CN104627963A - 水电解氢气纯化方法及实现该方法的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种水电解氢气纯化方法及实现该方法的装置，整个纯化过程为水电解氢气在两个干燥塔内周期性连续进行，每个工作周期分成两个阶段：原料氢气进入第一干燥塔在工作压力下全气量去湿，获得的高纯氢气被分流为两部分，其中产品氢气进入后续用氢单元，而再生氢气进入第二干燥塔，在第二干燥塔内工作压力释放至常压后，对第二干燥塔在上一周期所吸附的水分进行吹带，使第二干燥塔内部的干燥剂再生，吹带之后再生氢气经冷却后放空；另外一阶段与此类似，通过周期性纯化可获得露点低至-80℃的氢气。此外，实现该方法的装置采用四个单向阀和两个计量阀及其他辅助阀门实现了前述方法，简化了流程；使用的阀门相对简单，后期维护和更换简单、方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种氢气纯化方法及实现该方法的装置，属于气体净化技术领域。
背景技术
水电解制氢的一般工艺流程是：采用25～30%氢氧化钾或氢氧化钠水溶液为电解液，电解槽通常在80～90℃条件下工作。水在电解槽中被电解成H2与O2，并与未被电解的碱液一起分别进入气液后处理装置中的氢、氧气液分离器，分离出来的气体再经过气体洗涤、冷却。在碱性水电解行业中，氧气通常不用，排空入大气中，氢气被利用。而通过上述简单处理后的氢气由于含水量较高，造成露点较高，不能满足后续生产要求。
为了除去氢气中含有的水分，通常需要引入纯化装置。纯化装置通常包括用于脱去氢气中含有的微量氧的脱氧塔和用于去除氢气中含有的水分的干燥塔以及相应冷却器。为使纯化装置连续稳定运行，现有技术通常采用有压再生方法，即两个干燥塔工作压力相同，一个干燥塔在系统工作压力下对气体进行干燥，另外一个干燥塔在系统工作压力下进行再生。
如图1所示，水电解氢气纯化工艺系统，包括两个干燥塔（139、140）、两个冷却器（131、137）、脱氧塔130、四通阀133、球阀134、氢气减压器135和流量计136；具体纯化工艺如下：原料氢气经过脱氧塔130去除杂质氧后进入冷却器137进行汽水分离，之后进入干燥塔139中，在系统工作压力条件下8小时吸附去湿，生产出的高纯氢气按体积比被分流成产品氢气（90%）和再生氢气（10%）两部分。产品氢气经过氢气过滤器141过滤，再经调节阀142调节其压力后进入后续用氢单元；而再生氢气进入干燥塔140，在系统工作压力、温控200℃的条件下，进行4小时的加热再生、4小时的吹冷，再生后的氢气进入冷却器131冷却后依次通过四通阀133、球阀134，再通过氢气减压器135调节压力，最后经流量计136观察流量后排放于大气；8小时，系统通过阀门切换一次，变干燥塔 140在系统工作压力条件下8小时吸附去湿，从干燥塔140生产出的高纯氢气中分流出10%（体积比）作为再生氢气进入干燥塔139中，在系统工作压力条件下进行4小时的加热再生、4小时的吹冷，再生后的氢气进入冷却器137冷却后依次通过四通阀133、球阀134，再通过氢气减压器135调节压力，最后经流量计136观察流量后排放于大气。16小时，系统再次切换阀门，回到原干燥塔139去湿状态和干燥塔140再生状态。整体纯化工艺按上述过程循环往复。
然而现有水电解氢气纯化工艺系统存在如下两点问题：
（1）干燥塔再生过程在系统压力条件下进行，由于再生氢气的量比较少，流速较低，很难把干燥剂吸附的水蒸汽带走；
（2）当两个干燥塔切换工作状态后，再生干燥塔开始加热，水蒸汽向上逆流而混入产品氢气，导致产品氢气的露点较高。而且现有的纯化工艺系统也只能把产品氢气的露点降低到-40℃。
为了达到更低的露点，通常需要引入三个干燥塔的流程来对产品氢气进行处理，这样的结果是成本升高，工艺流程复杂，设备维护困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种显著降低氢气露点、降低能耗的水电解氢气纯化方法及实现该方法的装置。
本发明为解决上述技术问题提出的技术方案之一是：
一种水电解氢气纯化方法，纯化过程是：水电解后获得的含有微量杂质氧和饱和水汽的原料氢气，经过脱氧塔除去杂质氧和干燥塔去湿后形成高纯氢气，所述干燥塔有两个，分别为第一干燥塔和第二干燥塔，所述纯化过程在所述第一干燥塔和第二干燥塔内先后进行Ⅰ、Ⅱ两个阶段，所述Ⅰ、Ⅱ两个阶段构成一个工作周期，所述工作周期至少是一个；
Ⅰ阶段：所述原料氢气进入所述第一干燥塔在工作压力下全气量去湿，获得的高纯氢气被分流为第一产品氢气和第一再生氢气两部分，所述第一产品氢气进入后续用氢单元；所述第一再生氢气进入第二干燥塔，释放第二干燥塔工作压力至常压，同时将第二干燥塔内部的干燥剂加热至100～120℃，对第二干燥塔在上一周期所吸附的水分进行吹带，使第二干燥塔内部的干燥剂再生，吹带之后的第一再生氢气经冷却后放空；
Ⅱ阶段：原料氢气进入所述第二干燥塔在工作压力下全气量去湿，获得的高纯氢气被分流为第二产品氢气和第二再生氢气两部分，所述第二产品氢气进入后续用氢单元，所述第二再生氢气进入第一干燥塔，释放第一干燥塔工作压力至常压，同时将第一干燥塔内部的干燥剂加热至100～120℃，对第一干燥塔在上一周期所吸附的水分进行吹带，使第一干燥塔内部的干燥剂再生，吹带之后的第二再生氢气经冷却后放空。
优选地，所述Ⅰ、Ⅱ阶段，将所述干燥剂加热至110℃。
优选地，进行所述Ⅰ阶段时，高纯氢气按体积比被分流成 90%的第一产品氢气和10%的第一再生氢气；进行所述Ⅱ阶段时，高纯氢气按体积比被分流成90%的第二产品氢气和10%的第二再生氢气。
优选地，所述工作周期的时间是16小时，其中Ⅰ、Ⅱ两个阶段各为8小时。
优选地，所述干燥塔为单筒结构，筒内设有电加热管；所述干燥剂为分子筛干燥剂，它们装在筒内与所述电加热管接触。
本发明为解决上述技术问题提出的技术方案之二是：
一种实现权利要求1所述水电解氢气纯化方法的装置，包括脱氧塔、第一冷却器、第二冷却器、第一干燥塔、第二干燥塔和四通阀；所述第一冷却器设有第一连接端和第三连接端，所述第二冷却器设有第二连接端和第八连接端，所述第一干燥塔设有第四连接端和第五连接端，所述第二干燥塔设有第六连接端和第七连接端，所述四通阀设有第一阀口、第二阀口、第三阀口和第四阀口；所述脱氧塔的出口连接至第一阀口，第二阀口连接至第一连接端，第四阀口连接至第二连接端；所述第三连接端与第四连接端相连，所述第五连接端与第六连接端相连，所述第七连接端与第八连接端相连，当第一干燥塔和第二干燥塔内进行所述Ⅰ阶段过程时，分流出第一产品氢气和第一再生氢气；当第一干燥塔和第二干燥塔内进行所述Ⅱ阶段过程时，分流出第二产品氢气和第二再生氢气。
优选地，所述第五连接端和第六连接端之间的连接管路上设有四个单向阀和两个计量阀，所述单向阀分别为第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀和第四单向阀，所述计量阀为第一计量阀和第二计量阀；所述连接管路包括第一管路、第二管路以及并联设于所述第一管路和第二管路之间的第三管路和第四管路；所述第一管路的一端与第五连接端相连，另一端流出第一产品氢气；所述第二管路的一端与第六连接端相连，另一端流出第二产品氢气；所述第一单向阀设于第一管路上，第一单向阀的入口端靠近第五连接端，所述第二单向阀设于第二管路上，第二单向阀的入口端靠近第六连接端，所述第三管路上靠近第五连接端依次设有第一计量阀和第三单向阀，所述第四管路上靠近第六连接端依次设有第二计量阀和第四单向阀。
本发明产生的有益效果为：
（1）本发明的水电解氢气纯化方法，由于在常压条件下再生，加热过程中脱附的水蒸汽无法从再生干燥塔（低压区）逆流到去湿干燥塔（高压区）；此外，实验结果通过计算显示，本发明再生干燥塔内再生氢气的流速是背景技术中再生干燥塔内再生氢气流速的13倍，因而有利于加热过程中水蒸汽的带出，生产出的产品氢气露点大幅度降低，能达到-80℃；
（2）同时，由于在常压条件下进行，降低了再生干燥塔的工作温度，进而降低了电能消耗，也降低了现有技术高温条件下再生对设备材料的高要求，节约了成本；
（3）实施前述水电解氢气纯化方法的装置，仅采用两个干燥塔工作、四个单向阀和两个计量阀及其他辅助阀门即可实现前述水电解氢气纯化方法，简化了流程；使用的阀门相对简单，后期维护和更换简单、方便。
（4）鉴于单向阀的单向阻尼作用以及计量阀的减压分流，实现本发明水电解氢气纯化方法的装置，通过简单的阀门切换实现了一个干燥塔工作压力去湿的同时另一个干燥塔常压再生的纯化方法。
附图说明
图1是背景技术的系统结构示意图。
图2是本发明的系统结构示意图。
上述附图标记如下：
第一单向阀1，第二单向阀2，第三单向阀3，第四单向阀4，第一计量阀5，第二计量阀6，调节阀7，四通阀8，第一排污阀9，第二排污阀10,排气阀11，旁通阀12，脱氧塔13，第一干燥塔14，第二干燥塔15，第一冷却器16，第二冷却器17，氢气过滤器18，流量计19，第一连接端20，第二连接端21，第三连接端22，第四连接端23，第五连接端24，第六连接端25，第七连接端26，第八连接端27，第一管路28，第二管路29，第三管路30，第四管路31，原料氢气流向A，产品氢气流向B，再生氢气流向C，冷却水入口流向D，冷却水出口流向E。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施例做详细说明，但不作为对本案可实施范围的限定。
实施例
如图2所示，实现本发明水电解氢气纯化方法的装置，包括脱氧塔13、第一冷却器16、第二冷却器17、第一干燥塔14、第二干燥塔15、四通阀8、氢气过滤器18以及调节阀7、第一排污阀9、第二排污阀10、排气阀11和旁通阀12等辅助阀门。第一冷却器16设有第一连接端20和第三连接端22，第二冷却器17设有第二连接端21和第八连接端27，第一干燥塔14设有第四连接端23和第五连接端24，第二干燥塔15设有第六连接端25和第七连接端26，所述四通阀8设有第一阀口、第二阀口、第三阀口和第四阀口。
第五连接端24和第六连接端25之间的连接管路包括第一管路28、第二管路29以及并联设于第一管路28和第二管路29之间的第三管路30和第四管路31；第一管路28的一端与第五连接端24相连，另一端与氢气过滤器18相连；第二管路29的一端与第六连接端25相连，另一端与氢气过滤器18相连。
第五连接端24和第六连接端25之间的连接管路上设有四个单向阀(分别为第一单向阀1、第二单向阀2、第三单向阀3和第四单向阀4)和两个计量阀(第一计量阀5和第二计量阀6)，第一单向阀1设于第一管路28上，第一单向阀1的入口端靠近第五连接端24，第二单向阀2设于第二管路29上，第二单向阀2的入口端靠近第六连接端25，第三管路30上靠近第五连接端24依次设有第一计量阀5和第三单向阀3，第四管路31上靠近第六连接端24依次设有第二计量阀6和第四单向阀4。
脱氧塔13的出口连接至第一阀口，第二阀口连接至第一连接端20，第三阀口与排气阀11相连，第四阀口连接至第二连接端21；第三连接端22与第四连接端23相连，第五连接端24与第六连接端25相连，第七连接端26与第八连接端27相连，当第一干燥塔14和第二干燥塔15内进行Ⅰ阶段过程时，分流出第一产品氢气和第一再生氢气，通过第一计量阀5的调节控制，第一单向阀1导通并流出第一产品氢气，第三单向阀3导通并流出第一再生氢气至第二干燥塔15；当第一干燥塔14和第二干燥塔15内进行Ⅱ阶段过程时，分流出第二产品氢气和第二再生氢气，通过第二计量阀6的调节控制，第二单向阀2导通并流出第二产品氢气，第四单向阀4导通并流出第二再生氢气至第一干燥塔14。
实现水电解氢气纯化方法的装置，使用两个干燥塔、两个冷却器，采用四个单向阀和两个计量阀及其他辅助阀门实现了所述水电解氢气纯化方法，简化了流程；使用的阀门相对简单，后期维护和更换简单、方便。每个干燥塔为单筒结构，筒内设有电加热管，并装有与所述电加热管接触、型号为13X的分子筛干燥剂。
原料氢气由A进入本发明的纯化装置，首先经脱氧器13去除微量的杂质氧，继而进行周期性纯化处理，最终的产品氢气由B送入用氢单元，再生过程完成后，废弃的再生氢气由C排放于大气。冷却水由D进入冷却器通过E排出纯化装置。本发明技术方案周期性操作，通常以16小时为一周期，每个周期中以8小时为一时段进行一次阀门切换，其具体实施过程为：
Ⅰ阶段（第一干燥塔14去湿、第二干燥塔15再生）：
去除杂质氧的原料氢气经四通阀8进入第一冷却器16，冷却后气体中凝结出水分经由第二排污阀10排出，而氢气则通过第一冷却器16进入第一干燥塔14，在系统工作压力下通过第一干燥塔14中装填的分子筛吸附氢气中含有的水分，8小时去湿生产出高纯氢气。将所述高纯氢气分流出90%（体积比）作为第一产品氢气依次通过第一单向阀1、氢气过滤器18，再经调节阀7调节其压力后进入后续用氢单元。
第二干燥塔15再生工作前准备：关闭排气阀11、打开旁通阀12使得第二干燥塔15内工作压力迅速释放至常压状态，同时开启电加热管加热、温控维持在110℃。
上述准备工作完成后，开始第二干燥塔15的再生过程（该再生过程与第一干燥塔14去湿过程同时进行）。第一干燥塔14去湿过程中产生的高纯氢气，经第一计量阀5分流出10%（体积比）作为第一再生氢气，经由第三单向阀3进入第二干燥塔15内进行4小时常压加热再生、4小时吹冷；分子筛中的水分得以释放，同时被进入第二干燥塔15的第一再生氢气带走，一并进入第二冷却器17中冷却分离。再生过程完成后，第一再生氢气经四通阀8、排气阀11至流量计19观察流量后排放于大气；而冷凝水经由第一排污阀9排出。
前述第一干燥塔14去湿和第二干燥塔15再生过程中，排气阀11均呈开状态（以便观察第一再生氢气的流量），旁通阀12均呈关状态。
第二干燥塔15再生过程中，第二单向阀2、第四单向阀4均处于止回状态，所以第二干燥塔15中的气体无法通过第二单向阀2、第四单向阀4逆流回第一干燥塔14（高压区）。第一干燥塔14在工作压力下进行吸附去湿时，第一计量阀5、第三单向阀3组合形成第一再生氢气的回路，第二干燥塔15同时进行常压再生。
Ⅱ阶段（第二干燥塔15去湿、第一干燥塔14再生）前准备：
第二干燥塔15再生过程完成后，同时关闭排气阀11和旁通阀12，对第二干燥塔15进行预压，当第一干燥塔14和第二干燥塔15内的压力达到平衡后切换四通阀8，变为第一干燥塔14再生状态和第二干燥塔15去湿状态。
Ⅱ阶段（第二干燥塔15去湿、第一干燥塔14再生）：
去除杂质氧的原料氢气通过四通阀8进入第二冷却器17，冷却后气体中凝结出水分通过第一排污阀9排出，而氢气通过第二冷却器17进入第二干燥塔15，在系统工作压力下通过第二干燥塔15中装填的分子筛吸附氢气中含有的水分，8小时去湿生产出高纯氢气，将所述高纯氢气分流出90%（体积比）作为第二产品氢气依次通过第二单向阀2、氢气过滤器18，再经调节阀7调节压力后进入后续用氢单元。
第一干燥塔14再生工作前准备：关闭排气阀11、打开旁通阀12使得第一干燥塔14内工作压力迅速释放至常压状态，同时开启电加热管加热、温控维持在110℃。
上述准备工作完成后，开始第一干燥塔14的再生过程（该再生过程与第二干燥塔15去湿过程同时进行）。第二干燥塔15去湿过程中产生的高纯氢气，经第二计量阀6分流出10%（体积比）作为第二再生氢气，经由第四单向阀4进入第一干燥塔14内进行4小时常压加热再生、4小时吹冷；分子筛中的水分得以释放，同时被进入第一干燥塔14的第二再生氢气带走，一并进入第一冷却器16中冷却分离。完成再生过程后，第二再生氢气经四通阀8、排气阀11至流量计19观察流量后排放于大气；而冷凝水经由第二排污阀10排出。
前述第二干燥塔15去湿和第一干燥塔14再生过程中，排气阀11均呈开状态（以便观察第二再生氢气的流量），旁通阀12均呈关状态。
第一干燥塔14再生过程中，第二单向阀2、第四单向阀4处于止回状态，所以第一干燥塔14中的气体无法通过第一单向阀1、第二单向阀3逆流回第二干燥塔15（高压区）。第二干燥塔15在工作压力下吸附去湿时，第二计量阀6、第四单向阀4组合形成第二再生氢气回路，第一干燥塔14同时进行常压再生。
重复上述过程，即可实现水电解氢气的周期性纯化过程，得到低露点的产品氢气。
以产气量6m3/h（其中1m3/h作为再生氢气进行再生）的水电解氢气纯化装置进行平行对比试验，通过计算结果显示：本发明常压再生干燥塔内的再生氢气流速为0.026m/s,而背景技术有压再生干燥塔内的再生氢气流速为0.002m/s。可见，本发明再生氢气的流速是背景技术中再生干燥塔内再生氢气流速的13倍，因而有利于加热过程中水蒸汽的带出，大幅度降低了产品氢气的露点。
本发明不局限于上述实施例，凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种水电解氢气纯化方法，纯化过程是：水电解后获得的含有微量杂质氧和饱和水汽的原料氢气，经过脱氧塔除去杂质氧和干燥塔去湿后形成高纯氢气，所述干燥塔有两个，分别为第一干燥塔和第二干燥塔，其特征在于:所述纯化过程在所述第一干燥塔和第二干燥塔内先后进行Ⅰ、Ⅱ两个阶段，所述Ⅰ、Ⅱ两个阶段构成一个工作周期，所述工作周期至少是一个；
Ⅰ阶段：所述原料氢气进入所述第一干燥塔在工作压力下全气量去湿，获得的高纯氢气被分流为第一产品氢气和第一再生氢气两部分，所述第一产品氢气进入后续用氢单元；所述第一再生氢气进入第二干燥塔，释放第二干燥塔工作压力至常压，同时将第二干燥塔内部的干燥剂加热至100～120℃，对第二干燥塔在上一周期所吸附的水分进行吹带，使第二干燥塔内部的干燥剂再生，吹带之后的第一再生氢气经冷却后放空；
Ⅱ阶段：原料氢气进入所述第二干燥塔在工作压力下全气量去湿，获得的高纯氢气被分流为第二产品氢气和第二再生氢气两部分，所述第二产品氢气进入后续用氢单元，所述第二再生氢气进入第一干燥塔，释放第一干燥塔工作压力至常压，同时将第一干燥塔内部的干燥剂加热至100～120℃，对第一干燥塔在上一周期所吸附的水分进行吹带，使第一干燥塔内部的干燥剂再生，吹带之后的第二再生氢气经冷却后放空。
2.根据权利要求1所述的水电解氢气纯化方法，其特征在于：所述Ⅰ、Ⅱ阶段，将所述干燥剂加热至110℃。
3.根据权利要求1所述的水电解氢气纯化方法，其特征在于：进行所述Ⅰ阶段时，高纯氢气按体积比被分流成 90%的第一产品氢气和10%的第一再生氢气；进行所述Ⅱ阶段时，高纯氢气按体积比被分流成90%的第二产品氢气和10%的第二再生氢气。
4.根据权利要求1至3任一所述的水电解氢气纯化方法，其特征在于：所述工作周期的时间是16小时，其中Ⅰ、Ⅱ两个阶段各为8小时。
5.根据权利要求4所述的水电解氢气纯化方法，其特征在于：所述干燥塔为单筒结构，筒内设有电加热管；所述干燥剂为分子筛干燥剂，它们装在筒内与所述电加热管接触。
6.一种实现权利要求1所述水电解氢气纯化方法的装置，包括脱氧塔、第一冷却器、第二冷却器、第一干燥塔、第二干燥塔和四通阀；所述第一冷却器设有第一连接端和第三连接端，所述第二冷却器设有第二连接端和第八连接端，所述第一干燥塔设有第四连接端和第五连接端，所述第二干燥塔设有第六连接端和第七连接端，所述四通阀设有第一阀口、第二阀口、第三阀口和第四阀口；所述脱氧塔的出口连接至第一阀口，第二阀口连接至第一连接端，第四阀口连接至第二连接端；所述第三连接端与第四连接端相连，所述第五连接端与第六连接端相连，所述第七连接端与第八连接端相连，其特征在于：当第一干燥塔和第二干燥塔内进行所述Ⅰ阶段过程时，分流出第一产品氢气和第一再生氢气；当第一干燥塔和第二干燥塔内进行所述Ⅱ阶段过程时，分流出第二产品氢气和第二再生氢气。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述第五连接端和第六连接端之间的连接管路上设有四个单向阀和两个计量阀，所述单向阀分别为第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀和第四单向阀，所述计量阀为第一计量阀和第二计量阀；所述连接管路包括第一管路、第二管路以及并联设于所述第一管路和第二管路之间的第三管路和第四管路；所述第一管路的一端与第五连接端相连，另一端流出第一产品氢气；所述第二管路的一端与第六连接端相连，另一端流出第二产品氢气；所述第一单向阀设于第一管路上，第一单向阀的入口端靠近第五连接端，所述第二单向阀设于第二管路上，第二单向阀的入口端靠近第六连接端，所述第三管路上靠近第五连接端依次设有第一计量阀和第三单向阀，所述第四管路上靠近第六连接端依次设有第二计量阀和第四单向阀。
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