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硫化氢→高纯度氢+高品质硫 我国科学家研发“变废为宝”的新技术

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来源:济南日报

1月6日,中国科学院大连化学物理研究所李灿院士团队研发的“离场电催化全分解硫化氢制氢和硫磺技术”在北京通过中国石油和化学工业联合会组织的科技成果评价。评价委员会专家一致认为:该成果达到国际领先水平。一致同意通过评价,建议扩大装置规模,加快推广应用。这一技术如何有效分解硫化氢?将为天然气、石化、煤化工等行业带来怎样的变革?

国内外首套10万方/年离场电催化全分解硫化氢制氢和硫磺中试示范装置

当前,天然气、石油、煤炭是全球能源体系的主体。然而,这些主流能源在开采过程中都会排放出硫化氢,给全球环境带来挑战。作为一种剧毒化合物,硫化氢容易被氧化为二氧化硫并形成酸雨,危害生态环境和人体健康。中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员李灿向中国之声表示,硫化氢中的两个元素都是重要的资源。

李灿:硫化氢由硫和氢组成。现在的技术能把硫磺回收下来,但把氢烧成水了,很可惜的。因为硫化氢的两个重要资源一个是氢,一个是硫。现在国家重视氢能的发展,用高昂的代价去采氢。理论上硫化氢里的氢能拿出来,但现在浪费了。第二个,传统的技术它也不是一次能处理干净(硫化氢),有可能处理不当就排出去了,污染大气,污染环境。

据不完全统计,我国每年处理的硫化氢量约80亿立方米,全球范围内年处理量超过700亿立方米,潜在待处理量超过4万亿立方米。因此,实现硫化氢的完全消除与资源化利用,一直是天然气开采、炼油化工行业、煤化工等工业过程中长期面临的难题。

为解决这一难题,李灿院士团队自2003年起便致力于探索利用光、电等非常规手段分解硫化氢。经过十余年实验室研发,团队成功解决了规模化分解硫化氢工程放大问题,研发出具有我国自主知识产权的“离场电催化全分解硫化氢制氢和硫磺技术”。

李灿:关键是利用电催化的技术,传统的催化是热催化。电催化这个反应发生在溶液里面,硫化氢首先它就溶解到溶液里面以后,形成一个离子最直接的反应,这个时候就不再是气体的形式反应了,所以就不大可能再泄露出去。第二个,就是把它分成两个反应:一半的反应是硫磺产出来,另一半的反应放氢,分别在离场的两个方面产硫磺、产氢,这两个都是变废为宝。

虽然如今说起来似乎很轻松,但李灿院士坦言,这条路他们已经走了20多年。找到正确方向之初,也有“无心插柳柳成荫”的惊喜。

李灿:一开始我们的主攻方向是水分解制氢。但是水分解特别难,热力学上很难,原理上很难,那么我们就拿硫化氢作为一个类比的分子,拿这个研究的时候就发现硫化氢是可以把它完全分解,原理上是打通了这个路子。硫化氢是一个剧毒的东西,不让大量地进来(实验室)。所以我们就用小瓶的,先在小小的装置上试着,原理上觉得也是可以的,然后几百毫升,最后在实验室做到5升的规模也是可以的。之后就慢慢做工程化的问题。

然而,在工程化的试验中,团队发现了实验室没有遇到过的新问题。

李灿:硫磺产生以后就附着在催化剂表面上,不脱落下来,这个反应就没办法继续进行。这个问题就是很头疼,怎么想办法?工程上也难以避免硫磺沉积在表面上,你要发生反应,要生成硫磺,它肯定要沉积在表面上,这是一对矛盾。我们后来就发展成这个离场,就让发生成硫磺的反应不要发生在电极表面,在另外一个场景发生,巧妙地把这个问题给解决了。

目前,该项技术已申请26项专利,其中12项已获授权,并形成了完整的专利包。随后,李灿院士团队与企业合作,在煤化工领域开展了硫化氢消除与资源化利用的工业示范项目。依托该技术建成国内外首套10万方/年离场电催化全分解硫化氢制氢和硫磺中试示范装置。李灿介绍,运行数据显示,装置连续运行超过1000小时,实现了硫化氢的完全转化,产品硫磺纯度>99.95%、氢气纯度>99.999%。

李灿:单次硫化氢进去,尾气里面测的话,硫的这个污染物排放检测不到,从色谱质谱的检测线来讲,检测不到,至少是1ppm以下,这是一个非常漂亮的结果。第二个漂亮的结果就是拿到的这个硫磺品相很好。硫磺它的市场要求很高,要金黄色的颜色。那么,最重要的是产出的氢,我们有多少硫化氢就能产出多少氢气出来,得到的氢的浓度非常高,是99.999%。什么意思呢?这个氢就可以直接用到那种高纯的用氢的行业里面去。比如说燃料电池对氢纯度要求很高,包括将来的航天发射里面用的燃料也是要高纯的氢等等,都能满足这个要求。

评价委员会专家一致认为:离场电催化分解硫化氢可在温和、安全的条件下运行,在煤化工、石油化工、油气开采等行业具有很好的应用前景。与此同时,这项技术也对我国氢能产业及低碳能源体系建设具有积极推动作用,兼具环境与经济效益。

李灿:第一,它们对环境生态这方面是绝对是革命性的;第二,资源化变废为宝,这样的话企业的效益就大幅提升;第三,推动我们国家大规模地开采尤其是石油化工,煤化工,特别是天然气化工。

据国际氢能协会预测,到2030年,我国绿氢规划产能约180万吨。若采用风光电驱动该技术,处理我国每年约80亿立方米的硫化氢,可在消除污染的同时回收约73万吨清洁低碳氢,相当于绿氢规划产能的40%,对推动相关行业实现“双碳”目标具有重要意义。(来源:中国之声)

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