[发明专利]一种硫碘循环制氢中两相分离浓缩纯化的方法与装置

说明书

本发明公开了一种硫碘循环制氢中两相分离浓缩纯化的方法与装置，属于热化学循环制备氢气相关技术领域。本发明利用压力的逐渐降低实现HI气体的梯级分离，降低后续I₂析出的风险以及溶液浓缩的能耗；将H₂SO₄分解产生的高温气体的热量通过换热器收集，实现工艺和系统的能量梯级利用；本发明将HI汽提后的液体送至H₂SO₄纯化浓缩塔中，在低压高温条件下，H₂O快速汽化，同时H₂SO₄物系中夹杂的HI与H₂O₂反应生成I₂和H₂O，I₂在微孔过滤器中被除去，在未引入其他杂质的情况下达到纯化H₂SO₄溶液的目的；将H₂SO₄的浓缩段与纯化段耦合在一起，大大简化了整个系统。

技术领域

本发明涉及硫碘循环制氢技术，属于热化学循环制备氢气相关技术领域，具体涉及一种硫碘循环制氢中两相分离浓缩纯化的方法与装置。

背景技术

氢能被认为是最理想的二次能源，也被称作人类的未来能源。然而传统的制氢方法和技术由于存在CO₂排放、效率低等缺点而制约了氢能的开发。因此研究清洁、高效、可持续的制氢方法越来越成为人们关注的焦点。在众多分解水制氢方法中，热化学循环制氢被公认为最有前景的制氢方法。1981年，通用原子公司（GA公司）在对比了115个热化学循环制氢方法后提出，硫碘循环有很多独特优势：①反应条件温和，可匹配太阳能、核能等热源；②制氢效率高，可以高达60%；③无需氢氧分离装置，适用于大规模制氢。

所以，诸多国家将硫碘循环列为可匹配可再生能源的首选制氢方法，主要由三步反应组成 ：

SO₂ + 2H₂O +I₂ = H₂SO₄ + 2HI（85℃）；

2H₂SO₄ = 2SO₂ +2H₂O + O₂（850℃）；

2HI = H₂ + I₂ (450℃)；

上述三个反应在高温热驱动下，发生耦合，组成一个闭路循环，净反应为水分解：

2H₂O ＝ 2H₂ + O₂。

硫碘循环的原理虽然非常简单，但要真正实现其闭合循环运行和规模化连续产氢，却有许多科学与技术相关问题需要解决。在本森(Bunsen)反应中，为了使反应后溶液能够自发地出现液液分层现象，需要加入过量的碘（反应量的3-5倍）和水（反应量的5-7倍），最终反应生成硫酸和氢碘酸的混合溶液。上层轻相溶液为硫酸相，主要是硫酸溶液，由于液液分层的局限性，不可避免地会包含有HI和碘杂质。I₂和I^-可以络合形成I^3-，所以下层重相为氢碘酸相（HIx），主要是HI-I₂-H₂O三元混合溶液，也会包含少量的硫酸杂质。鉴于分离后的HIx溶液和H₂SO₄溶液都含有杂质，并且所含的杂质均会对后续流程产生较大的影响，所以需要对两种酸溶液进行纯化处理，即利用Bunsen反应的逆反应将少量的杂质HI/H₂SO₄重新转化为I₂、S、SO₂、H₂S以及H₂O。杂质的存在在一定条件下可以引发下列副反应：