CN109650335A - 一种变压吸附纯化制氢装置及制氢方法 - Google Patents

Abstract

一种变压吸附纯化制氢装置，包括天然气脱硫塔、氢气转化塔和变压吸附塔；所述天然气脱硫塔的右侧通过导气管a安装有氢气转化塔，所述氢气转化塔的右侧通过导气管b安装有变压吸附塔，所述变压吸附塔的右侧通过导气管c安装有氢气收集塔；所述氢气转化塔的底面内壁上安装有抽气泵，其内部设置有镍催化剂，其内壁上还安装有电热管b；所述变压吸附塔顶部安装有泄压口，其外壁上安装有制冷压缩机与增压泵，其底面内壁上安装有电热管a，所述电热管a上方位于变压吸附塔的内壁上安装有隔气板。本发明还包括使用该装置进行制氢的方法。本发明可以制得高纯度氢气，且变压吸附可有效再生，实现资源循环利用，降低氢气提纯成本。

Description

一种变压吸附纯化制氢装置及制氢方法

技术领域

本发明属于氢气的制取以及变压吸附纯化技术领域，具体涉及一种变压吸附纯化制氢装置及制氢方法。

背景技术

当今世界,化石燃料的需求量和使用量依旧很大,能源面临日益匮乏的危机, 环境问题也日趋严重,新能源的开发与利用越来越受到人们的重视。氢气具有热值高、燃烧无污染等优点，是一种理想的燃料气体，对氢气的开发和利用能够有效地解决能源问题。因为氢气的燃烧属性，通过对传统内燃机做出一些更改可以通过氢气直接驱动内燃机，更加环保节能。氢能也可以通过燃料电池完成对汽车的驱动，还可以作为轮船、潜艇、火箭的动力来源。除此之外，氢能也可以用于冶炼金属、制作肥料等等，并且随着燃料电池技术的发展，家用燃料电池热电联供设备已经开始应用。

但是，地球上几乎没有自然存在的氢气，而且在燃料电池的使用过程中，需要氢气的纯度也是极高的，必须通过其他能源或混合气体来制取或提纯氢气。传统的氢气制取设备速率慢且耗能较多，纯度也不高，因此需要一种快速、节能的氢气制取纯化装置及制氢方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变压吸附纯化制氢装置及制氢方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种变压吸附纯化制氢装置，包括天然气脱硫塔、氢气转化塔和变压吸附塔，所述天然气脱硫塔的右侧通过导气管a安装有氢气转化塔，所述氢气转化塔的右侧通过导气管b安装有变压吸附塔，所述变压吸附塔的右侧通过导气管c安装有氢气收集塔，所述氢气转化塔的底面内壁上安装有抽气泵，所述抽气泵上方氢气转化塔的内壁上安装有气孔板a，所述气孔板a上设置有镍催化剂，所述氢气转化塔的顶面内壁上安装有电热管b，所述变压吸附塔的顶部安装有泄压口，所述变压吸附塔的两侧外壁上分别安装有制冷压缩机与增压泵，所述变压吸附塔的底面内壁上安装有电热管a，所述电热管a上方位于变压吸附塔的内壁上安装有隔气板。

优选的，所述天然气脱硫塔、氢气转化塔、变压吸附塔和氢气收集塔的底部安装有底座。

优选的，所述导气管a、导气管b与导气管c上均安装有节气阀，其中导气管 a为“Z”型管，导气管b与导气管c为直型管。

优选的，所述制冷压缩机的输出端穿过并延伸至变压吸附塔的内部安装有冷气出口。

优选的，所述天然气脱硫塔、氢气转化塔、变压吸附塔和氢气收集塔的内部容积大小相等。

优选的，所述抽气泵的输入端与导气管a的输出端穿过氢气转化塔连接。

优选地，在所述变压吸附塔内设置有碳分子吸附剂，所述碳分子吸附剂采用颗粒活性炭。

本发明还包括一种变压吸附纯化制氢的方法，该方法包括如下步骤：

S1、将天然气通过进气管导入天然气脱硫塔内，对天然气进行初步脱硫处理后，再将水蒸气通过进气管与天然气进行混合。

S2、打开节气阀，将混合后的气体通过导气管导入氢气转化塔内，打开电热管，提升氢气转化塔内温度于800-900摄氏度之间，在镍催化剂与高温的作用下，天然气被转化为一氧化碳、二氧化碳及氢气的混合气体。

S3、打开节气阀，将一氧化碳、二氧化碳及氢气的混合气体通过导气管输入至变压吸附塔内，打开制冷压缩机使变压吸附塔内的温度降至25摄氏度，打开增压泵使变压吸附塔内的压力升到3bar，从而碳分子吸附剂对一氧化碳、二氧化碳进行吸附。

S4、吸附完毕后，打开节气阀将提纯后的氢气通过导气管输入至氢气收集塔内进行储存。

S5、储存提纯氢气后，打开泄压口，使变压吸附塔内的压力瞬间下降，打开电热管使变压吸附塔内的温度升到50-70摄氏度之间，从而碳分子吸附剂内吸附的气体释放出来，碳分子吸附剂还原再生，供下次工作利用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过设置氢气转化塔、变压吸附塔，氢气转化塔可以利用天然气制备氢气，变压吸附塔可通过变压降温的方法利用碳分子吸附剂吸附掉一些杂质气体，从而实现对氢气的提纯；该装置及方法相比于传统的氢气提纯方法具有耗能低且提纯效率、速率高的优点，通过该装置及方法可实现吸附后的碳分子吸附剂有效再生，保证了吸附剂的循环使用，无需定时更换，实现了资源的循环利用，大大降低了氢气提纯的成本；通过设置氢气收集塔，可实现对提纯后的氢气进行集中收集，待需要时取用即可，方便快捷，消除氢气提纯后无法提取、保存的情况；通过将天然气脱硫塔、氢气转化塔、变压吸附塔和氢气收集塔内部容积设置为一致，在计算最终纯化氢气量时可直接通过化学式计算即可得到，无需对氢气量进行后续检测，方便快捷。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明氢气转化塔的内部结构示意图；

图3为本发明变压吸附塔的内部结构示意图；

图4为本发明的工作流程模块示意图；

图5为本发明氢气变压吸附提纯模块的子工艺流程模块图；

图6为本发明吸附剂变压再生模块的子工艺流程模块图。

图中：1、天然气脱硫塔；2、节气阀；3、导气管a；4、氢气转化塔；5、导气管b；6、变压吸附塔；7、制冷压缩机；8、氢气收集塔；9、导气管c；10、进气管；11、底座；12、镍催化剂；13、气孔板a；14、抽气泵；15、泄压口； 16、气孔板b；17、碳分子吸附剂；18、冷气出口；19、隔气板；20、电热管a； 21、增压泵；22、氢气变压吸附提纯模块；23、吸附剂变压再生模块；24、电热管b。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种变压吸附纯化制氢装置，包括天然气脱硫塔1、氢气转化塔4和变压吸附塔6，天然气脱硫塔1的右侧通过导气管a3安装有氢气转化塔4，氢气转化塔4的右侧通过导气管b5安装有变压吸附塔6，变压吸附塔6的右侧通过导气管c9安装有氢气收集塔8，通过设置氢气收集塔8，可实现对提纯后的氢气进行集中收集，待需要时取用即可，方便快捷，消除氢气提纯后无法提取、保存的情况，氢气转化塔4的底面内壁上安装有抽气泵14，抽气泵14上方氢气转化塔4的内壁上安装有气孔板a13，气孔板a13 上设置有镍催化剂12，氢气转化塔4的顶面内壁上安装有电热管b24，氢气转化塔4内的主要化学反应方程式为CH₄+H₂O→CO+3H₂，CO+H₂O→CO₂+H₂，变压吸附塔6 的顶部安装有泄压口15，变压吸附塔6的两侧外壁上分别安装有制冷压缩机7 与增压泵21，变压吸附塔6的底面内壁上安装有电热管a20，电热管a20上方位于变压吸附塔6的内壁上安装有隔气板19，制冷压缩机7的型号为SHW33，抽气泵14的型号为M30B-A，电热管a20与电热管b24的型号均为3D-HM40DI(E)。

天然气脱硫塔1、氢气转化塔4、变压吸附塔6和氢气收集塔8的底部安装有底座11，天然气脱硫塔1的左下方外壁上安装有进气管10，导气管a3、导气管b5与导气管c9上均安装有节气阀2，其中导气管a3为“Z”型管，导气管b5 与导气管c9为直型管，制冷压缩机7的输出端穿过并延伸至变压吸附塔6的内部安装有冷气出口18，天然气脱硫塔1、氢气转化塔4、变压吸附塔6和氢气收集塔8的内部容积大小相等，抽气泵14的输入端与导气管a3的输出端穿过氢气转化塔4连接，通过该变压吸附塔6不仅可实现氢气纯化的目的，还可实现吸附后的碳分子吸附剂有效再生，保证了吸附剂的循环使用，无需定时更换，实现了资源的循环利用，大大降低了氢气提纯的成本。

一种变压吸附纯化制氢的方法，包括使用本文所述的包括变压吸附纯化制氢装置，其中该方法包括如下步骤：

S1、将天然气通过进气管导入天然气脱硫塔内，对天然气进行初步脱硫处理，再将水蒸气通过进气管与天然气进行混合。

S2、打开节气阀，将混合后的气体通过导气管导入氢气转化塔内，打开电热管，提升氢气转化塔内温度于800-900摄氏度之间，在镍催化剂与高温的作用下，天然气被转化为一氧化碳、二氧化碳及氢气的混合气体。

S3、打开节气阀，将一氧化碳、二氧化碳及氢气的混合气体通过导气管输入至变压吸附塔内，打开制冷压缩机对变压吸附塔内进行降至25摄氏度，通过外部的增压泵向增压泵内注入压力，提高变压吸附塔内的气压至3bar，从而碳分子吸附剂对一氧化碳、二氧化碳进行吸附。

S4、吸附完毕后，打开节气阀将提纯后的氢气通过导气管输入至氢气收集塔内进行储存。

S5、储存提纯氢气后，打开泄压口，变压吸附塔内的压力瞬间降低，打开电热管提升变压吸附塔内的温度到50-70摄氏度之间，从而碳分子吸附剂内吸附的气体释放出来，从而碳分子吸附剂还原再生，供下次工作利用。

本发明的工作原理及使用流程：向天然气脱硫塔1内导入适量天然气，先对天然气进行脱硫处理，脱硫后的天然气与水蒸气混合通过导气管a输入氢气转化塔4内，打开电热管b24，将氢气转化塔4内的温度提升至800-900摄氏度，在镍催化剂12和高温的作用下，天然气转化为一氧化碳、二氧化碳及氢气的混合气体，此时打开导气管b上的节气阀2，混合气体通过导气管b5输入变压吸附塔6内，打开制冷压缩机7对变压吸附塔6内进行降温，通过外部的增压泵向增压泵21内注入压力，提高变压吸附塔6内的气压，从而碳分子吸附剂17对一氧化碳、二氧化碳进行吸附，从而混合气体中的纯氢气通过导气管c输入氢气收集塔8内进行储存，储存后，打开泄压口15，变压吸附塔6内的压力瞬间降低，打开电热管a20提升变压吸附塔6内的温度，从而碳分子吸附剂17内吸附的气体释放出来，从而碳分子吸附剂17还原再生，供下次工作利用。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种变压吸附纯化制氢装置，包括天然气脱硫塔、氢气转化塔和变压吸附塔，其特征在于：所述天然气脱硫塔的右侧通过导气管a安装有氢气转化塔，所述氢气转化塔的右侧通过导气管b安装有变压吸附塔，所述变压吸附塔的右侧通过导气管c安装有氢气收集塔，所述氢气转化塔的底面内壁上安装有抽气泵，所述抽气泵上方氢气转化塔的内壁上安装有气孔板a，所述气孔板a上设置有镍催化剂，所述氢气转化塔的顶面内壁上安装有电热管b，所述变压吸附塔的顶部安装有泄压口，所述变压吸附塔的两侧外壁上分别安装有制冷压缩机与增压泵，所述变压吸附塔的底面内壁上安装有电热管a，所述电热管a上方位于变压吸附塔的内壁上安装有隔气板。

2.根据权利要求1所述的一种变压吸附纯化制氢装置，其特征在于：所述天然气脱硫塔的左下方外壁上安装有进气管。

3.根据权利要求2所述的一种变压吸附纯化制氢装置，其特征在于：所述导气管a、导气管b与导气管c上均安装有节气阀，其中导气管a为“Z”型管，导气管b与导气管c为直型管。

4.根据权利要求3所述的一种变压吸附纯化制氢装置，其特征在于：所述制冷压缩机的输出端穿过并延伸至变压吸附塔的内部安装有冷气出口。

5.根据权利要求4所述的一种变压吸附纯化制氢装置，其特征在于：所述抽气泵的输入端与导气管a的输出端穿过氢气转化塔连接。

6.根据权利要求5所述的一种变压吸附纯化制氢装置，其特征在于：所述变压吸附塔内设置有碳分子吸附剂，所述碳分子吸附剂采用颗粒活性炭。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种变压吸附纯化制氢装置，其特征在于：所述天然气脱硫塔、氢气转化塔、变压吸附塔和氢气收集塔的底部安装有底座。

8.根据权利要求1至6任一项所述的一种变压吸附纯化制氢装置，其特征在于：所述天然气脱硫塔、氢气转化塔、变压吸附塔和氢气收集塔的内部容积大小相等。

9.一种变压吸附纯化制氢的方法，包括使用权利要求7或8所述的变压吸附纯化制氢装置，该方法包括如下步骤：

S1、将天然气通过进气管导入天然气脱硫塔内，对天然气进行初步脱硫处理后，再将水蒸气通过进气管与天然气进行混合；

S2、打开节气阀，将混合后的气体通过导气管导入氢气转化塔内，打开电热管，提升氢气转化塔内温度于800-900摄氏度之间，在镍催化剂与高温的作用下，天然气被转化为一氧化碳、二氧化碳及氢气的混合气体；

S3、打开节气阀，将一氧化碳、二氧化碳及氢气的混合气体通过导气管输入至变压吸附塔内，打开制冷压缩机使变压吸附塔内的温度降至25摄氏度，打开增压泵使变压吸附塔内的压力升到3bar，从而碳分子吸附剂对一氧化碳、二氧化碳进行吸附；

S4、吸附完毕后，打开节气阀将提纯后的氢气通过导气管输入至氢气收集塔内进行储存；

S5、储存提纯氢气后，打开泄压口，使变压吸附塔内的压力瞬间下降，打开电热管使变压吸附塔内的温度升到50-70摄氏度之间，从而碳分子吸附剂内吸附的气体释放出来，碳分子吸附剂还原再生，供下次工作利用。