Với nỗ lực ngày càng tăng trên toàn cầu trong việc theo đuổi năng lượng sạch và phát triển bền vững, năng lượng hydro, với vai trò là một nguồn năng lượng hiệu quả và sạch, đang dần được mọi người quan tâm. Là một mắt xích quan trọng trong chuỗi ngành công nghiệp năng lượng hydro, công nghệ tinh chế hydro không chỉ liên quan đến sự an toàn và độ tin cậy của năng lượng hydro, mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến phạm vi ứng dụng và lợi ích kinh tế của năng lượng hydro.
1. Yêu cầu đối với sản phẩm hydro
Hydro, với vai trò là nguyên liệu hóa học và chất mang năng lượng, có những yêu cầu khác nhau về độ tinh khiết và hàm lượng tạp chất trong các ứng dụng khác nhau. Trong sản xuất amoniac tổng hợp, metanol và các sản phẩm hóa học khác, để ngăn ngừa hiện tượng nhiễm độc chất xúc tác và đảm bảo chất lượng sản phẩm, các sunfua và các chất độc hại khác trong khí cấp liệu phải được loại bỏ trước để giảm hàm lượng tạp chất đáp ứng yêu cầu. Trong các lĩnh vực công nghiệp như luyện kim, gốm sứ, thủy tinh và chất bán dẫn, khí hydro tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm, và yêu cầu về độ tinh khiết và hàm lượng tạp chất càng nghiêm ngặt hơn. Ví dụ, trong ngành công nghiệp bán dẫn, hydro được sử dụng cho các quy trình như chuẩn bị tinh thể và chất nền, oxy hóa, ủ nhiệt, v.v., có những hạn chế cực kỳ cao đối với các tạp chất như oxy, nước, hiđrocacbon nặng, hiđro sunfua, v.v. trong hydro.
2. Nguyên lý hoạt động của quá trình khử oxy
Dưới tác dụng của chất xúc tác, một lượng nhỏ oxy trong hydro có thể phản ứng với hydro để tạo ra nước, đạt được mục đích khử oxy. Phản ứng này là phản ứng tỏa nhiệt, và phương trình phản ứng như sau:
2H₂ + O₂ (chất xúc tác) → 2H₂O + Q
Vì thành phần, tính chất hóa học và chất lượng của chất xúc tác không thay đổi trước và sau phản ứng, nên chất xúc tác có thể được sử dụng liên tục mà không cần tái tạo.
Bộ khử oxy có cấu trúc hình trụ trong và ngoài, với chất xúc tác được đặt giữa hai hình trụ này. Bộ phận gia nhiệt điện chống cháy nổ được lắp đặt bên trong hình trụ trong, và hai cảm biến nhiệt độ được đặt ở phía trên và phía dưới của lớp chất xúc tác để phát hiện và kiểm soát nhiệt độ phản ứng. Hình trụ ngoài được bọc một lớp cách nhiệt để ngăn ngừa mất nhiệt và tránh bị cháy. Khí hydro thô đi vào hình trụ trong từ cửa nạp phía trên của bộ khử oxy, được gia nhiệt bằng bộ phận gia nhiệt điện, và chảy qua lớp chất xúc tác từ dưới lên trên. Oxy trong khí hydro thô phản ứng với hydro dưới tác dụng của chất xúc tác để tạo ra nước. Hàm lượng oxy trong khí hydro thoát ra từ cửa thoát phía dưới có thể được giảm xuống dưới 1 ppm. Nước được tạo ra từ phản ứng này thoát ra khỏi bộ khử oxy dưới dạng khí cùng với khí hydro, ngưng tụ trong bộ làm mát hydro tiếp theo, được lọc trong bộ tách nước-không khí, và được thải ra khỏi hệ thống.
3. Nguyên lý hoạt động của máy sấy
Quá trình làm khô khí hydro sử dụng phương pháp hấp phụ, với chất hấp phụ là sàng phân tử. Sau khi làm khô, điểm sương của khí hydro có thể đạt dưới -70 ℃. Sàng phân tử là một loại hợp chất aluminosilicat có cấu trúc mạng lập phương, tạo thành nhiều khoang có cùng kích thước bên trong sau khi khử nước và có diện tích bề mặt rất lớn. Sàng phân tử được gọi là sàng phân tử vì chúng có thể tách các phân tử có hình dạng, đường kính, độ phân cực, điểm sôi và mức độ bão hòa khác nhau.
Nước là một phân tử có tính phân cực cao, và các sàng phân tử có ái lực mạnh với nước. Sự hấp phụ của sàng phân tử là hấp phụ vật lý, và khi quá trình hấp phụ đạt đến trạng thái bão hòa, cần một khoảng thời gian để gia nhiệt và tái tạo trước khi có thể hấp phụ lại. Do đó, ít nhất hai máy sấy được tích hợp trong một thiết bị tinh chế, một máy hoạt động trong khi máy kia đang tái tạo, để đảm bảo sản xuất liên tục khí hydro ổn định điểm sương.
Máy sấy có cấu trúc hình trụ trong và ngoài, với chất hấp phụ được nạp giữa hai hình trụ này. Bộ phận gia nhiệt điện chống cháy nổ được lắp đặt bên trong hình trụ trong, và hai cảm biến nhiệt độ được đặt ở phía trên và phía dưới của lớp vật liệu hấp phụ để phát hiện và điều khiển nhiệt độ phản ứng. Hình trụ ngoài được bọc một lớp cách nhiệt để ngăn ngừa thất thoát nhiệt và tránh bị cháy. Luồng khí trong trạng thái hấp phụ (bao gồm trạng thái làm việc sơ cấp và thứ cấp) và trạng thái tái tạo được đảo ngược. Trong trạng thái hấp phụ, ống ở đầu trên là cửa thoát khí và ống ở đầu dưới là cửa hút khí. Trong trạng thái tái tạo, ống ở đầu trên là cửa hút khí và ống ở đầu dưới là cửa thoát khí. Hệ thống sấy có thể được chia thành máy sấy hai tháp và máy sấy ba tháp tùy theo số lượng máy sấy.
4. Quy trình hai tháp
Thiết bị được lắp đặt hai máy sấy, hoạt động luân phiên và tái tạo trong một chu kỳ (48 giờ) để đảm bảo toàn bộ thiết bị vận hành liên tục. Sau khi sấy, điểm sương của hydro có thể đạt dưới -60 ℃. Trong một chu kỳ làm việc (48 giờ), máy sấy A và B lần lượt trải qua các trạng thái hoạt động và tái tạo.
Trong một chu kỳ chuyển mạch, máy sấy trải qua hai trạng thái: trạng thái hoạt động và trạng thái tái tạo.
• Trạng thái tái tạo: Thể tích khí xử lý là thể tích khí tối đa. Trạng thái tái tạo bao gồm giai đoạn gia nhiệt và giai đoạn thổi làm mát;
1) Giai đoạn làm nóng – bộ phận làm nóng bên trong máy sấy hoạt động và tự động ngừng làm nóng khi nhiệt độ trên cùng đạt đến giá trị cài đặt hoặc thời gian làm nóng đạt đến giá trị cài đặt;
2) Giai đoạn làm mát – Sau khi máy sấy ngừng gia nhiệt, luồng không khí tiếp tục lưu thông qua máy sấy theo đường dẫn ban đầu để làm mát cho đến khi máy sấy chuyển sang chế độ hoạt động.
• Tình trạng hoạt động: Lưu lượng khí xử lý đang ở mức tối đa, và bộ phận gia nhiệt bên trong máy sấy không hoạt động.
5. Quy trình làm việc ba tháp
Hiện nay, quy trình ba tháp được sử dụng rộng rãi. Thiết bị được lắp đặt ba máy sấy, chứa các chất hút ẩm (sàng phân tử) có khả năng hấp phụ lớn và chịu nhiệt tốt. Ba máy sấy luân phiên hoạt động, tái tạo và hấp phụ để đảm bảo hoạt động liên tục của toàn bộ thiết bị. Sau khi sấy, điểm sương của khí hydro có thể đạt dưới -70 ℃.
Trong một chu kỳ chuyển đổi, máy sấy trải qua ba trạng thái: hoạt động, hấp phụ và tái tạo. Đối với mỗi trạng thái, máy sấy đầu tiên mà khí hydro thô đi vào sau quá trình khử oxy, làm mát và lọc nước nằm ở vị trí:
1) Tình trạng hoạt động: Lượng khí xử lý đang ở mức tối đa, bộ phận gia nhiệt bên trong máy sấy không hoạt động, môi chất là khí hydro thô chưa được khử nước;
Máy sấy thứ hai đi vào nằm ở vị trí:
2) Trạng thái tái tạo: Thể tích khí 20%: Trạng thái tái tạo bao gồm giai đoạn gia nhiệt và giai đoạn làm mát bằng thổi khí;
Giai đoạn làm nóng – bộ phận làm nóng bên trong máy sấy hoạt động và tự động ngừng làm nóng khi nhiệt độ trên cùng đạt đến giá trị đã cài đặt hoặc thời gian làm nóng đạt đến giá trị đã cài đặt;
Giai đoạn làm mát – Sau khi máy sấy ngừng gia nhiệt, luồng không khí tiếp tục lưu thông qua máy sấy theo đường dẫn ban đầu để làm mát cho đến khi máy sấy chuyển sang chế độ hoạt động; Khi máy sấy ở giai đoạn tái tạo, môi chất là khí hydro khô đã được khử nước;
Máy sấy thứ ba đi vào nằm ở vị trí:
3) Trạng thái hấp phụ: Thể tích khí xử lý là 20%, bộ phận gia nhiệt trong máy sấy không hoạt động, và môi trường là khí hydro để tái tạo.
Thời gian đăng bài: 19/12/2024
