[发明专利]一种控温式硫化氢连续分解制取氢气的装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于制氢和气体纯化技术领域，涉及到一种利用介质阻挡放电将硫化氢分解为氢气和单质硫的装置和方法。

技术背景

H₂S在石油和天然气开采、石油化工、煤化工等行业的废气中广泛存在，是一种剧毒、恶臭的酸性气体，从环保和腐蚀方面的要求需要将H₂S进行无公害处理。目前主要采用克劳斯(Claus)法将其部分氧化为单质硫和水，但克劳斯(Claus)法只回收了H₂S中的硫，氢则在氧化过程中生成了水，造成氢资源的浪费。

在常见的非金属氢化物（水、甲醇和硫化氢）中，硫化氢的离解能最低，因此从理论上讲，硫化氢热分解制取氢气最容易。但是，硫化氢分解反应是强吸热反应，受热力学平衡的限制，仅在高温下其才有可观的转化率。比如，1000℃时硫化氢的分解率仅为20%，1200℃时的转化率为38%（Slimane R.B.,GasTIPS,2004,30-34）。电化学和光催化方法也可实现H₂S分解制取氢气和硫，但是存在操作步骤多或者反应效率低的缺点。为了打破化学反应平衡限制，研究者采用了膜反应技术和非平衡等离子体技术等，但是耐高温且耐硫的膜材料的开发和应用成为实现利用膜反应分解硫化氢技术突破的关键。利用非平衡等离子技术分解H₂S，可在弧光放电、旋转辉光放电和收缩正常辉光放电、微波放电、脉冲电晕放电和介质阻挡放电等中实现。H₂S弧光放电分解所需的能耗比甲烷蒸汽重整生成氢气的能耗（3.7eV/H₂）高（J Appl Phys,1998,84:1215–1221）。H₂S旋转辉光放电分解所需的能耗也比甲烷蒸汽重整生成氢气的能耗高（Plasma Chem Plasma Process,1993,13:77–91）。

公开文献International journal of hydrogen energy,2012,37:1335-1347.报道了一种H₂S收缩正常辉光放电分解的方法。其技术特征是：当体系压强为0.197个大气压，实验温度在2000-4000K之间时，在最佳的条件下，H₂S收缩正常辉光放电的能耗为2.35eV/H₂S，此体系温度高，压强低，反应条件苛刻。

公开文献International journal o f hydrogen energy,2012,37:10010-10019.报道了一种H₂S分解的方法。其技术特征是：利用微波等离子体技术在2400K，大气压条件下，H₂S几乎可完全分解，但是分解后的氢和硫在高温下会迅速复合而生成H₂S，且目前为止尚无对应淬冷装置。

公开文献Chem Eng Sci,2007,62:2216–2227.报道了一种利用脉冲电晕放电分解H₂S的方法。其技术特征是：H₂S和氩气的混合气体在压强为1.322个大气压，室温下，流速为1.18×10^-4SCMs^-1，H₂S百分含量为16%时，脉冲电晕放电下H₂S的分解率约为28%，最低分解能耗为17eV/H₂S。

公开文献Chem Eng Sci,2009,64:4826–4834.报道了利用脉冲电晕放电分解H₂S的方法。其技术特征是：在压强为1.322个大气压，室温下，流速为1.18×10^-4SCMs^-1，当H₂S百分含量为8%，氩气和氮气的混合气体作为填充气下，H₂S的转化率约为33%，能耗降到了4.9eV/H₂S。但是如此低气速、低浓度和低转化率在工业生产中无意义。

介质阻挡放电具有可在大气压下工作、大空间放电，可以防止放电空间内形成局部火花或弧光放电等特点，因而具有很好的工业化应用前景。

专利文献CN102408095A（2012）报道了一种利用介质阻挡放电H₂S分解的方法。其技术特征是：在不锈钢线和薄铝片分别为高压电极和接地电极的线筒式介质阻挡反应器中加入光催化剂，实现H₂S分解制备氢气和单质硫，分解产生的硫沉积在催化剂床层下游。