[发明专利]一种脱除富氢气体中微量一氧化碳的反应装置及使用方法

说明书

本发明属于能源环境技术领域，具体涉及一种脱除富氢气体中微量一氧化碳的反应装置及使用方法。该反应装置，主体部分为立式装置，集空气预热腔、气体混合分布腔、催化反应腔和内置换热器于一体，利用集成化的设计替代传统多段式串联的结构，降低了反应器的加工难度，并具有体积较小、集成度高、热量利用合理、CO脱除效果好等优点；最终得到的产品气中CO浓度可控制在10‑50ppm以下。

技术领域

本发明属于能源环境技术领域，具体涉及一种脱除富氢气体中微量一氧化碳的反应装置及其使用方法。

背景技术

燃料电池是目前利用氢能且对环境友好的重要技术之一，它将化学能直接转化成电能，具有效率高、污染小的特点，是一种理想的发电形式之一。其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)启动比较快，工作温度也相对温和(80℃～100℃)，同时其发展比较成熟，具有比功率和比能量高等特点，使其在未来的发电领域具有巨大的潜在市场。

然而，PEMFC要实现市场化，首要解决的就是其利用的原料问题。PEMFC最理想的原料是纯氢，但由于纯氢存在不易携带、安全性差等问题，使现场直接制备富氢气体成为研究热点，现场直接制备的富氢气体也成为了最普遍的燃料电池原料气体。

但是，这种富氢气体存在使用局限性，PEMFC对富氢气体中的杂质如一氧化碳特别敏感，即使微量一氧化碳的存在也会对PEMFC电极的Pt催化剂产生致命影响。因此，要求富氢气体中只能含有ppm级的一氧化碳，为满足低一氧化碳浓度的要求，一般会将反应原料(如天然气、甲醇、乙醇等)在经过重整制氢反应后，进一步经过脱除一氧化碳的处理，才能达到PEMFC所需富氢气体的需求。目前较为合理的工艺是在通过重整制氢反应、水气变换反应用后，将富氢气体中的一氧化碳浓度降低到1％左右。在此基础上，再进行一氧化碳的选择性氧化脱除反应，将一氧化碳的浓度进一步降低到10-50ppm以下。所谓的一氧化碳选择性氧化脱除反应，指的是在富氢气体中引入空气或氧气，选择性氧化CO，CO和H₂竞争与氧气反应：

CO+1/2O₂＝CO_{2 ΔH＝-282.986kJ/mol}

H₂+1/2O₂＝H₂O(g) ΔH＝-241.825kJ/mol

由于是在富氢气氛下选择性氧化脱除CO到100×10^-6以下，这就要求应用于一氧化碳的选择性氧化脱除反应的反应装置不仅要能实现较高的转化率，还要具有高选择性，在脱除CO时，避免发生H₂和O₂的反应，降低系统能量密度。由上述两个化学反应式可知，CO选择性氧化脱除反应是强放热反应，尤其当CO浓度较高时，放出大量的热，很容易在催化剂床层上产生飞温、出现热点，导致催化剂烧结失活。因此，针对CO选择氧化过程，通常采用图1所示的多段选择氧化反应器和热交换器交替串联的方式来避免热点的产生，但由于此类系统比较复杂，导致制造成本的大幅度增加。同时，由于图1所示的各段选择氧化反应器各自以独立单元系统形式存在，在反应器内装填有选择氧化催化剂，其最佳反应温度区间为100-350℃，高于此温度范围，催化剂的选择性会急剧下降，氧化脱除反应只会消耗反应原料气中的氢气，而不消耗一氧化碳。另外，每两段反应器之间必须通过热交换器来降低上一反应器流出的反应气体温度，不仅会损失一部分热量，还会大幅增加操作难度和运行费用。通常每一段反应器入口气流受上一段热交换器构型及相互之间接口技术的限制，反应器内物料分布很难均匀，会产生较大的径向温度梯度和浓度梯度，导致反应不易控制，对反应产生一定的影响，降低催化剂的利用率。