CN113908776B - 一种高浓度氢气高效转化为水的方法及装置 - Google Patents

一种高浓度氢气高效转化为水的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种氢气转化为水的方法及装置，尤其涉及一种高浓度氢气高效转化为水的方法及装置。克服现有单独利用氧化物催化剂存在的温度高或者氧化物催化剂利用率低，单独利用贵金属催化剂存在的反应过程难以控制以及利用氧化物‑贵金属混合物催化剂存在的只能在无氧气氛下处理少量低浓度的氢气等问题。首先，利用霍加拉特剂，将大部分的氢气转化为水，并放出氧气；其次，利用贵金属催化剂，进行催化氧化反应，使未反应的氢气转化为水；可在无外加氧气，预热温度较低的条件下，将大量高浓度氢气高效转化为水，转化过程安全、可控。

Description

一种高浓度氢气高效转化为水的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种氢气转化为水的方法及装置，尤其涉及一种在无外加氧气条件下，高浓度氢气高效转化为水的方法及装置。
背景技术
为满足氢气中氢同位素比值测试和环境保护的要求，需要将氢气转化为水，为保证测试的准确性和减少对环境的污染，需要使氢气转化为水的效率尽可能高。目前常用的将氢气转化为水的方法主要包括燃烧法和催化氧化法。其中，燃烧法一般用于纯氢的处理，是将高浓度的氢气在空气或氧气中直接点燃，使氢气发生燃烧得到水。这种方法具有设备简单，成本较低的特点。但过程不易控制，尤其是在氢气纯度不够时，极易发生危险。出于安全的考虑，目前已很少采用这一方法。催化氧化法是在催化剂存在的条件下，使氢气与氧化剂发生反应生成水，是目前较为常用的一类将氢气高效转化为水的方法。常用的催化(氧化)剂主要有三类，分别是氧化物催化剂、贵金属催化剂和氧化物-贵金属混合物催化剂。
氧化物催化剂催化氧化氢气的优点在于材料简单易得，反应放热量相对较低，可同时用于无氧气氛和空气气氛，但实现高转化率需要的温度较高。文献[龙兴贵,杨本福,曹小华,罗顺忠,彭述明,程贵钧.氚废气的回收技术.核化学与放射化学.2003]报道了霍加拉特剂的氢气催化氧化效率，温度在400℃对氢气的氧化效率可达到接近100％。
贵金属催化剂反应温度低，转化率高，但只能用于含氧气氛，气氛中不含氧气时则需外加氧气，同时反应放热量很大，在处理浓度较高的氢气时，控制难度较大，极易因反应放热，导致氢气发生自发燃烧，使转化过程难以控制。
氧化物-贵金属混合物催化剂是通过在载体上同时负载金属氧化物和贵金属制得的催化剂。这类催化剂充分利用了氧化物催化剂和贵金属催化剂的优点，使贵金属催化剂具有更好的稳定性，且在一定程度上具备了在无氧气氛下将氢气转化为水的能力。但由于氧化物的负载量较少，只能在无氧气氛下处理少量低浓度的氢气。
发明内容
本发明的目的是提供一种高浓度氢气高效转化为水的方法和装置，可在无外加氧气，预热温度较低的条件下，将大量高浓度氢气高效转化为水，转化过程安全、可控。以克服现有单独利用氧化物催化剂存在的温度高或者氧化物催化剂利用率低，单独利用贵金属催化剂存在的反应过程难以控制以及利用氧化物-贵金属混合物催化剂存在的只能在无氧气氛下处理少量低浓度的氢气等问题。
本发明的技术方案是：
一种高浓度氢气高效转化为水的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、利用霍加拉特剂，将大部分的氢气转化为水，并放出氧气；
控制含氢气的气体以一定流量通过预热的霍加拉特剂，通过与霍加拉特剂反应使大部分的氢气转化为水，并放出氧气；
步骤2、利用贵金属催化剂，进行催化氧化反应，使步骤1未反应的氢气转化为水；
将步骤1反应后的气体通过贵金属催化剂，使步骤1未反应的氢气在贵金属催化剂的作用下与步骤1产生的氧气发生催化氧化反应转化为水。
进一步地，步骤1中，上述含氢气的气体中氢气体积含量在30％～100％。
进一步地，步骤1中控制含氢气的气体以0.2～100L/min流量通过预热的霍加拉特剂。
进一步地，步骤1中霍加拉特剂的预热温度为170℃～300℃。
进一步地，步骤1中上述含氢气的气体经预热后与霍加拉特剂反应。
进一步地，步骤1中上述含氢气的气体预热温度为170℃～300℃。
进一步地，步骤1中上述含氢气的气体预热温度与霍加拉特剂的预热温度相同。
进一步地，步骤1中上述的霍加拉特剂是商用的霍加拉特剂。
进一步地，上述的商用霍加拉特剂，外形是粉末、粒状、柱状和球状中的一种或几种的混合物。
进一步地，步骤2中上述的贵金属催化剂，是载体型贵金属催化剂或无载体型贵金属催化剂。
进一步地，上述的载体型贵金属催化剂中载体是硅藻土、分子筛、多孔氧化铝和活性炭中的一种或几种的混合物；上述的无载体型贵金属催化剂，外形是海绵、丝、颗粒、粉末和片状中的一种或几种的混合物。
进一步地，上述的贵金属催化剂中，贵金属是钯、铂或二者的混合物。
进一步地，步骤2中还包括预热贵金属催化剂的步骤，步骤1反应后的气体通过预热后的贵金属催化剂进行催化氧化反应。
进一步地，贵金属催化剂的预热温度为120℃～300℃。
进一步地，贵金属催化剂的预热温度为150℃～220℃。
进一步地，步骤1中控制预热后含氢气的气体以100L/min流量通过预热的霍加拉特剂，上述含氢气的气体中氢气体积含量在30％，霍加拉特剂的预热温度为170℃，含氢气的气体预热温度为170℃；
或，控制含氢气的气体以100L/min流量通过预热的霍加拉特剂，上述含氢气的气体中氢气体积含量在80％，霍加拉特剂的预热温度为170℃，含氢气的气体预热温度为170℃；
或，控制含氢气的气体以100L/min流量通过预热的霍加拉特剂，上述含氢气的气体中氢气体积含量在100％，霍加拉特剂的预热温度为170℃，含氢气的气体预热温度为170℃。
本发明还提供一种高浓度氢气高效转化为水的装置，其特殊之处在于，包括流量控制器、气体预热器、霍加拉特柱、贵金属催化柱和温度控制器；
上述的流量控制器、气体预热器、霍加拉特柱和贵金属催化柱通过管路依次相连；
上述的温度控制器和气体预热器、霍加拉特柱和贵金属催化柱连接，气体预热器、霍加拉特柱和贵金属催化柱分别通过温度控制器单独控温；
上述的霍加拉特柱，内部装填霍加拉特剂；
上述的贵金属催化柱，内部装填贵金属催化剂。
进一步地，上述的霍加拉特柱，容积是1mL～100L；上述的贵金属催化柱的容积在0.1mL～1L。
进一步地，上述的温度控制器，包括加热器件、测温器件和温控仪表；上述的加热器件，是加热带、加热丝、加热棒和加热管中的一种或几种；上述的测温器件，是热电阻、热电偶或其它测温器件。
本发明的有益效果在于：
1、本发明第一步和第二步均在较低的温度下进行，因此相比单纯采用霍加拉特剂可降低反应温度，提高转化率。
2、本发明第一步和第二步预热温度均较低，可节约能源，减少能量消耗，降低对环境的影响，同时不易发生危险。
3、本发明第一步未反应的氢气浓度不超过氧气浓度的2倍时，即可保证氢气充分反应，降低了第一步对氢气转化率的要求，可大幅提高霍加拉特剂的利用率。
4、霍加拉特剂与氢气反应的放热量远小于氢气与氧气在贵金属催化剂下的反应。本发明第一步大部分氢气通过与霍加拉特剂反应转化为水，因此可防止单纯以贵金属为催化剂对氢气进行氧化存在的放热量大，容易造成温度过高，引起氢气自发燃烧、转化过程失控等问题。
5、本发明第一步与霍加拉特剂反应后，氢气浓度明显降低，仅需要少量贵金属催化剂便可实现极高的氢气转化率。
6、本发明不存在高浓度氢气与大量氧气混合的情况，即使出现温度过高的情况，也不易发生危险，可减小装置发生高温故障的风险。
7、本发明第二步所需的氧气由第一步氢气与霍加拉特剂反应原位释放，可避免现场使用高压氧气瓶，降低风险，提高便携性。同时无需引入额外的氧气释放剂，可使装置结构更为简单，操作更为容易。
8、本发明不必引入空气作为氧气来源，可避免空气中的成分，尤其是含氢成分对测试结果的干扰。
9、本发明预热温度低，可采用加热带等较为简单、小巧、便宜的加热设备，避免采用结构较为复杂、体积较大、成本较高的高温加热设备，提高设备的维护性、安全性、便携性，降低成本。
10、本发明高浓度氢气高效转化为水的装置，霍加拉特柱可更换，可根据所需处理气体的浓度及总量，调节霍加拉特剂的加入量，避免浪费。
11、本发明高浓度氢气高效转化为水的装置，可实现对霍加拉特柱、贵金属催化柱温度的单独控制，可根据所需处理气体的浓度调节温度。
12、本发明高浓度氢气高效转化为水的装置，结构简单，操作容易，便于储存，运输和使用。
附图说明
图1是本发明高浓度氢气高效转化为水的方法流程示意图；
图2是本发明高浓度氢气高效转化为水的装置的结构示意图；
图3是实施例1测试的氢气和氧气的浓度变化。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
本发明结合霍加拉特剂和贵金属催化剂的优点，通过两步实现氢气的高效转化：
第一步，将含氢气的气体以一定流量，如0.2～100L/min的流量，通过在170℃～300℃预热后的商用霍加拉特剂，通过与霍加拉特剂反应使大部分的氢气转化为水，并放出氧气；含氢气的气体中氢气的体积含量为30％～100％，在此之前可以将含氢气的气体进行预热，预热温度为170℃～300℃，较优的预热温度为与霍加拉特剂的预热温度相同。商用霍加拉特剂，外形可以是粉末、粒状、柱状和球状中的一种或几种的混合物。
第二步，第一步反应后的气体通过预热的贵金属催化剂，使第一步未反应的氢气在贵金属催化剂的作用下与第一步产生的氧气发生催化氧化反应转化为水，提高氢气的转化率。在该步骤中可以将贵金属催化剂在120℃～300℃进行预热，较优的预热温度为150℃～220℃。贵金属催化剂是载体型贵金属催化剂或无载体型贵金属催化剂。其中载体型贵金属催化剂的载体可以是硅藻土、分子筛、多孔氧化铝和活性炭中的一种或几种的混合物；无载体型贵金属催化剂的外形可以是海绵、丝、颗粒、粉末和片状中的一种或几种的混合物。贵金属催化剂的贵金属可以是钯、铂或二者的混合物。
本发明可以通过相应的装置，实现上述方法，装置由流量控制器、气体预热器、霍加拉特柱、贵金属催化柱和温度控制器构成。其中流量控制器、气体预热器、霍加拉特柱和贵金属催化柱通过管路依次相连，气体预热器、霍加拉特柱和贵金属催化柱分别可通过温度控制器单独控温。霍加拉特柱，容积为1mL～100L，内部装填霍加拉特剂。贵金属催化柱，容积为0.1mL～1L，内部装填贵金属催化剂。温度控制器，由加热器件、测温器件和温控仪表组成。其中，加热器件可以是加热带、加热丝、加热棒和加热管中的一种或几种；测温器件可以是热电阻、热电偶或其它测温器件。
实施例1
将氢气体积含量为80.35％的氢气标准气(平衡气为氮气)在210℃预热后，以1.00L/min的流量通过210℃预热的容积约为200mL的霍加拉特柱(柱内装填约164g柱状商用霍加拉特剂)，之后通过经过200℃预热的容积约为10mL的贵金属催化柱(柱内装填约6.8gPt-Al2O3贵金属催化剂)。在霍加拉特柱后设置氢气传感器和氧量分析仪用于测试与霍加拉特剂反应后气体中氢气和氧气的浓度；在贵金属催化柱后设置氢气传感器用于测试最终的尾气中的氢气浓度。
用苏州正秦电气有限公司的Model5060氢气传感器(测量范围0～4％)和上海洛耕实业有限公司的LOG-A2氧量分析仪分别测试实施例1中的氢气浓度和氧气浓度(见图3)。其中横坐标表示进气时间，纵坐标表示气体浓度，图中H1和H2分别表示霍加拉特柱和贵金属催化柱后测得的气体中的氢气浓度，O表示霍加拉特柱后的测得的气体中的氧气浓度。可见，在进气约4.1min时，在霍加拉特柱后开始检测到有氧气释放；在进气约8.5min时，在霍加拉特柱后开始检测到有氢气出现；而在进气约34.8min时，在贵金属催化柱后才开始检测到有氢气出现。
当氢气转化水用于氢同位素比值测试或环境保护时，要求氢气转化率尽可能高，当尾气中检测到氢气时，即认为催化氧化剂已不能继续使用。可用贵金属催化柱后开始检测到氢气的时间除以霍加拉特柱后开始检测到氢气的时间，近似表示添加贵金属催化柱对霍加拉特剂利用率的影响。实施例1霍加拉特剂的利用率相比不添加贵金属催化柱时提高了约3.1倍。
本发明第一步霍加拉特剂的形状主要影响霍加拉特剂的装填密度和气体的传质速度，在给定范围内对氢气转化为水的影响不大；第二步贵金属催化剂的类型和预热温度，会对氢气的反应速率产生影响。在给定范围内，若氧气充足，氢气均可实现完全转化，对氢气转化为水的影响不大。
霍加拉特柱的容积会影响霍加拉特剂的装填量，进而影响氢气处理量，在给定范围内对总的趋势影响不大；贵金属催化柱的容积会影响贵金属催化剂的装填量，进而影响氢气的反应速率，在给定范围内，若氧气充足，氢气均可实现完全转化，对氢气转化为水的影响不大；加热器件和测温器件用于控制温度，对氢气转化为水的影响不大。
通过上述分析，选取氢气体积含量、霍加拉特剂预热温度、含氢气的气体预热温度、进气流量4个对氢气转化为水影响较大的因素作为以下实施例考察参数。
实施例2～27
实施例2～27所采用的工艺参数如表1所示，其工艺过程与实施例1相同，不同之处在于氢气浓度、霍加拉特剂预热温度、含氢气的气体预热温度、进气流量等4个对氢气转化为水影响较大的因素，除了表中所写参数外，其余参数与实施例1相同。
表1实施例2～27高浓度氢气高效转化为水的工艺参数和霍加拉特剂利用率提高倍数

Claims (12)

1.一种高浓度氢气高效转化为水的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、利用霍加拉特剂，将大部分的氢气转化为水，并放出氧气；
控制含氢气的气体以0.2～100L/min的流量通过预热的霍加拉特剂，通过与霍加拉特剂反应使大部分的氢气转化为水，并放出氧气；霍加拉特剂的预热温度为170℃～300℃；
步骤2、利用贵金属催化剂，进行催化氧化反应，使步骤1未反应的氢气转化为水；
将步骤1反应后的气体通过预热后的贵金属催化剂，使步骤1未反应的氢气在贵金属催化剂的作用下与步骤1产生的氧气发生催化氧化反应转化为水；贵金属催化剂的预热温度为120℃～300℃。
2.根据权利要求1所述的高浓度氢气高效转化为水的方法，其特征在于：步骤1中，所述含氢气的气体中氢气体积含量在30％～100％。
3.根据权利要求2所述的高浓度氢气高效转化为水的方法，其特征在于：步骤1中所述含氢气的气体经预热后与霍加拉特剂反应。
4.根据权利要求3所述的高浓度氢气高效转化为水的方法，其特征在于：步骤1中所述含氢气的气体预热温度为170℃～300℃。
5.根据权利要求4所述的高浓度氢气高效转化为水的方法，其特征在于：步骤1中所述含氢气的气体预热温度与霍加拉特剂的预热温度相同。
6.根据权利要求5所述的高浓度氢气高效转化为水的方法，其特征在于：步骤1中所述的霍加拉特剂是商用的霍加拉特剂。
7.根据权利要求6所述的高浓度氢气高效转化为水的方法，其特征在于：所述的商用霍加拉特剂，外形是粉末、粒状、柱状和球状中的一种或几种的混合物。
8.根据权利要求1-7任一所述的高浓度氢气高效转化为水的方法，其特征在于：步骤2中所述的贵金属催化剂，是载体型贵金属催化剂或无载体型贵金属催化剂。
9.根据权利要求8所述的高浓度氢气高效转化为水的方法，其特征在于：所述的载体型贵金属催化剂中载体是硅藻土、分子筛、多孔氧化铝和活性炭中的一种或几种的混合物；所述的无载体型贵金属催化剂，外形是海绵、丝、颗粒、粉末和片状中的一种或几种的混合物。
10.根据权利要求9所述的高浓度氢气高效转化为水的方法，其特征在于：所述的贵金属催化剂中，贵金属是钯、铂或二者的混合物。
11.根据权利要求10所述的高浓度氢气高效转化为水的方法，其特征在于：贵金属催化剂的预热温度为150℃～220℃。
12.根据权利要求11所述的高浓度氢气高效转化为水的方法，其特征在于：
步骤1中控制预热后的含氢气的气体以100L/min流量通过预热的霍加拉特剂，所述含氢气的气体中氢气体积含量在30％，霍加拉特剂的预热温度为170℃，含氢气的气体预热温度为170℃；
或，控制含氢气的气体以100L/min流量通过预热的霍加拉特剂，所述含氢气的气体中氢气体积含量在80％，霍加拉特剂的预热温度为170℃，含氢气的气体预热温度为170℃；
或，控制含氢气的气体以100L/min流量通过预热的霍加拉特剂，所述含氢气的气体中氢气体积含量在100％，霍加拉特剂的预热温度为170℃，含氢气的气体预热温度为170℃。
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