CN111453699B - 一种制氢及氢气提纯装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制氢及氢气提纯装置，主要包括制氢单元、提纯单元及存储单元，其中制氢单元包括原料输送系统、汽化区域与制氢区域，汽化区域与制氢区域通过管路连接，制氢单元用于产生含氢气的杂质气体，提纯单元包括一级提纯机构和二级提纯机构，一级提纯机构用于将气体中的水蒸气分离，二级提纯机构包括至少一个微筛组件及提纯箱，利用微筛组件对杂质气体进行二次提纯。对原料汽化重整得到含有氢气的杂质，对其通过一级提纯机构和二级提纯机构进行提纯，得到浓度较高的氢气。

Description

一种制氢及氢气提纯装置
技术领域
本发明涉及氢气制取技术领域，特别涉及一种制氢及氢气提纯装置。
背景技术
氢气作为一种可再生能源，其具有清洁、能量密度高、应用形式多等诸多优点。目前通过制氢装置所制得或生产的氢气可能具有杂质。制氢装置是将一种或多种原料转化为包含氢气作为主要组分的混合气流，在使用混合气流之前，其必需被纯化以便诸如去除至少一部分其它气体，因此在制氢装置中必需包含提高混合气流的氢纯度的氢纯设备。因此，提供先将混合气流中水蒸气分离，在对有杂质的氢气进行提纯。
发明内容
(一)发明目的
为克服上述现有技术存在的至少一种缺陷，对原料汽化重整得到含有氢气的杂质，对其通过一级提纯机构和二级提纯机构进行提纯，得到浓度较高的氢气，本发明公开了以下技术方案。
(二)技术方案
作为本发明的第一方面，本发明公开了一种制氢及氢气提纯装置，包括：制氢单元、提纯单元及存储单元；
所述制氢单元包括原料输送系统、汽化区域及制氢区域；
所述原料输送系统将制氢原料输送至所述汽化区域，所述汽化区域接收并汽化所述制氢原料，所示制氢区域接收所述汽化区域汽化的原料流，产生含氢气的杂质气体；
所述提纯单元包括一级提纯机构和二级提纯机构，所述一级提纯机构包括冷却罐、冷却管、设于冷却罐底部的出水口、设于冷却罐一侧的第一进气口、设于冷却罐顶部的第一出气口，所述冷却管与降温组件连接，所述一级提纯机构用于将气体中的水蒸气分离；
所述二级提纯机构包括至少一个微筛组件及提纯箱，所述微筛组件呈倾斜设于所述提纯箱内，所述提纯箱设有第二进气口以及第二出气口，所述第二进气口与所述第一出气口连接。
在一种可能的实施方式中，所述制氢单元还包括加热组件，所述加热组件用于调节所述汽化区域和/或所述制氢区域的温度。
在一种可能的实施方式中，所述加热组件包括燃烧器、鼓风机及点火器，所述燃烧器设置于所述制氢单元上，所述鼓风机、所述点火器与所述燃烧器连接。
在一种可能的实施方式中，所述降温组件包括降温箱体及循环泵，所述降温箱体内设有用于存储废液的回收箱、与所述回收箱连接的废液处理箱及存储冷却液的存储箱，所述循环泵与所述存储箱连接。
在一种可能的实施方式中，所述微筛组件包括氢气选择性膜、微孔筛结构及框架，所述氢气选择性膜连接于所述框架一侧，所述框架的另一侧连接所述微孔筛结构。
在一种可能的实施方式中，所述微筛组件还包括膜支架及压条，所述膜支架一侧表面设有压槽，所述压条将所述氢气选择性膜固定于所述膜支架上。
在一种可能的实施方式中，所述微孔筛结构包括包含无孔薄片，所述无孔薄片上开设有至少两个气流孔。
在一种可能的实施方式中，所述气流孔为圆形孔。
在一种可能的实施方式中，所述气流孔为细长孔。
在一种可能的实施方式中，所述无孔薄片为含不锈钢。
在一种可能的实施方式中，所述无孔薄片为含重量比例为0.8-2％的铝。
(三)有益效果
本发明公开的一种制氢及氢气提纯装置，具有如下有益效果：
1、通过一级提纯机构去除杂质气体中的水蒸气，提高氢气浓度，在通过二级提纯机构中的微筛组件进行氢气提纯，从而得到纯度较高的氢气。
2、通过降温组件对杂质气体不停的与冷却管热交换，从而将杂质气体中的水蒸气液化，从杂质气体中分离出来，提高了氢气的浓度。
3、通过氢气选择性膜以及微孔筛结构，对杂质气体中氢气进一步提取。
4、通过压条将氢气选择性膜固定在膜支架上，便于氢气选择性膜的更换。
附图说明
以下参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释和说明本发明，而不能理解为对本发明的保护范围的限制。
图1是本发明公开的一种制氢及氢气提纯装置的示意图；
图2是本发明公开的一种氢气提纯设备的三维结构示意图；
图3是本发明公开的氢气提纯设备的剖视图；
图4是本发明公开的提纯组件的剖视图；
图5是本发明公开的微筛组件的爆炸图；
图6是本发明公开的膜支架上压槽的放大图。
附图标记：1、制氢单元；11、汽化区域；12、制氢区域；2、提纯单元；3、存储单元；4、一级提纯机构；41、冷却罐；412、内腔；42、冷却管；43、出水口；44、第一进气口；45、第一出气口；46、降温组件；461、降温箱体；462、循环泵；463、回收箱；464、废液处理箱；465、存储箱；5、二级提纯机构；51、微筛组件；52、提纯箱；53、第二进气口；54、第二出气口；521、上固定条；522、下固定条；511、氢气选择性膜；512、微孔筛结构；513、框架；514、膜支架；515、压条；516、压槽；517、无孔薄片；518、气流孔；
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
需要说明的是：在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
下面参考图1-6详细描述本发明公开的一种制氢及氢气提纯装置的第一实施例。本实施例主要应用于氢气制取，对原料汽化重整得到含有氢气的杂质，对其通过一级提纯机构和二级提纯机构进行提纯，得到浓度较高的氢气。
如图1-3所示，本实施例主要包括有制氢单元1、提纯单元2及存储单元3。制氢单元1包括原料输送系统、汽化区域11及制氢区域12。其中原料输送系统为包括被配置为将一种或多种原料输送至制氢单元的一种或多种其他组分的任何合适机构。例如，原料输送系统可以包括原料罐和泵，原料罐可以包含任何合适的产氢原料，例如水和含碳原料。泵可具有输送产氢原料的任何合适的结构，可以以至少一种包含水和含碳原料的液体形式进入汽化区域。
进一步的，产氢原料可以是用作反应物以产生产物含氢气的混合气流的一种或多种流体。例如，产氢原料可以包括含碳原料，例如至少一种烃和/或醇；合适的烃类的例子包括甲烷、丙烷、天然气、柴油、煤油、汽油等；合适的醇类的例子包括甲醇、乙醇、多元醇(例如乙二醇和丙二醇)等。产氢原料还可以是含水和可与水混溶的含碳原料(例如甲醇和/或另一种水溶性醇)的混合物。在这样的原料中，水与含碳原料的比例可以根据一个或多个因素而变化，例如所使用的特定含碳原料、用户偏好、制氢区域的设计、制氢区域所使用的机理等。例如，水与碳的摩尔比可以为约1：1至3：1。此外，水和甲醇的混合物可以以1：1的摩尔比或接近1：1的摩尔比(37重量％的水，63重量％的甲醇)来递送，而烃或其他醇的混合物可以以水与碳的摩尔比大于1：1来递送。
汽化区域11接收并汽化至少一部分含液体的原料，例如，汽化区域11可包括构造成至少部分地转化液体的汽化器。含蒸汽的原料变成一个或多个蒸气原料。在一些实施方案中，蒸气原料可以包括液体。合适的蒸发器的一个例子是盘管蒸发器，例如盘绕不锈钢管。
制氢区域12可以包括任何合适的结构，该结构构造成接收一种或多种进料流，例如来自汽化区的蒸气原料，以产生一种或多种包含氢气作为主要成分的原料，以及其他气体。制氢区域12可以通过任何合适的机制来产生输出流。例如，制氢区域12可以经由蒸汽重整反应产生输出流。制氢区域12可包括蒸汽重整区，其具有被配置为促进和/或促进蒸汽重整反应的重整催化剂。当制氢区域经由蒸汽重整反应产生输出流时，制氢单元可以被称为“蒸气重整氢产生组件”，并且输出流可以被称为“重整流”。
提纯单元2包括一级提纯机构4和二级提纯机构5，一级提纯机构4包括冷却罐41、冷却管42、设于冷却罐41底部的出水口43、设于冷却罐41一侧的第一进气口44、设于冷却罐41顶部的第一出气口45，冷却管42与降温组件46连接，一级提纯机构4用于将气体中的水蒸气分离；
具体的，冷却罐41内设置内腔412，冷却罐41的一侧设有第一进气口44，第一进气口44与制氢装置通过管道连接，用于接收含有氢气的杂质气体。冷光管的进口端与降温组件46连接，且冷却管42的进口端设于冷却罐41一侧，靠近冷却罐41底部，冷却管42贯穿冷却罐41壁在冷却罐41内腔412中呈蛇形围绕冷却罐41的轴线螺旋分布，冷却管42的出口端从冷却罐41顶部贯穿，于降温组件46连接，通过降温组件46将冷却液输送至冷却管42中，冷却管42中的冷却液将杂质气体中的水蒸气分离出。冷却罐41下方设有内腔412的锥台，锥台底部开设有出水口43，用于排除液体。通过杂质气体不停的与冷却管42热交换，杂质气体中的水蒸气将液化分离出来，提高杂质气体中氢气的浓度，便于后续提纯加工。
进一步，冷却液是任何一种可以进行热交换的液体。
二级提纯机构5包括至少一个微筛组件51及提纯箱52，微筛组件51呈倾斜设于提纯箱52内，提纯箱52设有第二进气口53以及第二出气口54，第二进气口53与第一出气口45连接。
具体的，提纯箱52为含有内腔412的长方形，在提纯箱52的一侧壁中心位置设有第二进气口53，第二进气口53与第一进气孔通过管道连接，与设有第二进气口53相对的侧壁中心位置设有第二出气口54，第二出气口54与存储罐通过管道连接。
提纯箱52的内腔412的上顶面均匀间隔设置有上固定条521，下底面均匀设置有与上顶面数量相同并交错设置的下固定条522，微筛组件51卡接在相邻的上固定条521与下固定条522之间，且微筛组件51沿提纯箱52长度方向上均匀设置有多个，该微筛组件51与提纯箱52底面呈一定角度，进而使其杂质气体与微筛组件51接触面积增大，杂质气体多次经过微筛组件51，使其得到纯度更高的氢气。
提纯单元2将制氢单元1生产的杂质气体中的氢气浓度提高后，并将含纯度较到的氢气存储至存储单元3中，以供使用。
在一种实施方式中，制氢单元还包括加热组件，该加热组件用于调节温度。
加热组件可以包括构造成产生至少一个加热的排气流以加热制氢单元的一种或多种其他组分的任何合适的结构。例如，加热组件可以将汽化区域加热到任何合适的温度。例如，至少最低蒸发温度或至少一部分含液体原料被蒸发以形成蒸气原料的温度。另外地或可替代地，加热组件可以将制氢区域加热到任何合适的温度，例如至少最低的氢气产生温度或至少一部分蒸气原料反应以产生氢气的形成输出的温度。加热组件可以与制氢单元的一个或多个部件热连通，例如汽化区域和/或制氢区域。
在一种实施方式中，加热组件包括燃烧器、鼓风机和点火器。
加热组件可以包括燃烧器，至少一个鼓风机和点火器。燃烧器可以包括构造成接收至少一个气流和至少一个燃料流并且在燃烧区域内燃烧至少一种燃料流以产生加热的排气流的任何合适的结构。燃料流可以由原料输送系统提供。燃烧区域可以包含在氢气产生组件的外壳内。鼓风机可以包括构造成产生气流的任何合适的结构。点火器可以包括构造成点燃燃料流的任何合适的结构。
如图3所示，在一种实施方式中，降温组件46包括降温箱体461及循环泵462，降温箱体461内设有用于存储废液的回收箱463、与回收箱463连接的废液处理箱464及存储冷却液的存储箱465，循环泵462与存储箱465连接，本申请中，进行完热交换的冷却液称为废液。
冷却管42的进口端与循环泵462连接，出口端与回收箱463连接，循环泵462将存储箱465中的冷却箱输送至冷却管42中，冷却罐41中的杂质气体与冷却管42热交换，进而将杂质气体中的水蒸气将液化分离出来，使用过的冷却液输送至回收箱463中，进行存储。
回收箱463、废液处理箱464与存储箱465依次通过管道连接，废液处理箱464将回收箱463中的废液进行处理，得到新的冷却液，并将冷却液输送至存储箱465中，废液处理箱464将使用过的冷却液进行处理，实现循环使用。
如图4所示，在一种实施方式中，微筛组件51包括氢气选择性膜511、微孔筛结构512及框架513，氢气选择性膜511连接于框架513一侧，框架513的另一侧连接微孔筛结构512。
框架513的大小取决于上固定条521与下固定条522之间的距离，框架513的一侧连接有氢气选择性膜511，氢气选择性膜511的大小可以完全覆盖框架513的侧面，框架513另一侧连接微孔筛结构512。微筛组件51中的氢气选择性膜511先对杂质气体进行渗透，得到纯度较高的氢气，而后微孔筛结构512对该氢气进行筛选，进而得到纯度最高的氢气。
进一步，氢气选择性膜511可透过氢气，但至少基本上不可透过杂质气体中的其他成分，膜可由适合在操作环境和参数中使用的任何氢气可以可透过材料形成。
进一步，膜的适合材料选用钯和钯合金，这种金属和金属合金的薄膜，特别是具有重量％至重量％的钯。
进一步，微筛组件51可以涂覆有有助于扩散结合的金属或中间结合层的薄层。例如，镍、铜、银、金或其他金属的薄涂层，适合于固态扩散键合，但不会在低于或等于700℃的温度下熔化并进入液相，并且扩散到氢气选择性膜511中后，在低于或等于700℃的温度下形成低熔点合金。可以通过将中间粘结层的薄涂层的合适的沉积工艺(例如，电化学镀，气相沉积，溅射等)施加到微筛组件51的表面上，从而将金属薄层施加到微筛组件51上，并与氢气选择性膜511接触。
如图5和图6所示，在一种实施方式中，微筛组件51还包括膜支架514及压条515，膜支架514一侧表面设有压槽516，压条515将氢气选择性膜511固定于膜支架514上。
进一步的，膜支架514呈回字形，嵌入框架513一侧，用于将氢气选择性膜511固定在框架513上。膜支架514的一侧表面上设有回形压槽516，回形压槽516内设有与回形压槽516形状、宽度相等的压条515，将氢气选择性膜511覆盖在设有压槽516一侧的膜支架514上，将压条515嵌入至压槽516中，从而将氢气选择性膜511固定在膜支架514上。
进一步，回形压槽516的转角位置均采用圆角设计。
进一步，膜支架514两侧分别可拆卸固定有氢气选择性膜511。
在一种实施方式中，微孔筛结构512包括包含无孔薄片517，无孔薄片517上开设有至少两个气流孔518，形成穿孔区域，无孔薄片517上的开设的气流孔518为不连接或间隔开设。
进一步的，气流孔518可以包括任何合适的图案、形状和/或尺寸。
在一种实施方式中，气流孔518可以形成有一个或多个图案，该图案使组合的气流孔518面积最大化。气流孔518可以是的圆形孔、细长孔、椭圆形、六边形，三角形，正方形，矩形，八边形和/或其他合适的形状。在穿孔区域中的气流孔518孔可以是单个一致的形状。也可以是一个或多个穿孔区域中的气流孔518可以是两个或更多个不同形状的任何合适的组合。气流孔518可以是任何合适的尺寸。例如，当孔是圆形孔时，直径的范围可以从大约0.07毫米到大约0.5毫米。另外，当气流孔518为椭圆形时，椭圆形的圆形末端的半径可以在0.02毫米至约0.2毫米的范围内，并且椭圆形的长度可以高达半径的十倍。
在一些实施例中，一个或多个穿孔区域中的气流孔518可以是单个一致的尺寸。也可以是，一个或多个穿孔区域中的气流孔518可以是两个或更多个不同尺寸的任何合适的组合。
进一步，可以通过电化学蚀刻、激光钻孔和其他机械成型工艺(例如冲压或模切)在无孔平薄片上形成气流孔518。
进一步，无孔薄片517可以具有任何合适的厚度，例如在100微米至约200微米之间。
在一种实施方式中，无孔薄片517为含重量比例为0.8-2％的铝。
进一步的，无孔薄片517可以包括任何合适的材料。例如，无孔薄片517可以包括不锈钢。不锈钢可以包括300系列不锈钢(例如，不锈钢303(铝改性)，不锈钢304等)，400系列不锈钢，17-7PH，14-8PH和/或15-7PH值。
在一些实施例中，不锈钢可包括约0.8重量％至约2重量％的铝。
在一些实施例中，无孔薄片517可以包括碳钢，铜或铜合金，铝或铝合金，镍，镍铜合金和/或镀有银，镍和/或铜的贱金属。贱金属可包括碳钢或上述一种或多种不锈钢。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种制氢及氢气提纯装置，其特征在于，包括：制氢单元(1)、提纯单元(2)及存储单元(3)；
所述制氢单元(1)包括原料输送系统、汽化区域(11)及制氢区域(12)；
所述原料输送系统将制氢原料输送至所述汽化区域(11)，所述汽化区域(11)接收并汽化所述制氢原料，所示制氢区域(12)接收所述汽化区域(11)汽化的原料流，产生含氢气的杂质气体；
所述提纯单元(2)包括一级提纯机构(4)和二级提纯机构(5)，所述一级提纯机构(4)包括冷却罐(41)、冷却管(42)、设于冷却罐(41)底部的出水口(43)、设于冷却罐(41)一侧的第一进气口(44)、设于冷却罐(41)顶部的第一出气口(45)，所述冷却管(42)与降温组件(46)连接，所述一级提纯机构(4)用于将气体中的水蒸气分离；所述降温组件(46)包括降温箱体(461)及循环泵(462)，所述降温箱体(461)内设有用于存储废液的回收箱(463)、与所述回收箱(463)连接的废液处理箱(464)及存储冷却液的存储箱(465)，所述循环泵(462)与所述存储箱(465)连接；
所述二级提纯机构(5)包括至少一个微筛组件(51)及提纯箱(52)，所述微筛组件(51)呈倾斜设于所述提纯箱(52)内，所述提纯箱(52)设有第二进气口(53)以及第二出气口(54)，所述第二进气口(53)与所述第一出气口(45)连接；所述微筛组件(51)包括氢气选择性膜(511)、微孔筛结构(512)及框架(513)，所述氢气选择性膜(511)连接于所述框架(513)一侧，所述框架(513)的另一侧连接所述微孔筛结构(512),所述微筛组件(51)还包括膜支架(514)及压条(515)，所述膜支架(514)一侧表面设有压槽(516)，所述压条(515)将所述氢气选择性膜(511)固定于所述膜支架(514)上。
2.如权利要求1所述的提纯装置，其特征在于，所述制氢单元(1)还包括加热组件，所述加热组件用于调节所述汽化区域(11)和/或所述制氢区域(12)的温度。
3.如权利要求2所述的提纯装置，其特征在于，所述加热组件包括燃烧器、鼓风机及点火器，所述燃烧器设置于所述制氢单元上，所述鼓风机、所述点火器与所述燃烧器连接。
4.如权利要求1所述的提纯装置，其特征在于，所述微孔筛结构(512)包括包含无孔薄片(517)，所述无孔薄片(517)上开设有至少两个气流孔(518)。
5.如权利要求4所述的提纯装置，其特征在于，所述气流孔(518)为圆形孔。
6.如权利要求4所述的提纯装置，其特征在于，所述无孔薄片(517)为含不锈钢。
7.如权利要求4所述的提纯装置，其特征在于，所述无孔薄片(517)为含重量比例为0.8-2％的铝。
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