氢听剧场：刘应书——清洁能源气体净化纯化技术—能源气体资源通向应用的桥梁

教授

Prof/Director

北京科技大学气体分离工程研究所

Institute of Gas Separation Engineering, University of Science and Technology, Beijing

刘应书

Liu Yingshu

清洁能源气体净化纯化技术—能源气体资源通向应用的桥梁

Purification Technologies for Energy Gas, A Bridge between Energy Gas resources and their Application

刘应书：正如主持人魏总方才说的，“得氢源者得天下”，要把氢气从氢源利用到我们的应用场所，氢气里面的杂质影响会成为诸多氢能应用尤其是燃料电池的瓶颈，因此，氢气的纯化与净化是我们将推向应用的重要桥梁。

我将从以下三个方面给大家分享。

第一点，为什么要进行净化。目前，氢气资源大部分都是天气然制氢、煤制氢等化石能源制氢方式。这次会议的诸多报告也反复强调了一个非常重要的概念：氢气是二次能源，二次能源是一次能源转化来的，煤、天然气等等都是一次能源。当然，刚才主持人讲到未来的制氢终极路线应该通过可再生能源制备得来，这是我们努力奋斗的目标，但短时间内，化石能源制氢依旧会是氢气的主要来源。

当前基于化石能源制氢方法所得氢气有许多杂质，这些杂质必须要净化到一定级别，否则对燃料电池寿命、功率以及质子交换膜造成不可逆损失，这是以燃料电池为例一个杂质影响调研，对其他应用也有一些重要的影响，所以必须要对氢气中的杂质进行净化。

    从燃料电池用氢来说，2018年公布了《质子交换膜燃料电池汽车用燃料 氢气》标准，对硫、二氧化碳、一氧化碳、氨、有机物等杂质气体都有严格的要求。此外，国家科技部最近颁发“可再生能源与氢能技术”重点专项 2020 年度项目申报指南建议中要求，空气中的SO2、NO2、VOCs、甲醛、O3等杂质也都要进行净化。我们理解起来就是，要想氢气资源能够横向有效运用，必须把这些杂质拿掉才得以正常开展，尤其是燃料电池。

    第二点，如何对杂质进行净化？主要有这么一些方法原理。第一，吸收：找到某种溶液，让氢气中的杂质溶解到这个溶液，通过对这个溶液进行加温或者降压实现杂质的解吸再生，对溶液反复使用。第二，吸附：可以构造各种吸附剂，不同杂质在不同吸附剂上面吸附，同样通过加温、减压的办法，使吸附的杂质释放出来。第三，膜法：主要包括聚合物膜、钯膜，氢气可快速透过膜材料，实现富集。第四，催化技术，通过化学反应的方式去除和转换混合气体中某一种气体，加催化剂改变化学反应速率并降低活化能。第五对于颗粒物，过滤应该是目前的主要思路。

    首先，对于氢气资源中的关键杂质，硫，尤其是有机硫，是对燃料电池影响最大的。对硫的净化方法，有干法脱硫和湿法脱硫，前者主要是吸附，吸附剂主要是氧化铁系列、活性炭以及一些新型的吸附剂，主要针对硫含量比较低的场合。如果硫含量高，比如说煤制氢过程中产生的副产品，里面硫含量达到几千个PPM，这个时候一般用溶液吸收法，比如说NHD法、低温甲醛法等。

    第二，二氧化碳，不管是传统的煤制氢，还是未来希望实现的煤炭超临界水制氢，反应生成的大量二氧化碳是跑不掉，与氢气共存的二氧化碳，必须进行二氧化碳的分离脱除，主要方法有吸附法和吸收法两种。

    第三，一氧化碳。一氧化碳对催化剂和质子交换膜影响都很较大，脱除方法包括催化变换方法、吸附方法、催化氧化等，不同方法有不同适用面。

第四，氨气。传统煤制氢往往都会有氨气，空气中也有氨。氨的脱除可以采用吸收法，包括水洗、脱盐水洗，还有膜分离法、吸附法等。

以上都是针对主要气体净化通用的方法，但是对于不同氢气源或制氢方法，只有将上述方法结合，才能综合解决多组分杂质气体组分。这里以煤制氢为例，制氢后要脱氨，要脱苯、脱有机物，还要脱硫、脱一氧化碳和二氧化碳等等，将这些工序有的结合在一起，对所有杂质进行脱除。从这个角度说，燃料电池用到的这个氢，很干净的氢，是前面做氢源系统的人千辛万苦得到的，所以要提高燃料电池效率，要珍惜来之不易的原料。

    第三点，我们北京科学大学气体分离工程研究IGSE团队的研究工作及成果。首先针对硫化氢来说，开发了高效的吸附剂，以及高的有机脱硫剂，研究了包括硫容、动力学等技术参数，以及它们的动力学的特性等等，我们做了大量的数据。这些成果应用到863重点项目，“生物燃气净化提纯关键技术”及“京张地区生物燃气技术装备集成应用科技示范工程”，以满足冬奥会的要求。

    二氧化碳。大家知道二氧化碳是常当作温室气体来解决的，解决温室气体理论上不仅是技术问题，更重要的是政治问题。我们先不谈政治问题，对于氢气的运用来说二氧化碳的脱除是一个技术问题和时间问题，在这方面我们做了大量工作，包括吸附法，包括溶液吸收法等。这是实验室的系列装置，这些技术也用到了“生物燃气净化提纯关键技术”及“京张地区生物燃气技术装备集成应用科技示范工程”等项目里。

    一氧化碳是一个比较难以对付的问题，高含量好办，把它烧掉就好，低含量怎么办？我们用催化氧化法，在工业尾气中将一氧化碳在200度高温下催化掉。如果用到燃料电池，由于温度降低了，这个问题就很难办。因此目前开发了低温催化氧化剂，50度以下就可以反应，净化后的一氧化碳浓度可以达到PPM以下。这个技术现在我们在进行工业测试，实验效果不错。另外针对CO的净化我们还开发了吸附材料，吸附材料与催化不一样，它是吸附把它们下来，一氧化碳还能回收应用，这个应用在工业上多一些。

    接着是VOCs有机物的净化，如果是煤制氢系统，或者是化工副产品的氢，有机物含量是很高的。我们开发了一些新型吸附剂，可以对VOCs形成高效吸附，这个项目得到了两个国家自然科学基金的连续支持，现在已经基本具备工业化水平。

    甲烷，尤其是天然气重整。如果是在焦炉尾气中回收氢气，其中甲烷的含量是很高。我们通过吸附剂将甲烷净化，可在工业上大面积的使用。

    针对燃料电池使用过程中空气中的杂质，采用吸附法脱除二氧化硫，我们已实现工业尾气的二氧化硫净化与回收。针对氮氧化物，我们也是通过开发相应的吸附材料，在抗水、抗温条件下，能够把氮氧化物吸附下来，并同时实现氮氧化物的富集，实现资源化，现在我们将在每小时10万方级的烟气进行示范应用。

    接下来是医用空气系统，大家知道医院不仅有氧气，还有很多空气。我国于2002年颁布了满足医用气体工程技术规范GB50751，但是到现在我国还没有很好地实施其质量标准。目前正在制定相关的检验的系列化标准，国家下一步就要严格实施，里面的油、水、一氧化碳、二氧化碳、颗粒物，这些都必须要严格控制。我们按照这个标准搞了医用空气净化系统，远远超出GB50751标准，很快将在深圳一家医院应用。

    此外还有臭氧、气溶胶等，我们也自主分别开发了相应硅基吸附/催化剂与多级孔吸附/过滤介质，实现了二者的高效脱除，目前拟用于飞机机舱臭氧与纳米级颗粒物的脱除。

    对于大型制氢，我们已与洛阳建龙微纳新材料股份有限公司合作，在东鑫垣制、榆林炼化建立了大型的提氢系统，在他们那里实现产业化。

    总结起来说，我们的研究工作路线就是从净化材料，到工艺与装备，再到工程应用，我们团队长期致力于这方面的工作。这几年来，我们获得了一些成果，包括国家科技进步特等奖一项，国家科技进步奖二等奖一项，以及省部级奖20项。

    谢谢大家聆听，我的汇报到此结束。