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图1-1 GB/T 37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料 氢气》
对于燃料氢气,CO是氢气所含杂质中处理难度最大的。以目前工业氢气提纯上普遍采用的变压吸附提氢(PSA)吸附剂5A分子筛为例,通过以下等温吸附线(图1-2)可以看出,对CO和N2的吸附量不管是在高分压下还是在燃料氢气除杂所关注的低分压下,两者的分离比约2.5,差别不大,可以理解为吸附剂对两者的脱除能力相近,但是微量CO会导致燃料电池催化剂Pt的中毒失活,而如N2和Ar等惰性气体则不会对燃料电池造成损坏,在燃料氢气的标准中也可以看出,对两者的含量限定相差了500倍。
图1-2 5A分子筛在25℃下吸附等温线
很明显,在燃料氢气的应用上,微量CO分离是传统变压吸附提氢的“短板”,要想达到CO≦0.2ppm的要求,就需要同时将燃料氢气中含量要求不高的N2和Ar等杂质一并脱除至很低的水平,结果就是损失了收率导致燃料氢气成本升高,同时还难以解决原料气组分波动和吸附剂长期运行性能下降所导致的燃料氢气品质不稳定的潜在风险。
对此,最有效的方法就是跳出传统变压吸附提氢的工艺限制,采用专有的方法来解决燃料氢气中CO除杂的难题,这也正是衣宝廉院士在2019全球燃料电池汽车产业论坛上指出的观点,燃料氢气中的CO问题,需要专门的装置来做专门的处理。
为此,佳安氢源自主研发了采用“模块化定向除杂(MDP)”技术的MDP燃料氢气除杂装置,包含净化、脱硫、脱氧、变压提氢、变温除杂等模块,根据原料气中杂质组分和含量不同以及产品气的要求不同,选取不同的模块,针对性的实现经济可靠的氢气提取,其中的变温除杂模块,完全不同于传统的变压提氢工艺和吸附剂,采用我公司特有的JA-01型吸附剂,结合变温除杂工艺,专门针对燃料氢气中CO除杂的难题,可经济的将氢气中的CO脱除至0.1ppm以下,稳定、可靠的保证了燃料氢气的品质。
在下文中将对比直接采用传统变压吸附提氢技术方案,和采用MDP燃料氢气除杂装置变压提氢模块和变温除杂模块组合方案的经济性。
制取燃料氢气的经济性分析
原料气的组分如图1-3,压力为2.2MPa,温度25℃,是目前化工行业中常见的原料气条件,价格约0.9元/Nm3,年满负荷运行时间8400小时,产品气要求满足GB/T 37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料 氢气》,产品气量为1000Nm3/h(约2143kg/天)。
图1-3 原料气组分情况
以下两种方案的对比,体现了模块化除杂技术的优越性。
方案1:仅采用传统PSA工艺,为稳定满足产品氢气中CO<0.2ppm的要求,产品氢气的纯度需达到99.999%-99.9999%,总体收率约81%,需要原料气量为1501Nm3/h,对应原料气成本1134.61万元,计入年设备折旧、运维和公用工程消耗后,每公斤燃料氢气成本15.34元。
方案2:采用“模块化定向除杂(MDP)”技术的MDP燃料氢气除杂装置的变压提氢模块和变温除杂模块组合,产品气满足GB/T 37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料 氢气》要求,收率提高到85%,需要原料气量为1430Nm3/h,对应的原料气成本为1081.22万元,计入年设备折旧、运维和公用工程消耗后,每公斤燃料氢气成本仅14.90元。
对比可知,采用了“模块化定向除杂(MDP)”技术的MDP燃料氢气除杂装置的变压提氢模块和变温除杂模块组合的方案二,不但为用户降低了生产成本,从而降低了产品燃料氢气的成本,还通过专有技术,解决了由于原料气组分波动和吸附剂长期运行性能下降所导致的燃料氢气品质不稳定的潜在问题,可为燃料电池汽车的商业化运行提供经济、稳定、可靠的燃料氢气。
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