氢气分离膜应用及未来展望突破在即!

作为未来能源体系的重要组成部分,将广泛应用于工业、交通运输、建筑供暖等难以脱碳的行业以及其他新兴行业。据中国氢能联盟预测,2060年我国H2需求量将从目前的3.342×107 t/a增加至 1.3×108 t/a,在终端能源体系中的。大幅增长的氢能需求对制氢的效率、成本、品质等提出了直接要求,从而驱动制氢技术体系的持续提升。H2纯化技术是制氢 ‒ 用氢的关键环节,主要有物理法、化学法、膜分离法。其中,物理法包括吸附法(变压吸附、变温吸附、真空吸附)、低温分离法(低温精馏、低温吸附);化学法包括金属氢化物分离法、催化法;

例如,对H2供应量大于10000 Nm3/h的集中大型煤气化、天然气重整制氢,经过变换、脱硫、脱碳后,H2纯化主要采用变压吸附法。变压吸附法技术成熟,运行成本低、寿命长,但在生产车用燃料电池H2时,因特定杂质去除要求低(如CO≤0.2 ppm ),以满足杂质含量达标为前提将导致H2回收率和产率明显下降,工艺经济性不足 。

低温精馏法也适用于大规模生产,产品 H2纯度一般在 85%~99%,同样存在特定场景下无法满足使用要求的问题。对于H2供应量为 1000~10 000 Nm3/h 的集中副产气制氢,膜分离法所获得H2产品纯度、回收率等与变压吸附法接近,但在装置投资、能耗方面明显低于变压吸附分离、深冷分离等方法。

为进一步提高H2产品的纯度和回收率,还可采用有机膜与变压吸附联合工艺。对H2供应量小于1000 Nm3/h的小型分布式现场制氢、车载供氢等应用场景,变压吸附分离存在占地面积大、适应性不佳等问题;金属膜、混合膜等膜分离方法具有装置简单、能量效率高、环境友好等特点,应用前景良好。

膜是膜分离工艺过程的核心。选择合适的材料和制膜工艺,可获得高性能的氢气分离膜,提高产出H2的纯度和产率;降低膜过程的能量消耗,延长膜使用寿命,降低膜工艺的运行成本。提升氢气分离膜技术将促进氢能在诸多领域的大规模应用。

随着材料领域的研究发展,出现了更多的氢气分离膜类型:致密金属膜、无机多孔膜、金属 ‒ 有机框架(MOF)膜、有机聚合物膜、混合基质膜等。

分离膜作为一种高效的气体分离技术,广泛应用于石化、冶炼、环境保护等领域。2021年世界气体分离膜的市场规模约为35亿元,排名前三位的供应商是空气产品公司(美国)、液化空气集团(法国)、宇部兴产株式会社(日本),合计产量占比约为66%。目前商业化应用的膜材料主要是中空纤维膜、螺旋缠绕膜。中空纤维使用最为广泛,约占世界使用总量的89%;用于空气中N2分离、H2分离、天然气中 CO2分离、N2/H2O 分离等。

氢气分离膜技术是开发应用最早、技术最成熟的气体膜分离技术之一,第一种工业化的气体分离膜是用于 H2/N2分离的聚砜中空纤维膜。20世纪80年代初,中国科学院大连化学物理研究所在国内率先研制中空纤维H2/N2分离膜。

我国适宜发展的制氢工艺类型多样,天然气重整、煤气化是目前获取H2的主要方法。制氢过程中生成中间产物转化气(CO、H2),其中 CO 通过水煤气变换反应进一步与水蒸气反应,因此气体产品中主要成分为H2、CO2,还有少量杂质气体如CO、CH4 。

通过农业废弃物等生物质材料也可制取H2,由于有机物中碳元素的存在,所得H2产品中也含有一定量的CH4、CO、CO2。在合成氨、合成甲醇的生产过程中,为提高反应效率而产生一定量的含氢驰放气。合成氨驰放气、合成甲醇驰放气均具有压力高、H2浓度低的特点,H2含量不高于50%,其余组分主要是难以分离的惰性气体(如N2、Ar)。

水电解制备的H2纯度一般在99.5%~99.8%,H2中含有O2、水蒸气等。

不同制氢方式含有的杂质气体种类不同,而各类应用场景对H2的纯度要求不同。在化工领域,主要以H2的浓度来划分品质等级,如纯氢(≥99.99%)、高纯氢(≥99.999%)、超纯氢(≥99.999 9%)。在交通领域,以燃料电池汽车为例,不仅规定了 H2纯度≥99.97%,同时规定了 CO、总硫等 14 类杂质的限值。

虽然有机高分子膜材料仍是今后一段时期内氢气分离过程的主要膜材质,但选择性问题限制了其在高纯H2制备过程中的应用。新型无机膜材料的不断涌现,为气体纯化应用打开了想象空间。

在我国,气体膜分离研究偏重材料开发,而在组件、装置、过程优化等方向投入不足。在低碳制氢发展趋势下,为了满足不同分离场景需求、促进气体膜分离技术的应用和发展,需要深入开发膜材料品类、特异性功能聚合物膜材料分子设计、膜超薄化技术优化、膜分离法与其他分离方法耦合技术,以材料、组件、装置、工艺仿真的全面突破来实现膜技术体系革新!

气体分离是能源及化工系统中不可或缺的核心技术,是进一步提高转化效率、降低污染物排放的关键所在。近年来,在国家政策推动,外资引入,高新技术发展等因素的影响下,工业气体产业发展迅速,截至 2021 年,全球工业气体市场规模达到9,432亿元,预计到2026年市场规模将达到13,299亿,气体分离产业前景广阔。

双碳政策下温室气体的回收捕集;新能源浪潮下氢能源的分离提纯;俄乌冲突下低品位、贫氦天然气的提氦生产;化工过程中特种分离提纯、尾气治理及以电子特种气体为代表的,新兴用气需求的不断爆发正在驱动气体分离要求快速增长。新型气体吸收、吸附、膜分离材料;国产化替代、大规模示范工程受到学术界及产业界的一致关注,气体分离技术正不断向低能耗、高效率、低成本、少污染发展,业内企业、科研机构正在积极探索相关技术和产品,为新兴产业的发展注入全新动力。

为针对性的提高能化企业在相关领域的解决方案,分享气体分离新材料、新工艺与新应用,促进行业快速发展。DT新材料特定于2023年5月14-16在宁波举办2023(第二届)中国国际气体分离产业大会,将邀请膜分离材料及组件、吸附材料、吸收材料、气体捕集项目关键技术及CCUS碳捕集示范项目的相关学者和企事业单位代表莅临宁波,分享气体分离技术和产业相关科技成果,加强产学研和上下游合作与交流,推动气体分离领域创新发展。

委员:王志、曹义鸣、王同华、李磊、倪中海、罗双江、马小华、陈永东、刘玲、陈思铭、康国俊、赵云、闫新龙、房昆、姜鸿起、俞徐林、牛皓、朱佳媚、徐玉兵、杨蒙、宫千博、朱巨胜、高飞、刘陶然、李启明、韩红霞、徐坡······

氢气分离膜研究进展 栾永超1,熊亚林2,何广利3,刘聪敏3,李帅4, 5 (1. 国家能源集团神华鄂尔多斯煤制油分公司,内蒙古鄂尔多斯 017209;2. 国华能源投资有限公司,北京 100007;3. 北京低碳清洁能源研究院,北京 102211;4. 国家有色金属新能源材料与制品工程技术研究中心,北京 100088;5. 有研工程技术研究院有限公司,北京 101407)

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注