ニュース - 電解水水素精製装置

クリーンエネルギーと持続可能な開発の世界的な追求が高まるにつれ、効率的でクリーンなエネルギーキャリアとしての水素エネルギーが徐々に人々の視野に入りつつあります。水素エネルギー産業チェーンの重要なリンクとして、水素精製技術は水素エネルギーの安全性と信頼性に関わるだけでなく、水素エネルギーの適用範囲と経済的利益にも直接影響します。

1.製品水素の要件

化学原料およびエネルギーキャリアとしての水素には、さまざまな用途シナリオで純度および不純物含有量に関するさまざまな要件があります。アンモニアやメタノールなどの合成化学製品の製造においては、触媒の被毒を防止し、製品の品質を確保するために、原料ガス中の硫化物などの有害物質を事前に除去し、不純物含有量を要求に応じて低減する必要があります。冶金、セラミックス、ガラス、半導体などの工業分野では、水素ガスが製品に直接触れるため、純度や不純物含有量に対する要求がより厳しくなります。例えば、半導体産業では、結晶や基板の準備、酸化、アニーリングなどのプロセスに水素が使用されますが、これらのプロセスでは、水素中の酸素、水、重炭化水素、硫化水素などの不純物に対して非常に厳しい制限があります。

2.脱酸素の動作原理

触媒の作用により、水素中の少量の酸素が水素と反応して水を生成し、脱酸素の目的を達成します。この反応は発熱反応であり、反応式は次のとおりです。

2H ₂+O ₂ (触媒) -2H ₂ O+Q

触媒自体の組成、化学的性質、品質は反応前後で変化しないため、触媒を再生することなく継続して使用できます。

脱酸素装置は内外筒構造となっており、外筒と内筒の間に触媒が充填されています。内筒内に防爆型の電気加熱部品を設置し、触媒パッキンの上下に2個の温度センサーを設置して反応温度を検知・制御します。外筒は断熱層で包まれているので、熱の損失を防ぎ、火傷を防ぎます。原料水素は脱酸装置の上部入口から内筒に入り、電気発熱体によって加熱され、触媒床を下から上に流れます。原料水素中の酸素が触媒の作用により水素と反応して水が生成されます。下部出口から流出する水素中の酸素含有量を1ppm以下まで低減できます。結合によって生成された水は、水素ガスとともにガス状で脱酸装置から流出し、後続の水素冷却器で凝縮し、気水分離器でろ過され、システムから排出されます。

3.乾燥の動作原理

水素ガスの乾燥にはモレキュラーシーブを吸着剤として使用する吸着法が採用されています。乾燥後の水素ガスの露点は-70℃以下に達することがあります。モレキュラーシーブは立方格子を持つアルミノケイ酸塩化合物の一種で、脱水後に内部に同じ大きさの空洞を多数形成し、非常に大きな表面積を持ちます。モレキュラーシーブは、形状、直径、極性、沸点、飽和レベルが異なる分子を分離できるため、モレキュラーシーブと呼ばれます。

水は極性の高い分子であり、モレキュラーシーブは水に対して強い親和性を持っています。モレキュラーシーブの吸着は物理吸着であり、吸着が飽和すると、再度吸着できるようになるまで加熱して再生する時間がかかります。したがって、精製装置には少なくとも 2 台の乾燥機が組み込まれており、1 台が動作している間、もう 1 台が再生され、露点が安定した水素ガスを継続的に生成します。

乾燥機は内外筒構造となっており、外筒と内筒の間に吸着剤が充填されています。内筒内には防爆電気加熱部品が設置されており、モレキュラーシーブパッキンの上下に2つの温度センサーが設置されており、反応温度を検知・制御します。外筒は断熱層で包まれているので、熱の損失を防ぎ、火傷を防ぎます。吸着状態（一次作動状態、二次作動状態を含む）と再生状態では空気の流れが逆になります。吸着状態では、上端のパイプがガスの出口となり、下端のパイプがガスの入口となります。再生状態では、上端のパイプがガス入口、下端のパイプがガス出口になります。乾燥装置は乾燥機の台数により2塔乾燥機と3塔乾燥機に分けられます。

4.二塔プロセス

装置には 2 台の乾燥機が設置されており、1 サイクル (48 時間) 以内に交互に再生を行い、装置全体の連続運転を実現します。乾燥後の水素の露点は-60℃以下に達することがあります。動作サイクル (48 時間) 中に、乾燥機 A と B はそれぞれ動作状態と再生状態になります。

1 回の切り替えサイクルで、乾燥機は動作状態と再生状態の 2 つの状態を経験します。

・再生状態：処理ガス量がフルガス量である。再生状態には加熱段階と送風冷却段階が含まれます。

1) 加熱段階 - 乾燥機内のヒーターが作動し、上限温度が設定値に達するか、加熱時間が設定値に達すると、自動的に加熱を停止します。

2) 冷却段階 – 乾燥機が加熱を停止した後、空気流は乾燥機が動作モードに切り替わるまで元の経路で乾燥機を流れ続け、乾燥機を冷却します。

・動作状況：処理風量はフルで、乾燥機内のヒーターは動作していません。

5.3つのタワーのワークフロー

現在、3 塔プロセスが広く使用されています。装置内には、吸着能力が高く耐熱性に優れた乾燥剤（モレキュラーシーブ）を配合した乾燥機が3台設置されています。 3台の乾燥機が運転・再生・吸着を交互に行い、装置全体の連続運転を実現します。乾燥後の水素ガスの露点は-70℃以下に達することがあります。

スイッチングサイクル中に、乾燥機は動作、吸着、再生という 3 つの状態を経ます。各状態ごとに、脱酸素、冷却、水の濾過後に生の水素ガスが入る最初の乾燥器は次の場所にあります。

1) 動作状況: 処理ガス量は最大で、乾燥機内のヒーターは動作しておらず、媒体は脱水されていない生水素ガスです。

2 番目に入る乾燥機は次の場所にあります。