[发明专利]一种富氢气体中CO深度脱除方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种深度脱除富氢气体中CO的CO优先氧化的方法及装置，用于为质子交换膜燃料电池提供CO含量在10ppm以下的富氢合成气。

背景技术

燃料电池是一种将燃料的化学能转化为电能的高效能源转换装置。目前，技术发展比较成熟的质子交换膜燃料电池在应用过程中对燃料中CO含量有着严格的要求，一般要求小于10ppm。因此，需将富氢气中的CO进行深度脱除(＜10ppm)才能作为燃料电池的燃料。CO优先氧化是目前除去富氢气体中CO的最有效方法之一，富氢气体中CO优先氧化是燃料电池原料气制备的关键技术之一。

采用优先氧化技术，将重整气中的CO脱除至10ppm以下，减少空气通入量，提高氢气收率，优先氧化反应器的设计是其中一项关键技术。目前，优先氧化反应器主要有以下几种：多段加氧反应器、膜反应器和微通道反应器。多段进氧反应器的结构相对简单，反应性能较好，但仍需要进一步优化进氧区域的配置、进氧量和传热结构，提高反应催化剂的选择性，改善多段进氧反应器的性能。膜反应器有着它独特的优点，即获得高纯度的目标产物，但反应气通过膜的动力来源是气体在膜两侧的压力差，需要原料气有较高的压力。微通道反应器可以强化反应器的传热、传质性能，相对于传统的固定床反应器，应用于CO优先氧化反应具有一定优势。

CO优先氧化的工作原理是在重整气中通入O₂，O₂相对于氢气优先氧化CO，这样既脱除了CO，同时避免了氢气的消耗。CO优先氧化过程通过优化的反应器设计和高选择性的催化剂可将CO的浓度降至10ppm以下，在氧化CO的同时，尽可能减少H2的氧化，保证整个燃料电池系统的效率。其主要的反应过程是：

ΔH₍₂₉₈₎＝-283kJ/mol  (1)

可能产生的副反应是：

ΔH₍₂₉₈₎＝-242kJ/mol  (2)

ΔH₍₂₉₈₎＝-41.1kJ/mol  (3)

发明内容

本发明的目的在于克服现有的固定床反应器的缺点，提供一种富氢气体中CO深度脱除方法及装置，本发明具有高效、快速和安全的优点，该装置采用化石燃料重整得到的富氢合成气为原料气，结构紧凑，方便操作，体积小，易于安装。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种富氢气体中CO深度脱除装置，包括固定床反应器、Pt/γ-Al₂O₃催化剂、γ-Al₂O₃颗粒、空气分布器、多点热电偶、水蒸汽夹套和保温层；固定床反应器包括反应器筒体、上部法兰和下部法兰，反应器筒体分别与上部法兰和下部法兰通过螺栓连接，上部法兰安装有原料气进气管；下部法兰安装有产品气引出管；Pt/γ-Al₂O₃催化剂和γ-Al₂O₃颗粒依次分层装填于反应器筒体内；固定床反应器上安装空气分布器，空气分布器开口设置于Pt/γ-Al₂O₃催化剂床层中，用于向反应提供空气；固定床反应器上安装多点热电偶，多点热电偶的测温点位于Pt/γ-Al₂O₃催化剂内，用于监控反应温度；反应器筒体被水蒸汽夹套包围，水蒸汽夹套下部与水蒸汽引入管连接，水蒸汽夹套上部与水蒸汽引出管连接，水蒸汽引入管上设有阀门；水蒸汽夹套及固定床反应器上下法兰用保温层覆盖。

进一步地，所述的Pt/γ-Al₂O₃催化剂为负载于γ-Al₂O₃颗粒上的Pt催化剂，Pt的质量负载量为0.5％～2.0％；γ-Al₂O₃载体的颗粒直径为2～5mm，颗粒中的微孔孔径为5～10nm，微孔比表面积大于270m²/g，Pt/γ-Al₂O₃催化剂的CO空速为20～100h^-1；CO空速是指所能处理的原料气中的CO流量与催化剂的体积的比值；

所述Pt/γ-Al₂O₃催化剂装填量

其中：F为原料气中CO的体积流量(m³/h)，v为催化剂的CO空速(h^-1)。