[发明专利]分离和净化含氢工业废气方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种环保技术领域的废气处理方法，具体是一种利用电化学原理分离和净化含氢工业废气方法。

背景技术

在能源危机的背景下，一些高耗能工业越来越重视对能源的节约和利用。扩大氢气生产资源、开发新的制氢工艺以及改进现有制氢工艺受到普遍关注。化学工业中的氨厂驰放气、甲醇尾气、乙炔碳黑气、二烯尾气等，均含有一定量的氢气。利用氢气净化装置提纯净化化工厂废气，提纯得到较高纯度的氢气，为工业企业提供各种纯度的氢气制品，服务于半导体、集成电路、冶金、石化、氯碱、甲醛、浮法玻璃、香精香料、农业生产等领域。因此，如何分离、净化、利用这些废气中的氢气已经成为节能降耗的重要途径之一。

现今，工业生产中回收利用氢气的方法主要有深冷法，变压吸附法和膜法三种。每种工业都有它们独特的优点，利用的原理也各不相同，适应用相应的场合。本发明涉及的方法主要是利用燃料电池系统构造电化学氢泵回收高纯高压氢气，，并且可以与工厂的发电设备连接，直接利用回收的氢气通过燃料电池给工厂供电，应用前景广阔。

经对现有技术的文献检索发现，美国专利6,280,865“Fuel cell systemwith hydrogen purification subsystem”介绍了利用质子交换膜燃料电池回收利用燃料电池阳极尾气中过量或未反应的氢气。主要是通过构造一个电化学泵，将阳极尾气中过量的氢气利用外加电源提供的能量透过质子交换膜对这部分气体的回收增压利用，降低了燃料电池的工作成本，提高了能源利用率。其不足之处在于：此专利所涉及的方法局限性很大，只限于纯化回收燃料电池阳极尾气中过量的氢气，不能对成分复杂的气体进行氢气的分离和加压，因为氢气多在高压状态下储存和使用，而且由于规模小，节省的氢气能源相对于外接直流电能的消耗，并没有很大程度的节能意义。考虑到大量的工业含氢废气没有得到合理的利 用，以及系统规模效应，因此电化学回收氢气应用范围越广，经济作用突出。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种分离和净化含氢工业废气方法，使其利用质子交换膜技术分离、净化、利用含氢工业废气发电，达到节能降耗的目的。

本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括以下步骤：

第一步，将工业废气(含氢气体)先通过气体增湿器加湿，然后直接通入到电化学氢泵电池，也就是气体分离电池——气体分离电池是多个燃料电池形成的多级串联结构，用外直流电源提供电能给燃料电池堆中的质子交换膜；

第二步，将混合气体中的氢气从低压的阳极抽到或是分离出来至高压的阴极，依照质子膜技术原理，通过多级串联结构，可以层层递进的提高氢气压力和纯度，从而最终在最后一个电池负极的出气口获得高纯、高压氢气。一般来说，由于质子交换膜对氢离子(H⁺)选择性和唯一性，所净化、回收的氢气纯度大于99.99％以上，而且借助于氢气泵的加压作用，回收的氢气压力可以在原有基础上提高50％以上。

第三步，通过气体分离电池后的气体，主要是那些非氢气成分和电池工作所需要的水蒸气。此时，将它们通入到水气分离罐，除去水分后，将剩余废气排放。

第四步，回收的水分进入到水储罐，同时在水储罐里进行无盐水补水，利用水循环泵将其通入到气体增湿器，形成了一个水循环。

本发明在第二步的过程中产生的高纯、高压氢气，可以直接通入氢气罐里把它们储存起来，作为高纯氢气提供给燃料电池发电系统，以给工厂供电，或者作为化工原料使用。

所述的气体分离电池，这是本发明的核心，通入的混合气体经过气体分离电池的分离，净化，将工业废气中的氢气和其他废气分开，然后将氢气通入到氢气储藏罐里用以给燃料电池发电，而其它废气则排出。

所述的工业废气(含氢气体)其中的氢气含量大于20％，一氧化碳含量小于30ppm，硫化物含量小于2ppm，如杂质含量(一氧化碳和硫化物)大于此值，需要预先除去。

所述的质子交换膜(PEM)是商用的全氟磺酸膜，如美国杜邦公司的Nafion膜，厚度一般为25μm-170μm。

所述的气体分离电池采用与通常的质子交换膜燃料电池(PEMFC)相同的方法制备，正极催化剂为铂或者它的合金，载量0.2mg/cm²-1.0mg/cm²，负极催化剂为铂或者它的合金，载量0.2mg/cm²-0.8mg/cm²。