CN107930344A - 一种内循环变压吸附式氢气净化器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种内循环变压吸附式氢气净化器，主要由内置的内装吸附剂的并列第一吸附净化缸和第二吸附净化缸，气水分离器，活塞缸、连杆驱动器，推拉连杆，节流阀，电磁截断阀，通气单向阀，背压阀，阻火器等组成。本发明采用伴随微量排放的大流量内循环工艺，通过改变气体净化流程工艺实施气体净化。与已有的净化器相比，净化后的气体的纯度不变，而用于再生的高纯气体的耗量只有上述已有产品的4%。能耗是上述已有产品的3.6%。改变现有传统设备存在的缺陷：高纯氢气气体使用消耗量大，废气氢气产气量大等弊端。本发明实现了降低废气氢气产生量，实现高纯氢气气体内循环使用。

Description

一种内循环变压吸附式氢气净化器

技术领域

本发明属于气体净化技术领域，特别涉及一种用于纯水电解制取氢气的内循环变压吸附式氢气净化器。

背景技术

随着空气污染问题日益严峻与气体纯度要求的不断提高，作为能够吸附，分解或转化气体污染物，有效提高气体清洁度的气体净化器成了眼下“热门电器”，从无到有，从有到成为热门电器，表明了这几年气体净化设备的发展之迅速，前景之良好。

氢能作为一种清洁、高效能源载体，被寄予厚望。氢气在化工、电子、科研、能源、特种烧结、检验检疫、发电机冷却等领域有广泛的用途；电解纯水制氢技术也是世界各国大型制氢设备的主流技术。但是此工艺获得的氢气含水量较高，随压力的不同其纯度只能达到99.5%-99.9%。杂质的主要成分是水汽，由此制约了纯水电解氢气的直接应用。

目前市场上空气净化器产品品种很多，但采用的净化原理基本上都是活性炭技术、臭氧技术、紫外线技术，再配以各种催化、分解方法（如光触媒）。如专利“一种环保型空气净化器”（201220001110.6）这种净化器在工作时污染物直接堆积在过滤装置上，会影响过滤效果。如专利“空气净化器”（201610347746.9）其提出调节有效净化空间，采用内外空气循环来排除过滤物且安装方便的空气净化器。

有利用吸附分子筛的变压吸附方式对电解纯水获取的氢气进行变压吸附纯化的氢气净化器，其净化工艺结构简单，效能明显，在1.5Mpa压力下，能使纯水电解后的氢气纯度达到99.999%以上。

图1展示了市场现有产品中利用吸附分子筛变压吸附方式的氢气净化器的结构示意图，其原理是两个缸内都装有吸附分子筛，一个缸在吸收气体中的杂质实施净化时，另一个缸利用已经净化的高纯气体吹除自身已吸附的杂质实施再生，两缸功能按一定时序反复切换。 以上循环按程序设定的时间间隔（约15分钟）反复进行循环动作。

但是以上结构的净化器存有较大缺陷：再生气体的用量过大。产气速率为33.3升/分钟的氢气发生器，要用12.3升/分钟的高纯氢来吹除再生缸中的杂质。其用气量达到高纯气体生成总量的37%，能量消耗也达到设备总能耗的37%，大量的氢气作为废气排放，随之带来的是防爆措施的较大投入和现场人员的谨慎处置。现有传统设备存在的缺陷：高纯氢气气体使用消耗量大，废气氢气产气量大等弊端。

发明内容

本发明的目的是，克服了现有传统设备的高纯氢气气体使用消耗量大，废气氢气产气量大等缺陷，提供了一种内循环变压吸附式氢气净化器，实现了降低废气氢气产生量，实现高纯氢气气体内循环使用。

本发明是采用以下的技术方案来实现的：

一种内循环变压吸附式氢气净化器，包括在原料氢气输入端和高纯氢气输出端之间的管线上并列布置的第一吸附净化缸和第二吸附净化缸，所述第一吸附净化缸在原料氢气输入端后的管线上串联设置有第一电磁阀，在高纯氢气输出端前的管线上串联设置有第一单向阀；

所述第二吸附净化缸在原料氢气输入端后的管线上串联设置有第三电磁阀，在高纯氢气输出端前的管线上串联设置有第二单向阀；在第一吸附净化缸、第一单向阀之间和第二吸附净化缸、第二单向阀之间的管线上连有节流阀；所述第一吸附净化缸和第二吸附净化缸分别通过第四电磁阀和第二电磁阀连接气水分离器，气水分离器连接废气排放管路和活塞缸，所述活塞缸通过推拉连杆连接连杆驱动器，所述第一吸附净化缸和第二吸附净化缸分别通过第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第三单向阀、第四单向阀、第五单向阀、第六单向阀、第七单向阀、第八单向阀分别独立连接气水分离器和活塞缸。

优选的，在第一电磁阀和第三电磁阀后、原料氢气输入端前的管线上串联有第一阻火器；所述废气排放管路上设有第九单向阀；在第一单向阀和第二单向阀后、高纯氢气输出端前的管线上依次串联有背压阀、减压阀、手动阀、第二阻火器；所述气水分离器的排水口管线上设有排水阀。

优选的，第一吸附净化缸和第二吸附净化缸按“吸附净化”和“脱附再生”的工作状态交替轮换，15分钟切换；小气量的已纯化高纯气体通过节流阀的流量控制通入脱附再生缸，脱附再生缸排出的气体经第二电磁阀或第四电磁阀进入气水气水分离器，气水分离器内的气体一部分经第九单向阀放空，另一部分通过第三单向阀或第四单向阀进入活塞缸；活塞缸内的活塞运动挤压排出的气体经过第五单向阀、第六单向阀整流后再经过第七单向阀或第八单向阀返回脱附再生缸。

优选的，脱附再生缸内的气流是恒定的低压力大流速，其流速与净化缸内的最大气体流速之比为1.2:1。

优选的，所述活塞缸是有单端伸出中心轴的用于氢气导流的活塞缸，其缸内容积符合每立升对应每小时处理2标准立方米氢气的比例。

优选的，所连杆驱动器是由交流异步电机驱动的减速后产生推拉行程的动力机械，其推拉行程的距离与活塞缸匹配，作用于推拉连杆的转速为20-30转/分钟。

优选的，所述气水分离器包括带进气口、排气口、排水口的壳体，壳体内装凝滤芯和探测液位传感器。

优选的，所述凝滤芯包括上下设有圆形开口的不锈钢圆筒和设置在不锈钢圆筒上端的圆形开口的边沿上的不锈钢环形伞头，所述不锈钢圆筒外周包绕有不锈钢丝网层；不锈钢环形伞头与气水分离器壳体内壁紧密结合，使气体从不锈钢丝网层周围进入，经不锈钢圆筒下端和内腔返到不锈钢圆筒上部排出。所述不锈钢丝网为密度1.5目的¢0.3不锈钢丝平网，在不锈钢圆筒上包绕有40层。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

1）作为降低杂质水汽的含量与提高氢气的纯度的一种应用技术，分子筛变压吸附技术具有循环周期短，吸附剂利用效率高，气体提取纯度高的优点；本发明采用伴随微量排放的大流量内循环工艺，通过改变气体净化流程工艺实施气体净化。与以上已有的净化器相比，净化后的气体的纯度不变，而用于再生的高纯气体的耗量只有上述已有产品的4%。能耗是上述已有产品的3.6%。作为废气排放的氢气由于气量小，防燃防爆措施变得简单易行。

2）本发明使用高效气水分离器除水效率高，安装方便，体积小，重量轻。实现净化器中的“吸附净化”和“脱附再生”两个工作状态的交替进行。

3）改变现有传统设备存在的缺陷：高纯氢气气体使用消耗量大，废气氢气产气量大等弊端。本发明实现了降低废气氢气产生量，实现高纯氢气气体内循环使用。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1是现有技术的氢气净化器的结构示意图；

图2是本发明的氢气净化器的结构示意图；

图3是本发明的气水分离器的结构示意图；

图4是本发明的凝滤芯的截面图；

图5是本发明的凝滤芯的俯视图；

图中：1第一吸附净化缸、2第二吸附净化缸、3第二阻火器、4手动阀、5减压阀、6背压阀、7第一单向阀、8第二单向阀、9节流阀、10第一电磁阀、11第二电磁阀、12第三电磁阀、13第四电磁阀、14第一阻火器、15气水分离器、16探测液位传感器、17排水阀、18废气排放管路、19第三单向阀、20第四单向阀、21第五单向阀、22第六单向阀、23第七单向阀、24第八单向阀、25第九单向阀、26连杆驱动器、27活塞缸、28推拉连杆、29凝滤芯、30进气口、31排气口、32排水口、291不锈钢环形伞头、292不锈钢圆筒、293圆形开口、294不锈钢丝网层、原料氢气流向A、高纯氢气流向B、废气排放流向C、水汽液体流向D。

具体实施方式

下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。但这些实施例不是对本发明保护范围的限制，所有在本发明技术方案基本思路范围内或本质上等同于本发明技术方案的改变均为本发明的保护范围。

为了提高电解水制取的氢气的纯度，即降低水汽杂质的含量。利用吸附分子筛的变压吸附技术，通过气水分离器，实现“吸附净化”和“脱附再生”提纯内循环提纯，解决氢气纯化问题。本发明涉及广泛使用的变压吸附方式的大流量气体净化技术，针对该技术存在的弊端而研发。尤其涉及纯水电解制取氢气的氢气纯化技术。分子筛吸附分离是利用吸附剂只对特定气体吸附和解析能力上的差异进行分离的。为了促进这个过程的进行，常用的有加压法和减压法等。分子筛吸附分离杂质水汽提纯氢气的机理，一是利用分子筛对氢的吸附亲和能力小于对水汽的吸附亲和能力以达到区分氢气与水汽；二是利用氢气在碳分子筛微孔系统狭窄空隙中的扩散速度大于水汽的扩散速度，使在远离平衡的条件下可分离氢气与水汽。

如图2所示，本发明的内循环变压吸附式氢气净化器，主要由内置的内装吸附剂的并列缸体第一吸附净化缸1和第二吸附净化缸2，气水分离器15，活塞缸27、连杆驱动器26，推拉连杆28，节流阀9，电磁截断阀，通气单向阀，背压阀6，阻火器等组成。

本发明的内循环变压吸附式氢气净化器包括在原料氢气输入端和高纯氢气输出端之间的管线上并列布置的第一吸附净化缸1和第二吸附净化缸2，所述第一吸附净化缸1在原料氢气输入端后的管线上串联设置有第一电磁阀10，在高纯氢气输出端前的管线上串联设置有第一单向阀7；所述第二吸附净化缸2在原料氢气输入端后的管线上串联设置有第三电磁阀12，在高纯氢气输出端前的管线上串联设置有第二单向阀8；

在第一吸附净化缸1、第一单向阀7之间和第二吸附净化缸2、第二单向阀8之间的管线上连有节流阀9；

所述第一吸附净化缸1和第二吸附净化缸2分别通过第四电磁阀13和第二电磁阀11连接气水分离器15，气水分离器15连接废气排放管路18和活塞缸27，所述活塞缸27通过推拉连杆28连接连杆驱动器26，

所述第一吸附净化缸1和第二吸附净化缸2分别通过第一电磁阀10、第二电磁阀11、第三电磁阀12、第四电磁阀13、第三单向阀19、第四单向阀20、第五单向阀21、第六单向阀22、第七单向阀23、第八单向阀24分别独立连接气水分离器15和活塞缸27。

在第一电磁阀10和第三电磁阀12后、原料氢气输入端前的管线上串联有第一阻火器14；所述废气排放管路18上设有第九单向阀25；在第一单向阀7和第二单向阀8后、高纯氢气输出端前的管线上依次串联有背压阀6、减压阀5、手动阀4、第二阻火器3。所述气水分离器15的排水口管线上设有排水阀17。背压阀6用于源端压力保持，手动阀4用于手动开关气路。

如图2所示，本发明的氢气净化器的结构与市场现有产品的氢气净化器中的结构（如图1）相比，有如下增加部分：单向阀（第三单向阀19、第四单向阀20、第五单向阀21、第六单向阀22、第七单向阀23、第八单向阀24、第九单向阀25）、连杆驱动器26、活塞缸27、推拉连杆28。

本发明的气水分离器15结构和功能：

如图2-3所示，本发明的气水分离器15包括带进气口30、排气口31、排水口32的壳体，壳体内装凝滤芯29和探测液位传感器16。本发明的气水分离器15与现有产品的氢气净化器中的气水分离器（如图1）相比有变动：内部增加一个凝滤芯29。

如图4-5所示，所述凝滤芯29包括上下设有圆形开口293的不锈钢圆筒292和设置在不锈钢圆筒292上端的圆形开口293的边沿上的不锈钢环形伞头291，所述不锈钢圆筒292外周包绕有不锈钢丝网层294；不锈钢环形伞头291与气水分离器15壳体内壁紧密结合，形成该凝滤芯装入气水分离器15后，使气体从不锈钢丝网层294周围进入，经不锈钢圆筒292下端和内腔返到不锈钢圆筒292上部排出的结构。所述不锈钢丝网为密度1.5目的¢0.3不锈钢丝平网，在不锈钢圆筒291上包绕有40层。

本发明的工作原理和氢气纯化过程是：水电解后获得的含有微量杂质氧和饱和水汽的原料氢气，经过第一吸附净化缸1或第二吸附净化缸2去湿后形成高纯氢气，在所述第一吸附净化缸1或第二吸附净化缸2内先后进行 “吸附净化”和“脱附再生”的工作状态交替轮换，15分钟切换,两个阶段构成一个工作周期，所述工作周期至少是一个。所述原料氢气进入其中一个吸附净化缸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；小气量的第一再生氢气通过节流阀9的流量控制通入脱附再生缸，脱附再生缸排出的气体经第二电磁阀11或第四电磁阀13进入气水分离器15，气水分离器15内的气体一部分经第九单向阀25放空，另一部分通过第三单向阀19或第四单向阀20进入活塞缸27；活塞缸27内的活塞运动挤压排出的气体经过第五单向阀21、第六单向阀22整流后再经过第七单向阀23或第八单向阀24返回脱附再生缸。脱附再生缸内的气流是恒定的低压力大流速，其流速与净化缸内的最大气体流速之比为1.2:1。

本发明的工作过程是第一吸附净化缸1与第二吸附净化缸2相协调工作，例如时间段（即一个循环周期）第一吸附净化缸1净化，气体方向A→B，第二吸附净化缸2脱附，气体方向由上往下。第一吸附净化缸1与第二吸附净化缸2的循环时间为15分钟，交替进行，达到2个目标过程：吸附净化、脱附再生。

举例说明具体过程：当第一吸附净化缸1净化，第二吸附净化缸2脱附时，第一电磁阀10打开，第四电磁阀13关闭，第三电磁阀12关闭，第二电磁阀11打开，原氢通过第一阻火器14，通过第一电磁阀10进入第一吸附净化缸1净化，然后，绝大部分纯氢通过第一单向阀7进入输出通道至B口输出；一小部分纯氢的通过节流阀9，进入第二吸附净化缸2，由上至下，气体运动，对第二吸附净化缸2进行脱附，之后通过打开状态的第二电磁阀11进入气水分离器15，卸下从第二吸附净化缸2带来的水分（主要杂质）。气体通过第四单向阀20和第三单向阀19在活塞缸27的推动下，分别通过第六单向阀22和第五单向阀21，再次进入第二吸附净化缸2，如此循化一个周期，即15分钟的时间段。活塞缸27的主要作用是使脱附过程持续循环进行。

由于第一吸附净化缸1出口处的纯氢压力（即第一单向阀7、第二单向阀8之后的压力）远大于活塞缸27产生的压力，导致第二吸附净化缸2的脱附产生的含杂质气体不会通过第二单向阀8排出收集，造成纯氢污染。

所述活塞缸27是有单端伸出中心轴的用于氢气导流的活塞缸，其缸内容积符合每立升对应每小时处理2标准立方米氢气的比例。活塞缸27的中有一个活塞，活塞有一个芯轴从缸体的一端或两端伸出。活塞的前后运动使活塞两端的容积改变，从而将缸内的流体从一端被压缩推出，从另一端吸入。活塞的运动需要外力推动。活塞缸与电磁阀等流体器件组合，可以实现流体的单向流动、加压、抽吸等功能。本发明中活塞缸27的作用是抽吸和推出双重作用，推动系统内部的气体快速单向运动，带走滞留的水分；单位时间内有多少气体从缸体内经过，与缸体尺寸、活塞运动速度有关，该装置的要求是每小时要有2立方米的气体通过活塞缸，以此确定缸体的尺寸和活塞的运动速度。所连杆驱动器26是由交流异步电机驱动的减速后产生推拉行程的动力机械，其推拉行程的距离与活塞缸匹配，作用于推拉连杆28的转速为20-30转/分钟。

如图2所示，连杆驱动器26在1280转/分钟，功率120W的电机驱动下，连杆驱动器26以20转/分钟推动推拉连杆28，使活塞缸27以每分钟20次推拉吸入和排出气体，经过第三单向阀19、第四单向阀20、第五单向阀21、第六单向阀22、第七单向阀23、第八单向阀24、第九单向阀25的导流实现气体循环：

第二吸附净化缸2→第二电磁阀11→气水分离器15→第三单向阀19→活塞缸27→第五单向阀21→第七单向阀23→第二吸附净化缸2。

第一吸附净化缸1→第四电磁阀13→气水分离器15→第四单向阀20→活塞缸27→第六单向阀22→第八单向阀24→第一吸附净化缸1。

循环气体流速40升/分钟，达到最大净化输出气量的1.2倍。

节流阀9按0.4升/分钟流速将净化后的高纯氢补入循环气流，循环中的气体按0.4升/分钟的流速经过第九单向阀25排空。第九单向阀25还有防止外部气体进入的功能。循环气体从第一吸附净化缸1或第二吸附净化缸2带出的水分在气水分离器15被分离，集聚。气水分离器15内液位达到一定高度时探测液位传感器16发出信号，使排水阀17适量地开启排水。

现通过对比市场现有利用吸附分子筛变压吸附方式的氢气净化器与本技术的发明方案，来充分体现本技术的优点与可靠性。本发明通过改变气体净化流程工艺实施气体净化。与以上已有的净化器相比，净化后的气体的纯度不变，而用于再生的高纯气体的耗量只有上述已有产品的4%。能耗是上述已有产品的3.6%。作为废气排放的氢气由于气量小，防燃防爆措施变得简单易行。

Claims (9)

1.一种内循环变压吸附式氢气净化器，其特征在于：包括在原料氢气输入端和高纯氢气输出端之间的管线上并列布置的第一吸附净化缸（1）和第二吸附净化缸（2），所述第一吸附净化缸（1）在原料氢气输入端后的管线上串联设置有第一电磁阀（10），在高纯氢气输出端前的管线上串联设置有第一单向阀（7）；

所述第二吸附净化缸（2）在原料氢气输入端后的管线上串联设置有第三电磁阀（12），在高纯氢气输出端前的管线上串联设置有第二单向阀（8）；

在第一吸附净化缸（1）、第一单向阀（7）之间和第二吸附净化缸（2）、第二单向阀（8）之间的管线上连有节流阀（9）；

所述第一吸附净化缸（1）和第二吸附净化缸（2）分别通过第四电磁阀（13）和第二电磁阀（11）连接气水分离器（15），气水分离器（15）连接废气排放管路（18）和活塞缸（27），所述活塞缸（27）通过推拉连杆（28）连接连杆驱动器（26）；

所述第一吸附净化缸（1）和第二吸附净化缸（2）分别通过第一电磁阀（10）、第二电磁阀（11）、第三电磁阀（12）、第四电磁阀（13）、第三单向阀（19）、第四单向阀（20）、第五单向阀（21）、第六单向阀（22）、第七单向阀（23）、第八单向阀（24）分别独立连接气水分离器（15）和活塞缸（27）。

2.根据权利要求1所述的内循环变压吸附式氢气净化器，其特征在于：在第一电磁阀（10）和第三电磁阀（12）后、原料氢气输入端前的管线上串联有第一阻火器（14）；所述废气排放管路（18）上设有第九单向阀（25）；在第一单向阀（7）和第二单向阀（8）后、高纯氢气输出端前的管线上依次串联有背压阀（6）、减压阀（5）、4手动阀（4）、第二阻火器（3）；所述气水分离器（15）的排水口管线上设有排水阀（17）。

3.根据权利要求1所述的内循环变压吸附式氢气净化器，其特征在于：第一吸附净化缸（1）和第二吸附净化缸（2）按“吸附净化”和“脱附再生”的工作状态交替轮换，15分钟切换；小气量的已纯化高纯气体通过节流阀（9）的流量控制通入脱附再生缸，脱附再生缸排出的气体经第二电磁阀（11）或第四电磁阀（13）进入气水分离器（15），气水分离器（15）内的气体一部分经第九单向阀（25）放空，另一部分通过第三单向阀（19）或第四单向阀（20）进入活塞缸（27）；活塞缸（27）内的活塞运动挤压排出的气体经过第五单向阀（21）、第六单向阀（22）整流后再经过第七单向阀（23）或第八单向阀（24）返回脱附再生缸。

4.根据权利要求3所述的内循环变压吸附式氢气净化器，其特征在于：脱附再生缸内的气流是恒定的低压力大流速，其流速与净化缸内的最大气体流速之比为1.2:1。

5.根据权利要求1所述的内循环变压吸附式氢气净化器，其特征在于：所述活塞缸（27）其缸内容积符合每立升对应每小时处理2标准立方米氢气的比例。

6.根据权利要求1所述的内循环变压吸附式氢气净化器，其特征在于：所连杆驱动器（26）是由交流异步电机驱动的减速后产生推拉行程的动力机械，其推拉行程的距离与活塞缸匹配，作用于推拉连杆（28）的转速为20-30转/分钟。

7.根据权利要求1所述的内循环变压吸附式氢气净化器，其特征在于：所述气水分离器（15）包括带进气口（30）、排气口（31）、排水口（32）的壳体，壳体内装凝滤芯（29）和探测液位传感器（16）。

8.根据权利要求6所述的内循环变压吸附方式的氢气净化器，其特征在于：所述凝滤芯（29）包括上下设有圆形开口（293）的不锈钢圆筒（292）和设置在不锈钢圆筒（292）上端的圆形开口（293）的边沿上的不锈钢环形伞头（291），所述不锈钢圆筒（292）外周包绕有不锈钢丝网层（294）； 不锈钢环形伞头（291）与气水分离器（15）壳体内壁紧密结合，使气体从不锈钢丝网层（294）周围进入，经不锈钢圆筒（292）下端和内腔返到不锈钢圆筒（292）上部排出。

9.根据权利要求7所述的内循环变压吸附方式的氢气净化器，其特征在于：所述不锈钢丝网为密度1.5目的¢0.3不锈钢丝平网，在不锈钢圆筒（291）上包绕有40层。