[发明专利]一种碘硫循环中碘化氢制备氢气的工艺与装置

说明书

本发明属于热化学循环制备氢气相关技术领域，提供了一种碘硫循环中碘化氢制备氢气的工艺与装置，该装置包括HIX汽提段、反应精馏段、反应气水洗段与汽提气洗涤工艺以及装置。本发明的新型管壳式热集成复合塔壳程和管程分别装填1#、2#填料，复合段N个塔节同轴密封连接，将HIX汽提段、反应精馏段以及水洗段耦合在一起，实现了能量梯级利用；本发明将含Osubgt;2/subgt;和SOsubgt;2/subgt;的系统混合气作为复合塔汽提段循环汽提气，抑制了HIX物系夹杂的S、Hsubgt;2/subgt;S以及少量的Hsubgt;2/subgt;SOsubgt;4/subgt;的生成，提高了HIX中SOsubgt;2/subgt;的回收率；本发明将热集成复合塔反应段塔底料液、水洗段以及汽提气洗涤塔酸性水返回本森反应器前混合罐，提高了系统的质量利用率。

技术领域

本发明涉及一种碘硫循环中碘化氢制备氢气的工艺与装置，属于热化学循环制备氢气相关技术领域。

背景技术

当今世界主要能量的供应来自化石燃料，然而化石燃料不可再生且对环境造成了污染，不符合碳中和的要求。有一些解决方案可以减少化石能源对环境的影响，如碳捕获、储存以及热脱碳等。然而，碳捕获虽然可以节省环境成本，但它不能成为能源可持续发展的长期解决方案。而氢能由于能量密度较高，清洁无毒，形成的化合物形式较多且储量大，因此，氢能被认为是未来的替代能源载体。然而传统的制氢方法存在很多缺点：化石燃料干气制氢过程CO₂排放多，制备的氢气里含硫，高纯度的氢气需要脱硫提纯；电解制氢过程效率低，成本较高；生物质分解制氢获得的氢气有限，无法大规模工业应用等。因此，开发大规模制备纯氢、清洁无污染的绿氢技术成为研究的热点。

目前，文献中报道的制氢技术主要有电催化分解水、太阳能光解水、生物质制氢、直接热分解水和热化学循环制氢等，而通过热化学循环制氢被认为是最有可能工业化和大规模应用的工艺。

在众多的热化学循环途径中，经美国GA公司、日本原子能机构、韩国能源研究所以及法国等研究机构研究报道，碘硫(IS)热化学循环是清洁H₂生产的主要候选者。碘硫(IS)热化学循环主要包含3个反应过程：

Bunsen反应:SO₂+I₂+2H₂O＝2HI+H₂SO₄          ⑴

SA硫酸分解:H₂SO₄＝H₂O+SO₂+1/2O₂            ⑵

HIX碘化氢分解:2HI＝I₂+H₂                  ⑶

净反应:2H₂O＝O₂+2H₂                       ⑷

其中，Bunsen为放热反应，反应温度为120℃，硫酸分解反应为吸热反应，反应温度为800～900℃，碘化氢分解为吸热反应，反应温度为300～500℃，整个热化学循环耦合系统净反应产物只有H₂和O₂。碘硫热循环制氢过程将直接热分解水的温度从2500℃降到800～900℃，过程中无CO₂排放，该清洁制氢工艺有望大规模生产。而在Bunsen反应后生成氢碘酸单元，氢碘酸在纯化过程中，由于掺杂少量的H₂SO₄，杂质的存在在一定条件下可以引发下列副反应：

副产物S生成:H₂SO₄+6HI＝S+3I₂+4H₂O          ⑸