本發明涉及氣體檢測,尤其涉及一種氫源識別方法和氫源識別儀器。
背景技術:
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2、氫氣的來源主要有煤氣化制氫、天然氣制氫、甲醇制氫、工業副產氫、電解水制氫等。在氫能產業,也將氫氣賦予不同“顏色”以區分氫能的來源,具體分為:棕氫、灰氫、藍氫、綠松石氫、綠氫、粉氫、黃氫、白氫。棕氫指通過煤炭等化石燃料氣化產生的氫氣;灰氫是由天然氣、甲烷等經過蒸汽重整產生的氫氣;藍氫與灰氫和棕氫生產方式類似,不同的是會在產生二氧化碳后及時使用碳捕捉、利用與儲存(ccus)等技術將碳排放進行捕獲和儲存,且藍氫中含有部分工業副產氫;綠松石氫是將天然氣熱解產生的氫;綠氫通常是利用可再生能源發電電解水,生成氫氣和氧氣;粉氫與綠氫相似,通過電解水制氫,但粉氫不像綠氫那樣使用太陽能、風能、水能等可再生能源為動力,而是使用核電熱為能源對水進行高溫催化分解;黃氫是由可再生能源和化石燃料混合產生的電電解水制氫;白氫是在地下礦床中發現的天然氫。
3、氫氣的應用形式也多種多樣,有單一用途及在各領域的用途。期刊《天然氣化工》2020年第45卷第3期中,李佩佩等所發表的《淺談氫氣提純方法的選取》里列表顯示了不同應用場合對氫氣的純度和雜質含量的要求(見表1)。從中可以看出,各應用場合對氫氣純度和雜質含量要求存在明顯差異,例如:在合成氨、甲醇的生產中,為防止催化劑中毒,保證產品質量,氫氣中不能含硫化物等毒物;質子交換膜燃料電池的主要燃料為氫氣,對氫氣中部分雜質(例如:co、硫化物)的要求較苛刻,而對氫氣純度的要求明顯低于99.999%。
4、成品氫氣的雜質種類和含量很大程度上取決于氫氣的來源(原材料),表1中也推薦了各種應用場合所需氫氣的主要來源。因此,從氫氣用戶的角度考慮,要選擇適合自己應用場景的氫氣時,要著重考慮氫氣的來源,并且能夠實際檢測出氫氣的來源(簡稱氫源),對保彰產品品質至關重要。
5、綜上所述,不同應用場景對氫氣純度和雜質的要求不同,用戶需要專業的氫源識別方法和設備進行識別。而多樣化的制氫手段增加了氫源鑒別的復雜程度,目前仍未出現氫能溯源的檢測方法和裝置。
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7、表1
技術實現思路
1、針對上述現有技術的缺點或不足,本發明要解決的技術問題是提供一種氫源識別方法和氫源識別儀器,通過檢測氫氣中痕量成分的濃度,判斷氫氣來源,為氫氣使用者提供依據和支持。
2、為解決上述技術問題,本發明具有如下構成:
3、本發明的氫源識別方法,按如下步驟進行:s1:將封閉的樣品室抽至真空;s2:將待測氫氣抽入樣品室中;s3:利用激光吸收光譜法,測量待測氫氣中co2與ch4的濃度;s4:如果樣品中co2和ch4濃度分別小于co2一級濃度閾值和ch4一級濃度閾值,則樣品氫氣的來源為電解水制氫;如果ch4濃度大于ch4一級濃度閾值,且co2濃度小于co2一級濃度閾值,則樣品氫氣的來源為天然氣熱解制氫;如果co2濃度大于co2一級濃度閾值且小于co2二級濃度閾值,則樣品氫氣的來源為藍氫;如果co2濃度大于co2二級濃度閾值,則樣品氫氣的來源為灰氫或棕氫;s5:排空樣品室內的氣體。
4、上述co2一級濃度閾值、ch4一級濃度閾值均設為0.00001%,co2二級濃度閾值設為0.0001%。
5、如果步驟s4判定樣品氫氣為藍氫時,在s4和s5之間增加s4.1和s4.2:s4.1:如果判定樣品氫氣為藍氫,則檢測樣品中hcl、c3h8、co、nh3濃度;s4.2:如果藍氫樣品中hcl濃度大于設定濃度,則藍氫中含有氯堿廠回收副產氫;如果藍氫樣品中c3h8濃度大于設定濃度,則藍氫中含有丙烷脫氫副產氫;如果藍氫樣品中co濃度大于設定濃度,則藍氫中含有煤爐焦化副產氫;如果藍氫樣品中nh3濃度大于設定濃度,則藍氫中含有合成氨生產尾氣;hcl、c3h8、co、nh3設定濃度值為0.0001%。
6、本發明的氫源識別儀器,?包括樣品存儲單元、特征組分測試單元、數據采集處理單元、人機交互單元;樣品存儲單元包括樣品室,樣品室能在真空狀態下通入樣品氫氣后封閉,樣品室上設置多個光學窗口以進行特征組分光學測量;特征組分測試單元包括多個激光器和相等數量的光探測器,至少包括檢測co2、ch4濃度的激光器和光探測器,每個激光器根據所檢測的組分發射不同波長的激光束;數據采集處理單元采集光探測器接收的光學吸收光譜信號,經分析得到特征組分濃度,并根據數據采集處理單元所設置的判定規則和預先在人機交互界面上設定的co2一級濃度閾值、ch4一級濃度閾值、co2二級濃度閾值判定氫氣來源,數據采集處理單元將檢測結果傳至人機交互界面,所述判定規則為:如果氫氣樣品中co2和ch4濃度分別小于co2一級濃度閾值和ch4一級濃度閾值,則樣品氫氣的來源為電解水制氫;如果ch4濃度大于ch4一級濃度閾值,且co2濃度小于co2一級濃度閾值,則樣品氫氣的來源為天然氣熱解制氫;如果co2濃度大于co2一級濃度閾值且小于co2二級濃度閾值,則樣品氫氣的來源為藍氫;如果co2濃度大于co2二級濃度閾值,則樣品氫氣的來源為灰氫或棕氫。
7、特征組分測試單元中測各組分的激光器所發射的激光束光程為0.1-3m,波段范圍為:co2:2000-2015nm、ch4:1640-1655nm。co2一級濃度閾值、ch4一級濃度閾值均設為0.00001%,co2二級濃度閾值設為0.0001%。
8、特征組分測試單元中增加四個激光器和四個光探測器,對應檢測樣品中hcl、c3h8、co、nh3組分濃度,每個激光器根據所檢測的組分發射不同波長的激光束,數據采集處理單元檢測出各組分濃度,與預先在人機交互界面控制面板上設定的濃度值對比,如果待測氫氣中的hcl濃度超過hcl設定濃度值,則藍氫中含有氯堿廠回收副產氫;若c3h8濃度超過c3h8設定濃度值,則藍氫中含有丙烷脫氫副產氫;若co濃度超過co設定濃度值,則藍氫中含有煤爐焦化副產氫;若nh3濃度超過nh3設定濃度值,則藍氫中含有合成氨生產尾氣。特征組分測試單元中測各組分的激光器所發射的激光束光程為0.1-3m。波段范圍為:hcl?3370-3385nm、c3h83365-3380?nm、co?2220-2235?nm、nh3?9055-9070?nm。
9、樣品室上設置能打開和關閉的進氣口、出氣口,以及連接于樣品室外的真空泵,進氣口外連接存放待測氫氣的儲氣罐,分別在進氣口和出氣口的管路上安裝進氣閥門、出氣閥門。
10、數據采集處理單元包括數據采集系統、數據處理系統、數據傳輸系統,數據采集系統采集光探測器接收的光學吸收光譜信號,經數據處理系統分析得到特征組分濃度,并根據數據處理系統所設置的判定規則進行判定。
11、與現有技術相比,本發明的優點在于:
12、發明人對不同“顏色”氫氣的工藝過程和成分濃度進行分析,發現以樣品氫氣中co2與ch4濃度作為檢測指標,與所總結的co2與ch4一級和二級閾值對比,便能快速判定氫氣是電解水制氫、天然氣熱解制氫、藍氫、灰氫或棕氫中的某一種,以此作為本發明的氫氣識別方法和儀器的基本策略,是具有創造性的氫源識別策略。
13、本發明采用激光吸收光譜法測量氫氣組分濃度,檢測最小氣體濃度可達ppm濃度(百萬分比濃度),時間分辨率可達兆赫茲量級,檢測精度高,可實現痕量級高時頻的氣體濃度檢測。
14、利用激光吸收光譜測量技術的氫源識別儀器采用非接觸式測量手段,通過采集透射樣品氣體的激光信號便可實現對于待測氫氣的組分濃度檢測。而傳統的電化學氣體組分濃度檢測則需待測氣體在電極端產生化學反應從而獲取電信號,是一種侵入式測量。所以,本發明的檢測方案可實現零消耗、零污染的組分濃度檢測。
15、本發明根據反復試驗選取的氣體組分測量波段為各吸收組分強吸收波段,特征組分吸光度均在0.1~2.3之間,且均為待測特征組分典型吸收峰,無重疊干擾、信噪比大、靈敏度高,所測量的組分濃度更準確。
16、本發明的氫氣識別方法,僅需檢測少數成分濃度,步驟少,方法簡單;檢測儀器也同樣具有結構簡單、成本低的特點。