1所示，活性炭中的被吸附物穿透吸附床的速度比活性炭摻沸石中的慢，而活性炭中的穿透曲線的峰值低于活性炭摻沸石。這意味著活性炭比活性炭摻沸石可以吸收更多的二氧化碳，甲烷，一氧化碳，氮和氫。除了氫以外，CO2是混合物中較豐富的成分，雖然氫的吸附量很小，但CO2的吸附量更多。因此，在這種情況下，CO2的吸附量選擇吸附劑作為吸附劑吸附能力的指標(biāo)。活性炭比活性炭摻沸石吸附的二氧化碳多了17.80-25.75%。

　　圖1：活性炭和活性炭摻沸石的突破曲線(a，b)和溫度曲線(c，d)。

　　當(dāng)氣體被吸附時(shí)，吸附床的溫度將升高，而當(dāng)氣體被解吸時(shí)，其溫度將下降。然而，由于吸附床與環(huán)境之間的熱傳遞，吸附床的溫度最終將下降至初始值。活性炭摻沸石中的溫度峰值低于活性炭中的溫度峰值，這主要是因?yàn)榛钚蕴繐椒惺�中的吸附熱量和吸附量小于活性炭中的吸附熱量和吸附量�?/p>

　　氫氣凈化的參數(shù)研究

　　進(jìn)料時(shí)間的影響如圖2所示。當(dāng)進(jìn)料時(shí)間從101秒增加到151秒時(shí)，氫氣純度降低了0.53-1.07%，氫氣回收率提高了8.66-15.30%。當(dāng)進(jìn)料時(shí)間從151秒增加到201秒時(shí)，氫氣純度降低了0.82–1.71%，氫氣回收率提高了3.77–6.64%。當(dāng)真空變壓吸附系統(tǒng)達(dá)到循環(huán)穩(wěn)態(tài)時(shí)，延長(zhǎng)進(jìn)料時(shí)間會(huì)增加出口處的不純氣體量，這會(huì)導(dǎo)致氫氣純度下降，但由于進(jìn)料到吸附床的氫氣量增加，氫氣回收率增加。當(dāng)吹掃時(shí)間長(zhǎng)并且進(jìn)料時(shí)間增加時(shí)，氫純度變化率降低，并且氫回收率變化率增加。

　　圖2：進(jìn)料時(shí)間和吹掃時(shí)間對(duì)真空變壓吸附循環(huán)的氫純度(a)和回收率(b)的影響。

　　活性炭?jī)艋瘯r(shí)間的影響如圖2所示。當(dāng)吹掃時(shí)間從40秒增加到70秒時(shí)，氫氣純度提高了0.44–1.35%，氫氣回收率降低了2.61–6.57%。當(dāng)吹掃時(shí)間從70秒增加到100秒時(shí)，氫氣純度提高了0.21-0.76%，氫氣回收率降低了2.91-7.19%。隨著吹掃時(shí)間的增加，在吹掃步驟中氫氣的摩爾分?jǐn)?shù)增加，因?yàn)楦�多的不純氣體從吸附劑中解吸出來(lái)。因此，隨著吸附劑的循環(huán)利用，這些雜質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)降低，因此隨著凈化時(shí)間的增加，氫純度也隨之提高。但是回收率下降了，當(dāng)進(jìn)料時(shí)間短并且吹掃時(shí)間增加時(shí)，氫純度變化率降低，并且氫回收率變化率增加。

　　真空變壓吸附上活性炭對(duì)氫氣的凈化，分析和比較了活性炭和活性炭摻沸石吸附劑，以及大氣壓和真空變壓吸附循環(huán)。得到以下結(jié)論。從多組分氣體中純化氫時(shí)，活性炭具有比摻沸石的吸附能力更高，吸附量能多了17.80-25.75%。在真空變壓吸附的氫氣提純性能優(yōu)于變壓吸附。因此，進(jìn)一步研究和優(yōu)化了用于氫氣純化的真空變壓吸附系統(tǒng)的參數(shù)。結(jié)果表明，進(jìn)料時(shí)間對(duì)氫純度有負(fù)面影響，對(duì)氫回收率有正面影響，而吹掃時(shí)間對(duì)氫純度有正面影響，對(duì)氫回收率有負(fù)面影響。結(jié)果表明，進(jìn)料時(shí)間設(shè)定為223秒，吹掃時(shí)間為96秒時(shí)，氫回收率高達(dá)到88.65%，進(jìn)料時(shí)間設(shè)定為100秒，吹掃時(shí)間為45秒時(shí)氫純度高達(dá)到99.33%，活性炭很適用于氫氣生產(chǎn)工業(yè)中的吸附劑材料。

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