CN112265963A - 一种天然气站内制氢加氢一体化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天然气站内制氢加氢一体化系统，解决了现有的加氢机氢气供应能力有限和无法满足不同加氢需求的技术问题。本发明包括依次连接的制氢一体化反应器、气液分离器、PSA系统和包含多级高压储气罐的储氢系统，制氢一体化反应器内依次设有混合单元、转化单元、第一降温单元、变换反应单元和第二降温单元，第一降温单元和第二降温单元内分别设有第一冷却水管和第二冷却水管，冷却水管进口连接有供水系统，冷却水管出口连接有锅炉系统，从锅炉系统接出设有通向制氢一体化反应器的蒸汽发生器。本发明实现天然气站内制氢，降低了制氢成本，增加了换热水的循环利用，节约了资源与能耗，同时满足不同压力车载储氢瓶的需求。

Description

一种天然气站内制氢加氢一体化系统
技术领域
本发明属于制氢加氢系统技术领域，具体涉及一种天然气站内制氢加氢一体化系统。
背景技术
氢能作为一种二次能源，已被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。而天然气中烷烃含量极高，是氢气制备的良好原料，目前世界各地均建有为汽车提供氢能燃料的加氢机，站内氢气主要由站外长管拖车和管道运输供氢为主，经压缩机增压后储存至站内的高压储罐中为车辆加氢。而天然气站内具有大量天然气原料，同时具有成熟完整的天然气脱硫设备，在天然气站内制氢可充分利用已有的原料和设备，大大降低制氢成本。同时随着氢能新能源汽车的发展，装载70MPa车载储氢瓶汽车会成为未来新能源汽车发展的重点，而目前国内加氢机仅设有35MPa加氢设备，为此设计不同的加氢需求储气系统，也成为本行业的未来发展点。
因此，本发明提供了一种天然气站内制氢加氢一体化系统，解决现有的加氢机氢气供应能力有限和无法满足不同加氢需求的技术问题，利用天然气站内脱硫的天然气，减少了制氢程序，降低了制氢成本，制氢过程中增加了换热水的循环利用，节约了资源与能耗，同时设置多级高压储气罐，满足不同压力车载储氢瓶的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种天然气站内制氢加氢一体化系统，解决现有的加氢机氢气供应能力有限和无法满足不同加氢需求的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种天然气站内制氢加氢一体化系统包括制氢一体化反应器，从制氢一体化反应器接出的气液分离器，从气液分离器接出的PSA系统，以及储氢系统；
制氢一体化反应器内顺着制氢气流流动方向顺序分布有混合单元、转化单元、第一降温单元、变换反应单元和第二降温单元，混合单元开设有蒸汽入口和天然气入口，第一降温单元和第二降温单元内分别设有第一冷却水管和第二冷却水管，冷却水管进口连接有供水系统，冷却水管出口连接有锅炉系统，从锅炉系统接出设有蒸汽发生器，蒸汽发生器与蒸汽入口连接；
储氢系统包括缓存罐、从缓存罐接出的压缩机、一级高压储气罐和二级高压储气罐，缓存罐与PSA系统连接，压缩机设有分别与一级高压储气罐连接的一级压缩出口、与二级高压储气罐连接的二级压缩出口，一级高压储气罐和二级高压储气罐连接有加氢机。
进一步地，制氢一体化反应器设有超高温隔热外层。
进一步地，混合单元和转化单元之间设有第一超高温隔热隔层，第一超高温隔热隔层开设有连通混合单元和转化单元的混合气体入口。
进一步地，转化单元和第一降温单元之间设有第二超高温隔热隔层，第二超高温隔热隔层开设有连通转化单元和第一降温单元的转化气体入口，转化气体入口靠近第一冷却水管出口一侧分布。
进一步地，第一降温单元和变换反应单元之间设有第三超高温隔热隔层，第三超高温隔热隔层开设有连通第一降温单元和变换反应单元的冷却气体入口，冷却气体入口靠近第一冷却水管进口一侧分布。
进一步地，变换反应单元和第二降温单元之间设有第四超高温隔热隔层，第四超高温隔热隔层开设有连通变换反应单元和第二降温单元的变换气体入口，变换气体入口靠近第二冷却水管出口一侧分布。
进一步地，气液分离器设有与第二降温单元连接的进气口、与PSA系统连接的出气口、以及与锅炉系统连接的冷凝水回流口。
进一步地，缓存罐设有第一压力表、与PSA系统相连的缓存罐进气口、以及与压缩机相连的缓存罐出气口，缓存罐进气口和缓存罐出气口分别设有第一阀门和第二阀门。
进一步地，一级高压储气罐设有第二压力表、与压缩机相连的一级进气口、以及与加氢机相连的一级输气口，一级进气口、和一级输气口分别设有第三阀门和第四阀门。
进一步地，二级高压储气罐设有第三压力表、与压缩机相连的二级进气口、以及与加氢机相连的二级输气口，二级进气口和二级输气口分别设有第五阀门和第六阀门。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，解决了现有的加氢机氢气供应能力有限和无法满足不同加氢需求的技术问题，利用天然气站内脱硫的天然气，减少了制氢程序，降低了制氢成本，制氢过程中增加了换热水的循环利用，节约了资源与能耗，同时设置多级高压储气罐，满足不同压力车载储氢瓶的需求。
本发明包括制氢一体化反应器、循环水装置、PSA系统和储气系统，实现天然气站内制氢储氢加氢。脱硫完成的天然气和经蒸汽发生器形成的水蒸气同时进入制氢一体化反应器的混合单元完成充分混合，然后进入转化单元超高温催化剂下生成氢气和一氧化碳，产生的混合气体经第一降温单元降温后，进入变换反应单元高温反应生成二氧化碳，第二次混合气体经过第二降温单元再次降温后完成制氢过程，第一降温单元和第二降温单元的换热水进入锅炉系统；降温后的混合气体由气液分离器得到冷凝水，冷凝水可再次进入锅炉系统循环利用，而氢气、二氧化碳混合气体则进入PSA系统完成氢气纯化，得到大于99.99％的高纯度氢气；高纯度氢气存储于缓存罐内，然后经压缩机一级压缩后储存于一级高压储气罐中，或经压缩机一级压缩和二级压缩后储存于二级高压储气罐中，一级高压储气罐和二级高压储气罐均与加氢机相连，可同时满足不同压力车载储氢瓶的加氢需求。
本发明设置于天然气站内，可直接利用站内脱硫装置，完成天然气脱硫步骤，减少额外的投资；同时本发明的制氢一体化反应器集混合、转化、一氧化碳变换为一体装置，减少占地面积；制氢过程中的用水通过循环可重复利用，避免了水资源的浪费，同时换热后的热水进入锅炉系统，减少了水预热的能耗；提纯的氢气储存于多级高压储气罐内，满足了不同压力需求的氢气供应。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明制氢一体化反应器结构图。
图3为本发明缓存罐处放大图。
图4为本发明一级高压储气罐处放大图。
图5为本发明二级高压储气罐处放大图。
其中，附图标记对应的名称为：1-制氢一体化反应器，101-超高温隔热外层，102-第一超高温隔热隔层，103-第二超高温隔热隔层，104-第三超高温隔热隔层，105-第四超高温隔热隔层，11-混合单元，111-蒸汽入口，112-天然气入口，12-转化单元，120-混合气体入口，13-第一降温单元，130-转化气体入口，131-第一冷却水管，14-变换反应单元，140-冷却气体入口，15-第二降温单元，150-变换气体入口，151-第二冷却水管，2-气液分离器，21-进气口，22-出气口，23-冷凝水回流口，3-供水系统，4-锅炉系统，5-蒸汽发生器，6-缓存罐，61-缓存罐进气口，62-缓存罐出气口，63-第一压力表，611-第一阀门，621-第二阀门，7-一级高压储气罐，70-压缩机，701-一级压缩排气口，702-二级压缩排气口，71-一级进气口，72-一级输气口，73-第二压力表，711-第三阀门，721-第四阀门，，8-二级高压储气罐，81-二级进气口，82-二级输气口，83-第三压力表，811-第五阀门，821-第六阀门，9-加氢机，10-PSA系统。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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或者以特定的方位构造和操作，因此其不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；当然的，还可以是机械连接，也可以是电连接；另外的，还可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-5所示，本发明提供的一种天然气站内制氢加氢一体化系统，结构简单、设计科学合理，使用方便，解决了现有的加氢机氢气供应能力有限和无法满足不同加氢需求的技术问题，利用天然气站内脱硫的天然气，减少了制氢程序，降低了制氢成本，制氢过程中增加了换热水的循环利用，节约了资源与能耗，同时设置多级高压储气罐，满足不同压力车载储氢瓶的需求。
本发明包括制氢一体化反应器1，从制氢一体化反应器1接出的气液分离器2，从气液分离器2接出的PSA系统10，以及储氢系统；
制氢一体化反应器1内顺着制氢气流流动方向顺序分布有混合单元11、转化单元12、第一降温单元13、变换反应单元14和第二降温单元15，混合单元11开设有蒸汽入口111和天然气入口112，第一降温单元13和第二降温单元14内分别设有第一冷却水管131和第二冷却水管151，冷却水管进口连接有供水系统3，冷却水管出口连接有锅炉系统4，从锅炉系统4接出设有蒸汽发生器5，蒸汽发生器5与蒸汽入口111连接；
储氢系统包括缓存罐6、从缓存罐6接出的压缩机70、一级高压储气罐7和二级高压储气罐8，缓存罐6与PSA系统10连接，压缩机70设有分别与一级高压储气罐7连接的一级压缩出口701、与二级高压储气罐8连接的二级压缩出口702，一级高压储气罐7和二级高压储气罐8连接有加氢机9。
脱硫完成的天然气和经蒸汽发生器5形成的水蒸气同时进入制氢一体化反应器1的混合单元11完成充分混合，然后进入超高温的转化单元12催化剂下生成氢气和一氧化碳，产生的混合气体经第一降温单元13降温后，进入变换反应单元14高温反应生成二氧化碳，第二次混合气体经过第二降温单元15再次降温后完成制氢过程，第一降温单元13和第二降温单元15的换热水进入锅炉系统4；降温后的混合气体由气液分离器2得到冷凝水，冷凝水可再次进入锅炉系统4循环利用，而氢气、二氧化碳混合气体则进入PSA系统10完成氢气纯化，得到大于99.99％的高纯度氢气；纯度氢气存储于缓存罐6内，然后经压缩机70一级压缩后储存于一级高压储气罐7中，或经压缩机70一级压缩和二级压缩后储存于二级高压储气罐8中，一级高压储气罐7和二级高压储气罐8均与加氢机9相连，可同时满足不同压力车载储氢瓶的加氢需求。
本发明设置于天然气站内，可直接利用站内脱硫装置，完成天然气脱硫步骤，减少额外的投资；同时本发明的制氢一体化反应器1集混合、转化、一氧化碳变换为一体装置，减少占地面积；制氢过程中的用水通过循环可重复利用，避免了水资源的浪费，同时换热后的热水进入锅炉系统4，减少了水预热的能耗；提纯的氢气储存于多级高压储气罐内，满足了不同压力需求的氢气供应。
本发明所述的制氢一体化反应器1设有超高温隔热外层101，制氢一体化反应器1各单元之间分别设有第一超高温隔热隔层102、第二超高温隔热隔层103、第三超高温隔热隔层104和第四超高温隔热隔层105，超高温隔热材料采用固特节能纳米微孔隔热材料，隔热性能好，能防止不同单元之间的热交换。
本发明所述的转化单元12内设有转化管，转化管内填充有镍系催化剂，转化管采用HP-40Nb材质，Nb和W元素能提高材料的渗透性，增加温度剧变时的的抗裂性，提高了材料的高温耐性。
本发明所述的混合气体在第一降温单元13和第二降温单元15降温时，第一冷却水管131和第二冷却水管151内的冷却水与待冷却混合气体的流动方向为对流，可确保混合气体的冷却更加充分。
本发明所述的气液分离器2采用重力沉降分离器，由于气体与液体的比重不同，液体与气体一起在气液分离器2中流动时，液体受到的重力作用较大，产生一个向下的速度，气体流动方向不变，液体与气体在重力场中有分离的倾向，向下的液体附着在壁面上，汇聚在一起，通过排液口排出，实现气液的分离。分离出的冷凝水则回流至锅炉系统4，实现循环使用。
本发明所述的PSA系统10为变压吸附净化分离系统，PSA技术目前已成为分离提纯氢气的有效途径，流程简单、投资少、排量和能耗低。PSA系统10内设有多个吸附床，循环变动所组合的各吸附床的压力，达到连续分离气体混合物的目的。
本发明所述的用于储存氢气的缓存罐6、一级高压储气罐7和二级高压储气罐8均采用内胆为铝合金或高密度聚乙烯的全缠绕碳纤维复合材料储气罐，同时储气罐上还设有压力检测表、氢气泄露检测与报警系统，一级高压储气罐7最低工作压力大于或等于45MPa，二级高压储气罐8最低工作压力大于或等于90MPa。
本发明用于35MPa车载储氢瓶的加氢需求，仅用压缩机70一级压缩即可，所述的压缩机70输出45MPa的压缩氢气，由一级压缩出口701排出，储存于一级高压储气罐7内；用于70MPa车载储氢瓶的加氢需求，需用压缩机70一级压缩和二级压缩两次压缩，所述的压缩机70输出85-90MPa的压缩氢气，由二级压缩出口702排出，储存于二级高压储气罐8内。一级高压储气罐7和二级高压储气罐8均与加氢机9相连，同时满足不同压力车载储氢瓶的加氢需求。虽然目前国内70MPa车载储氢瓶还未真正装车上路，但随着氢能新能源汽车的发展，装载70MPa车载储氢瓶汽车会成为未来新能源汽车发展的重点，本发明所述的用于不同需求的多级高压储气方式也具有重要的意义。
最后应说明的是：以上各实施例仅仅为本发明的较优实施例用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，当然更不是限制本发明的专利范围；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；也就是说，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内；另外，将本发明的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种天然气站内制氢加氢一体化系统，其特征在于：包括制氢一体化反应器(1)，从制氢一体化反应器(1)接出的气液分离器(2)，从气液分离器(2)接出的PSA系统(10)，以及储氢系统；
制氢一体化反应器(1)内顺着制氢气流流动方向顺序分布有混合单元(11)、转化单元(12)、第一降温单元(13)、变换反应单元(14)和第二降温单元(15)，混合单元(11)开设有蒸汽入口(111)和天然气入口(112)，第一降温单元(13)和第二降温单元(14)内分别设有第一冷却水管(131)和第二冷却水管(151)，冷却水管进口连接有供水系统(3)，冷却水管出口连接有锅炉系统(4)，从锅炉系统(4)接出设有蒸汽发生器(5)，蒸汽发生器(5)与蒸汽入口(111)连接；
储氢系统包括缓存罐(6)、从缓存罐(6)接出的压缩机(70)、一级高压储气罐(7)和二级高压储气罐(8)，缓存罐(6)与PSA系统(10)连接，压缩机(70)设有分别与一级高压储气罐(7)连接的一级压缩出口(701)、与二级高压储气罐(8)连接的二级压缩出口(702)，一级高压储气罐(7)和二级高压储气罐(8)连接有加氢机(9)。
2.根据权利要求1所述的一种天然气站内制氢加氢一体化系统，其特征在于：制氢一体化反应器(1)设有超高温隔热外层(101)。
3.根据权利要求1所述的一种天然气站内制氢加氢一体化系统，其特征在于：混合单元(11)和转化单元(12)之间设有第一超高温隔热隔层(102)，第一超高温隔热隔层(102)开设有连通混合单元(11)和转化单元(12)的混合气体入口(120)。
4.根据权利要求1所述的一种天然气站内制氢加氢一体化系统，其特征在于：转化单元(12)和第一降温单元(13)之间设有第二超高温隔热隔层(103)，第二超高温隔热隔层(103)开设有连通转化单元(12)和第一降温单元(13)的转化气体入口(130)，转化气体入口(130)靠近第一冷却水管(131)出口一侧分布。
5.根据权利要求1所述的一种天然气站内制氢加氢一体化系统，其特征在于：第一降温单元(13)和变换反应单元(14)之间设有第三超高温隔热隔层(104)，第三超高温隔热隔层(104)开设有连通第一降温单元(13)和变换反应单元(14)的冷却气体入口(140)，冷却气体入口(140)靠近第一冷却水管(131)进口一侧分布。
6.根据权利要求1所述的一种天然气站内制氢加氢一体化系统，其特征在于：变换反应单元(14)和第二降温单元(15)之间设有第四超高温隔热隔层(105)，第四超高温隔热隔层(105)开设有连通变换反应单元(14)和第二降温单元(15)的变换气体入口(150)，变换气体入口(150)靠近第二冷却水(151)管出口一侧分布。
7.根据权利要求1所述的一种天然气站内制氢加氢一体化系统，其特征在于：气液分离器(2)设有与第二降温单元(15)连接的进气口(21)、与PSA系统(10)连接的出气口(22)、以及与锅炉系统(4)连接的冷凝水回流口(23)。
8.根据权利要求1所述的一种天然气站内制氢加氢一体化系统，其特征在于：缓存罐(6)设有第一压力表(63)、与PSA系统(10)相连的缓存罐进气口(61)、以及与压缩机(70)相连的缓存罐出气口(62)，缓存罐进气口(61)和缓存罐出气口(62)分别设有第一阀门(611)和第二阀门(621)。
9.根据权利要求1所述的一种天然气站内制氢加氢一体化系统，其特征在于：一级高压储气罐(7)设有第二压力表(74)、与一级压缩出口(701)相连的一级进气口(71)、以及与加氢机(9)相连的一级输气口(72)，一级进气口(71)、和一级输气口(72)分别设有第三阀门(711)和第四阀门(721)。
10.根据权利要求1所述的一种天然气站内制氢加氢一体化系统，其特征在于：二级高压储气罐(8)设有第三压力表(83)、与二级压缩出口(702)相连的二级进气口(81)、以及与加氢机(9)相连的二级输气口(82)，二级进气口(81)和二级输气口(82)分别设有第五阀门(811)和第六阀门(821)。
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