储氢合金分离低浓度氢气的实验研究

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2025.06.005

摘要/Abstract

摘要：

工业副产尾气中低浓度氢气的高效回收，对能源利用与低碳转型具有重要意义。采用填充ReNi_4.35Co_0.4Mn_0.05Al_0.2合金的流通式反应器，以体积分数25% H₂+体积分数75% N₂的混合气为模拟原料，系统探究了循环介质温度、进气流量及进气压力对氢气分离提纯效果的影响，且以累积流量达500 L时的氢气利用率为核心评价指标。结果表明，在相同的循环介质温度和进气压力下，氢气利用率随进气流量的增大呈递减趋势，且低进气流量至中进气流量区间的降幅更为显著；循环介质温度对氢气利用率的影响呈单峰分布，其中5 ℃工况时效果最优（兼顾热力学与动力学性能）；进气压力升高可提升氢气利用率，且在低进气流量工况下，进气压力对氢气利用率的增益效果更显著。最佳工艺条件：循环介质温度为5 ℃，进气压力为5 MPa，进气流量为5 L/min。在最佳工艺条件下，氢气利用率可达97.1%。研究内容可为金属氢化物法回收低浓度工业副产氢提供理论指导与参数依据。

关键词: 金属氢化物, 氢气纯化, 实验研究, 氢气利用率

Abstract:

Efficient recovery of low-concentration hydrogen from industrial by?product tail gas is of great significance for energy utilization and low-carbon transition. This study employs a flow-through reactor packed with ReNi_4.35Co_0.4Mn_0.05Al_0.2 alloy, using a 25%H₂+75%N₂ gas mixture as the simulated feed, to systematically investigate the effects of the temperature of the circulating medium, inlet flow rate, and pressure on hydrogen separation and purification performance, with hydrogen utilization efficiency at a cumulative flow of 500 L as the core evaluation index. The results indicate that under the same circulating medium temperature and inlet gas pressure, hydrogen utilization efficiency decreases with increasing flow rate, with a more significant drop in the low to medium flow rate range; the influence of temperature shows a unimodal distribution, with 5 ℃ being optimal (balancing thermodynamics and kinetics); and increasing pressure enhances utilization efficiency, with the pressure-induced improvement more pronounced at low flow rates. The optimal process conditions are as follows: circulating medium temperature of 5 ℃, inlet gas pressure of 5 MPa, and inlet gas flow rate of 5 L/min. Under these conditions, the hydrogen utilization efficiency can reach 97.1%. The research content can provide theoretical and parameter basis for the recovery of low?concentration industrial by-product hydrogen via the metal hydride method.

Key words: Metal hydride, Hydrogen purification, Experimental research, Hydrogen utilization efficiency

中图分类号:

TK91

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图/表 8

图1 金属氢化物分离提纯装置示意图

Fig.1 Schematic diagram of the metal hydride separation and purification device

图2 流通式反应器示意图（a）结构图（b）实物图

Fig. 2 Schematic diagram of the flow?through reactor

图3 不同进气流量下c/c0与累积流量的关系（a） 5 ℃+1 MPa （b） 5 ℃+3 MPa （c） 5 ℃+5 MPa

Fig.3 The relationship of the outlet?to?inlet hydrogen concentration ratio with the cumulative flow rate under different inlet gas flow rates

表1 不同进气压力和进气流量下累积流量为500 L时的氢气利用率

Table 1 Hydrogen utilization rate at a cumulative flow rate of 500 L under different inlet gas pressure and inlet gas flow rate conditions

循环介质温度/℃	进气压力/MPa	进气流量/ (L•min^-1)	氢气利用率/%
5	1	5	61.5
5	1	10	56.5
5	1	15	53.9
5	3	5	95.5
5	3	10	84.1
5	3	15	78.3
5	5	5	97.1
5	5	10	89.3
5	5	15	83.3

图4 不同循环介质温度下c/c0与累积流量的关系（a） 5 MPa+5 L/min （b） 5 MPa+10 L/min （c） 5 MPa+15 L/min

Fig.4 The relationship between the outlet?to?inlet hydrogen concentration ratio and the cumulative flow rate under different circulating medium temperature conditions

表2 不同进气流量和循环介质温度下累积流量为500 L时的氢气利用率

Table 2 Hydrogen utilization rate at a cumulative flow rate of 500 L under different inlet gas flow rate and circulating medium temperature conditions

进气压力/MPa	进气流量/ (L•min^-1)	循环介质温度/℃	氢气利用率/%
5	5	-5	83.4
5	5	5	97.1
5	5	20	91.4
5	10	-5	78.5
5	10	5	89.3
5	10	20	83.9
5	15	-5	79.0
5	15	5	83.3
5	15	20	71.1

图5 不同进气压力下c/c0与累积流量的变化关系（a） 5 ℃+5 L/min （b） 5 ℃+10 L/min （c） 5 ℃+15 L/min

Fig.5 The relationship between outlet?to?inlet hydrogen concentration ratio with the cumulative flow rate under different inlet gas pressures

表3 不同进气流量和进气压力下累积流量为500 L时的氢气利用率

Table 3 Hydrogen utilization rate at a cumulative flow rate of 500 L under different inlet gas flow rate and inlet gas pressure conditions

循环介质温度/℃	进气流量/ (L•min^-1)	进气压力/MPa	氢气利用率/%
5	5	1	61.5
5	5	3	95.5
5	5	5	97.1
5	10	1	56.5
5	10	3	84.1
5	10	5	89.3
5	15	1	53.9
5	15	3	78.3
5	15	5	83.3

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