Temiz enerji ve sürdürülebilir kalkınmaya yönelik küresel arayışın artmasıyla birlikte, verimli ve temiz bir enerji taşıyıcısı olan hidrojen enerjisi, giderek insanların dikkatini çekmeye başlıyor. Hidrojen enerjisi endüstri zincirinin kilit bir halkası olan hidrojen saflaştırma teknolojisi, yalnızca hidrojen enerjisinin güvenliği ve güvenilirliğiyle ilgili olmakla kalmayıp, aynı zamanda hidrojen enerjisinin uygulama kapsamını ve ekonomik faydalarını da doğrudan etkiliyor.
1. Ürün hidrojeni için gereksinimler
Kimyasal bir hammadde ve enerji taşıyıcısı olarak hidrojen, farklı uygulama senaryolarında farklı saflık ve safsızlık içeriği gereksinimlerine sahiptir. Sentetik amonyak, metanol ve diğer kimyasal ürünlerin üretiminde, katalizör zehirlenmesini önlemek ve ürün kalitesini sağlamak için, besleme gazındaki sülfürler ve diğer toksik maddeler önceden uzaklaştırılmalı ve safsızlık içeriği gereksinimleri karşılayacak şekilde azaltılmalıdır. Metalurji, seramik, cam ve yarı iletkenler gibi endüstriyel alanlarda hidrojen gazı ürünlerle doğrudan temas halindedir ve saflık ve safsızlık içeriği gereksinimleri daha katıdır. Örneğin, yarı iletken endüstrisinde hidrojen, kristal ve alt tabaka hazırlama, oksidasyon, tavlama vb. işlemler için kullanılır ve bu işlemlerde hidrojendeki oksijen, su, ağır hidrokarbonlar, hidrojen sülfür vb. safsızlıklar konusunda son derece yüksek sınırlamalar vardır.
2. Oksijensizleştirmenin çalışma prensibi
Bir katalizörün etkisi altında, hidrojendeki az miktarda oksijen, hidrojenle reaksiyona girerek su üretir ve böylece oksijensizleştirme amacı gerçekleştirilir. Bu reaksiyon ekzotermik bir reaksiyondur ve reaksiyon denklemi aşağıdaki gibidir:
2H₂ + O₂ (katalizör) → 2H₂O + Q
Katalizörün bileşimi, kimyasal özellikleri ve kalitesi reaksiyondan önce ve sonra değişmediğinden, katalizör rejenerasyona gerek kalmadan sürekli olarak kullanılabilir.
Oksijen giderici, iç ve dış silindir yapısına sahiptir ve katalizör, dış ve iç silindirler arasına yerleştirilmiştir. Patlamaya dayanıklı elektrikli ısıtma bileşeni iç silindirin içine monte edilmiştir ve reaksiyon sıcaklığını tespit etmek ve kontrol etmek için katalizör paketinin üst ve alt kısmına iki sıcaklık sensörü yerleştirilmiştir. Dış silindir, ısı kaybını önlemek ve yanıkları engellemek için yalıtım tabakasıyla sarılmıştır. Ham hidrojen, oksijen gidericinin üst girişinden iç silindire girer, elektrikli ısıtma elemanı tarafından ısıtılır ve alttan üste doğru katalizör yatağından akar. Ham hidrojendeki oksijen, katalizörün etkisi altında hidrojenle reaksiyona girerek su üretir. Alt çıkıştan çıkan hidrojendeki oksijen içeriği 1 ppm'nin altına düşürülebilir. Bu birleşme sonucu oluşan su, hidrojen gazıyla birlikte gaz halinde oksijen gidericiden çıkar, sonraki hidrojen soğutucusunda yoğunlaşır, hava-su ayırıcısında filtrelenir ve sistemden atılır.
3. Kurutma işleminin çalışma prensibi
Hidrojen gazının kurutulması, adsorban olarak moleküler elekler kullanılarak adsorpsiyon yöntemiyle gerçekleştirilir. Kurutma işleminden sonra hidrojen gazının çiğlenme noktası -70 ℃'nin altına düşebilir. Moleküler elek, kübik kafes yapısına sahip bir alüminosilikat bileşiğidir; dehidrasyon sonrasında içinde aynı boyutta birçok boşluk oluşturur ve çok geniş bir yüzey alanına sahiptir. Moleküler elekler, farklı şekil, çap, polarite, kaynama noktası ve doygunluk seviyelerine sahip molekülleri ayırabildikleri için moleküler elek olarak adlandırılırlar.
Su oldukça polar bir moleküldür ve moleküler eleklerin suya karşı güçlü bir afinitesi vardır. Moleküler eleklerin adsorpsiyonu fiziksel adsorpsiyondur ve adsorpsiyon doygunluğa ulaştığında, tekrar adsorbe edilebilmesi için ısıtılıp rejenerasyona ihtiyaç duyulur. Bu nedenle, sürekli çiğ noktası kararlı hidrojen gazı üretimi sağlamak için bir arıtma cihazına en az iki kurutucu dahil edilir; bunlardan biri çalışırken diğeri rejenerasyon yapar.
Kurutucu, iç ve dış silindir yapısına sahiptir ve adsorban, dış ve iç silindirler arasına yüklenir. Patlamaya dayanıklı elektrikli ısıtma bileşeni iç silindirin içine yerleştirilmiştir ve reaksiyon sıcaklığını tespit etmek ve kontrol etmek için moleküler elek dolgusunun üst ve alt kısmına iki sıcaklık sensörü yerleştirilmiştir. Dış silindir, ısı kaybını önlemek ve yanıkları engellemek için yalıtım tabakasıyla sarılmıştır. Adsorpsiyon durumunda (birincil ve ikincil çalışma durumları dahil) ve rejenerasyon durumunda hava akışı tersine çevrilir. Adsorpsiyon durumunda, üst uç boru gaz çıkışı, alt uç boru ise gaz girişidir. Rejenerasyon durumunda, üst uç boru gaz girişi, alt uç boru ise gaz çıkışıdır. Kurutma sistemi, kurutucu sayısına göre iki kuleli kurutucu ve üç kuleli kurutucu olarak ikiye ayrılabilir.
4. İki kuleli işlem
Cihaza iki kurutucu yerleştirilmiştir; bunlar bir döngü (48 saat) içinde dönüşümlü olarak çalışır ve rejenerasyon yaparak tüm cihazın sürekli çalışmasını sağlar. Kurutma işleminden sonra hidrojenin çiğlenme noktası -60 ℃'nin altına düşebilir. Bir çalışma döngüsü (48 saat) boyunca, A ve B kurutucuları sırasıyla çalışma ve rejenerasyon durumlarında bulunur.
Bir açma/kapama döngüsünde, kurutucu iki durum yaşar: çalışma durumu ve rejenerasyon durumu.
• Yenileme aşaması: İşlem gören gaz hacmi tam gaz hacmidir. Yenileme aşaması ısıtma aşamasını ve üflemeli soğutma aşamasını içerir;
1) Isıtma aşaması – kurutucunun içindeki ısıtıcı çalışır ve üst sıcaklık ayarlanan değere ulaştığında veya ısıtma süresi ayarlanan değere ulaştığında otomatik olarak ısıtmayı durdurur;
2) Soğutma aşaması – Kurutucu ısıtmayı durdurduktan sonra, kurutucu çalışma moduna geçene kadar hava akışı orijinal güzergah üzerinden kurutucudan geçmeye devam ederek onu soğutur.
• Çalışma durumu: İşlem gören hava hacmi tam kapasitede ve kurutucunun içindeki ısıtıcı çalışmıyor.
5. Üç kuleli iş akışı
Günümüzde üç kuleli proses yaygın olarak kullanılmaktadır. Cihaza, yüksek adsorpsiyon kapasitesine ve iyi sıcaklık direncine sahip kurutucular (moleküler elekler) içeren üç kurutucu yerleştirilmiştir. Üç kurutucu, çalışma, rejenerasyon ve adsorpsiyon arasında dönüşümlü olarak çalışarak tüm cihazın sürekli çalışmasını sağlar. Kurutma işleminden sonra, hidrojen gazının çiğlenme noktası -70 ℃'nin altına düşebilir.
Bir anahtarlama döngüsü sırasında kurutucu üç aşamadan geçer: çalışma, adsorpsiyon ve rejenerasyon. Her aşama için, oksijensizleştirme, soğutma ve su filtrasyonundan sonra ham hidrojen gazının girdiği ilk kurutucu şu konumdadır:
1) Çalışma durumu: İşlem gören gaz hacmi tam kapasitede, kurutucunun içindeki ısıtıcı çalışmıyor ve ortam, susuzlaştırılmamış ham hidrojen gazıdır;
İkinci kurutucu girişi şu konumdadır:
2) Rejenerasyon durumu: %20 gaz hacmi: Rejenerasyon durumu ısıtma aşamasını ve üflemeli soğutma aşamasını içerir;
Isıtma aşaması – kurutucunun içindeki ısıtıcı çalışır ve üst sıcaklık ayarlanan değere ulaştığında veya ısıtma süresi ayarlanan değere ulaştığında otomatik olarak ısıtmayı durdurur;
Soğutma aşaması – Kurutucu ısıtmayı durdurduktan sonra, kurutucu çalışma moduna geçene kadar hava akışı orijinal yolundan kurutucudan geçmeye devam ederek onu soğutur; Kurutucu rejenerasyon aşamasındayken, ortam susuzlaştırılmış kuru hidrojen gazıdır;
Üçüncü kurutma makinesi girişi şu konumdadır:
3) Adsorpsiyon durumu: İşlem gazı hacmi %20'dir, kurutucudaki ısıtıcı çalışmamaktadır ve rejenerasyon için ortam hidrojen gazıdır.
Yayın tarihi: 19 Aralık 2024
