CN114001281A - 一种氢气长输系统和组合工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于加氢、制氢领域，提供一种氢气长输系统和组合工艺。将贫氢溶剂和产氢地的氢气分别升压、并升温后送入加氢反应器，并分离得到富氢溶剂，并将所述富氢溶剂长距离运输至用氢地，再经过升压升温后送入脱氢反应器，反应产物经过分离得到混合氢气与贫氢溶剂，所述混合氢气经过提纯后得到提纯氢，贫氢溶剂则通过长距离运输送回产氢地。该工艺实现了载氢溶剂的循环利用，通过低压的加氢、脱氢反应使氢气处于稳定保存的状态，易于运输，且产生的氢气易于从系统中分离，与气体氢气或液体氢气运输方式相比，投资较低，安全性好。

Description

一种氢气长输系统和组合工艺

技术领域

本发明属于加氢、制氢领域，具体地，涉及一种氢气长输系统和组合工艺。

背景技术

在全社会对可持续发展和绿色环保的呼声日趋强烈的今天，在碳达峰，碳中和的大背景下，新型能源受到了前所未有的重视。光伏、绿电、绿氢等新能源产业也得到了国家的大力扶持和发展。

其中，绿氢的发展受到了广泛的关注，制备方法、制备成本、低成本运输等都成为了制约绿氢发展的重要环节。其中，按照输送时氢气所处状态的不同，氢气的运输方式可分为：气态氢气(GH2)输送、液态氢气(LH2)输送和固态氢气(SH2)输送。前两者将氢气加压或液化后再利用交通工具运输,是目前广泛使用的方式。固态氢气输送通过金属氢化物进行输送，迄今尚未有固态氢气输送方式。

现有技术中，高压液体氢气或普通气态氢气管道运输的投资成本很高，与管道的直径和长度有关，比天然气管道的成本高50％～80％，其中大部分成本都用于寻找合适的、安全的路线。此外例如集装格、长管拖车运输等运输量较小且不适于远距离运输，槽车、铁路等方式运输量大但投资高、设备要求高，且国内外应用很少。

CN112628602A公开了一种掺氢天然气运输分离系统及其控制方法，其特征在于将氢气与天然气混合运输，后经过提纯分离出较高纯度的氢气，但氢气体积比甲烷大，运输效率较低，且氢气与甲烷的分离难度较大。

因此，对于氢气的输送需要一种安全、可靠、便捷的运输方式以及高效、易于提纯、选择性高的氢气处理工艺。

发明内容

本发明的目的在于：在氢气产地采用贫氢溶剂进行加氢反应，用于储存氢气；储氢后的富氢溶剂可以进行安全、可靠地长距离运输；输送到目的地后通过脱氢反应产生氢气与贫氢溶剂，且易于分离；贫氢溶剂再经长距离输送返回到氢气产地；贫氢溶剂可循环利用。

为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种氢气长输系统，所述氢气长输系统设置有正向输送系统与反向输送系统；

所述正向输送系统包括贫氢溶剂进料泵、氢气压缩机、贫氢溶剂进料加热炉、加氢反应器和1#分离罐；所述贫氢溶剂进料泵和所述氢气压缩机均连接贫氢溶剂进料加热炉，然后依次连接加氢反应器和1#分离罐，所述1#分离罐顶部设置有第一气相出料管线，底部设置有富氢溶剂长输管线；

所述反向输送系统包括依次连接的富氢溶剂进料泵，富氢溶剂进料加热炉，脱氢反应器和2#分离罐，所述2#分离罐顶部连接氢气提纯单元，底部设置有贫氢溶剂长输管线；

所述富氢溶剂长输管线与所述富氢溶剂进料泵连接，所述贫氢溶剂长输管线与贫氢溶剂进料泵连接。

本发明的第二方面提供一种氢气长输组合工艺，该工艺利用上述的氢气长输系统进行，包括以下步骤：

(i)所述贫氢溶剂由贫氢溶剂进料管线送入所述贫氢溶剂进料泵内升压后与由所述氢气进料管线送入所述氢气压缩机压缩后的所述氢气产地的氢气混合，经过所述贫氢溶剂进料加热炉加热后送入所述加氢反应器；

(ii)升压加热后的所述贫氢溶剂和压缩加热后的所述氢气产地的氢气在所述加氢反应器中进行催化加氢饱和反应，得到第一反应产物进入所述1#分离罐进行气液分离，顶部分离得到的第一气相通过所述第一气相出料管线返回至所述氢气压缩机入口，底部分离得到的富氢溶剂通过所述富氢溶剂长输管线长距离输送至目的地；

(iii)在目的地将所述富氢溶剂依次通过所述富氢溶剂进料泵升压、所述富氢溶剂进料加热炉加热后送入所述脱氢反应器；

(iv)升压加热后的所述富氢溶剂在所述脱氢反应器中进行催化脱氢反应，得到第二反应产物进入所述2#分离罐进行气液分离，顶部分离得到的第二气相送入所述氢气提纯单元，分离得到提纯氢气以及尾气，所述2#分离罐底部分离得到的贫氢溶剂通过所述贫氢溶剂长输管线长距离运输送回氢气产地，循环使用。

本发明的效果是：通过本发明所采用的工艺和系统，在低压条件下进行贫氢溶剂的加氢饱和反应，达到储氢的目的，转化率＞99％，选择性＞99.9％，储氢后的富氢溶剂可以安全、高效、环保地进行长距离运输，在目的地进行低压或常压脱氢反应，产生的氢气与贫氢溶剂从系统内分离简单，纯度高，该反应的转化率＞90％，选择性＞99.8％，同时储氢后的富氢溶剂脱氢后变回贫氢溶剂，可循环进行加氢饱和反应来储氢。

该工艺实现了贫氢溶剂的循环利用，通过低压的加氢、脱氢反应使氢气处于稳定保存的状态，易于运输，且产生的氢气易于从系统中分离，与气体氢气或液体氢气运输方式相比，投资较低，安全性好。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明一种实施方式中氢气长输工艺和系统的流程示意图。

附图标记说明：

1-贫氢溶剂，2-氢气产地的氢气，3-第一管线，4-第二管线，5-反应产物I,6-第三管线，7-第一气相，8-第四管线，9-第五管线，10-反应产物II,11-第二气相，12-提纯氢气，13-尾气，PIPE1-富氢溶剂输送管线，PIPE2-贫氢溶剂输送管线，P1-贫氢溶剂进料泵，P2-富氢溶剂进料泵，K1-氢气压缩机，H1-贫氢溶剂进料加热炉，H2-富氢溶剂进料加热炉，R1-加氢反应器，R2-脱氢反应器，D1-1#分离罐，D2-2#分离罐。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。

在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指装置在正常使用状态下的上和下，例如参考图1的图面方向，“内、外”是指相对于装置轮廓而言的。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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一、第二、第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明提供一种氢气长输系统，如图1所示，所述正向输送系统包括贫氢溶剂进料泵P1、氢气压缩机K1、贫氢溶剂进料加热炉H1、加氢反应器R1和1#分离罐D1；所述贫氢溶剂进料泵P1和所述氢气压缩机K1均连接贫氢溶剂进料加热炉H1，然后依次连接加氢反应器R1和1#分离罐D1，所述1#分离罐D1顶部设置有第一气相出料管线，底部设置有富氢溶剂长输管线(PIPE1)；所述反向输送系统包括依次连接的富氢溶剂进料泵P2，富氢溶剂进料加热炉H2，脱氢反应器R2和2#分离罐D2，所述2#分离罐D2顶部连接氢气提纯单元，底部设置有贫氢溶剂长输管线PIPE2；所述富氢溶剂长输管线PIPE1与所述富氢溶剂进料泵P2连接，所述贫氢溶剂长输管线PIPE2与贫氢溶剂进料泵P1连接。

根据本发明，所述贫氢溶剂进料泵P1用于为贫氢溶剂1升压；所述氢气压缩机K1用于压缩氢气产地的氢气2；所述贫氢溶剂进料加热炉H1用于加热升压后所述贫氢溶剂1和压缩后所述氢气产地的氢气2的混合物；所述加氢反应器R1是所述贫氢溶剂1和压缩后所述氢气产地的氢气2进行加氢饱和反应的反应器；所述1#分离罐D1用于分离所述加氢饱和反应的反应产物I5；所述富氢溶剂输送管线PIPE1用于长距离输送所述富氢溶剂；所述富氢溶剂进料泵P2用于为长距离输送后的所述富氢溶剂升压；所述富氢溶剂进料加热炉H2用于加热升压后所述富氢溶剂；所述脱氢反应器R2是所述富氢溶剂进行脱氢反应的反应器；所述2#分离罐D2用于分离所述脱氢反应的反应产物II10；所述贫氢溶剂输送管线PIPE2用于长距离输送所述贫氢溶剂；所述氢气提纯单元用于提纯第二气相11。

根据本发明一种优选实施方式，所述贫氢溶剂进料泵P1，所述贫氢溶剂进料加热炉H1以及加氢反应器R1分别通过第一管线3和第二管线4依次相连；所述富氢溶剂进料泵P2，所述富氢溶剂进料加热炉H2以及所述脱氢反应器R2分别通过第四管线8和第五管线9依次相连；所述氢气压缩机K1通过第三管线6连接至所述第一管线3；所述贫氢溶剂进料泵P1连接有贫氢溶剂进料管线；所述氢气压缩机K1连接有氢气进料管线，所述第一气相出料管线连接至所述氢气进料管线。

根据本发明一种优选实施方式，所述正向输送系统与所述反向输送系统是相互独立、分别控制的。

本发明还提供一种氢气长输组合工艺，该组合工艺利用所述的氢气长输系统进行，包括以下步骤：

(i)所述贫氢溶剂1由贫氢溶剂进料管线送入所述贫氢溶剂进料泵P1内升压后与由所述氢气进料管线送入所述氢气压缩机K1压缩后的所述氢气产地的氢气2混合，经过所述贫氢溶剂进料加热炉H1加热后送入所述加氢反应器R1；

(ii)升压加热后的所述贫氢溶剂和压缩加热后的所述氢气产地的氢气2在所述加氢反应器R1中进行催化加氢饱和反应，得到第一反应产物I5进入所述1#分离罐D1进行气液分离，顶部分离得到的第一气相7通过所述第一气相出料管线返回至所述氢气压缩机K1入口，底部分离得到的富氢溶剂通过所述富氢溶剂长输管线PIPE1长距离输送至目的地；

(iii)在目的地将所述富氢溶剂依次通过所述富氢溶剂进料泵P2升压、所述富氢溶剂进料加热炉H2加热后送入所述脱氢反应器R2；

(iv)升压加热后的所述富氢溶剂在所述脱氢反应器R2中进行催化脱氢反应，得到第二反应产物II10进入所述2#分离罐D2进行气液分离，顶部分离得到的第二气相11送入所述氢气提纯单元，分离得到提纯氢气12以及尾气13，所述2#分离罐D2底部分离得到的贫氢溶剂通过所述贫氢溶剂长输管线PIPE2长距离运输送回氢气产地，循环使用。

根据本发明，所述贫氢溶剂1优选为苯、甲苯、二甲苯、乙苯、丙基苯、萘系化合物中的一种或多种的混合物，最优选为甲苯。甲苯的优点在于毒性比苯小，反应条件比萘类溶剂温和，甲苯加氢的温度低，转化率高、选择性非常高，甲基环己烷MCH脱氢反应温度较高，压力要求低，转化率、选择性非常高。

根据本发明，所述催化加氢饱和反应的压力为0～3MPa，优选为1.5～2MPa，反应温度为50～350℃，优选为100～200℃。

根据本发明，所述催化脱氢反应的反应压力为0～5MPa，优选为0～2MPa，反应温度为200～600℃，优选为300～500℃。

根据本发明，所述催化加氢饱和反应和所述催化脱氢反应的催化剂各自独立地为Ni系、Ni-Mo系、贵金属系中的一种或多种，优选为贵金属Pt系催化剂。

根据本发明，所述催化加氢饱和反应的催化剂的质量空速为1～10，优选为4～8；所述催化脱氢反应的催化剂的质量空速为1～10，优选为3～7。

下面通过实施例对本发明进行更详细的说明。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种氢气长输工艺和系统，该工艺和系统包括：所述贫氢溶剂1由贫氢溶剂进料管线送入所述贫氢溶剂进料泵P1内升压后与由所述氢气进料管线送入所述氢气压缩机K1压缩后的所述氢气产地的氢气2混合，经过所述贫氢溶剂进料加热炉H1加热后送入所述加氢反应器R1，在所述加氢反应器R1中进行催化加氢饱和反应，得到第一反应产物I5进入所述1#分离罐D1进行气液分离，顶部分离得到的第一气相7通过所述第一气相出料管线返回至所述氢气压缩机K1入口，底部分离得到的富氢溶剂通过所述富氢溶剂长输管线PIPE1长距离输送至目的地。

在目的地将所述富氢溶剂依次通过所述富氢溶剂进料泵P2升压、所述富氢溶剂进料加热炉H2加热后送入所述脱氢反应器R2，在所述脱氢反应器R2中进行催化脱氢反应，得到第二反应产物II10进入所述2#分离罐D2进行气液分离，顶部分离得到的第二气相11送入所述氢气提纯单元，分离得到提纯氢气12以及尾气13，所述2#分离罐D2底部分离得到的贫氢溶剂通过所述贫氢溶剂长输管线PIPE2长距离运输送回氢气产地，循环使用。

具体包括以下步骤：

(i)在当地炼厂A，将氢气和甲苯分别通过氢气压缩机K1和贫氢溶剂进料泵P1升压至1.6MPa后通过加热炉加热至110℃，进入加氢反应器R1进行加氢饱和反应，催化剂质量空速6.0，反应产物15经过所述1#分离罐D1分离后，得到富氢溶剂(甲基环己烷)和分离出的第一气相7，第一气相7主要为过剩的氢气，返回至氢气压缩机K1入口；

(ii)加氢饱和反应采用Pt系催化剂体系，转化率＞99％，选择性＞99.9％；

(iii)储氢后的富氢溶剂(甲基环己烷)通过富氢溶剂输送管线PIPE1运输到炼厂B，并通过富氢溶剂进料泵P2和富氢溶剂进料加热炉H2升温升压至1.0MPa，500℃，送入脱氢反应器R2进行脱氢反应，催化剂质量空速4.8，转化率＞90％，选择性＞99.8％，得到反应产物210，反应产物210主要为氢气和贫氢溶剂(甲苯)的混合物，并通过2#分离罐分离后将得到第二气相11和贫氢溶剂(甲苯)；

(iv)贫氢溶剂(甲苯)通过贫氢溶剂输送管线PIPE2送回炼厂A，循环利用；

(v)第二气相11进入所述氢气提纯单元，分离得到提纯氢气12，和尾气13。

其中输送管线温度为常温，压力约0.1～1MPa。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种氢气长输系统，其特征在于，所述氢气长输系统设置有正向输送系统与反向输送系统；

所述正向输送系统包括贫氢溶剂进料泵(P1)、氢气压缩机(K1)、贫氢溶剂进料加热炉(H1)、加氢反应器(R1)和1#分离罐(D1)；所述贫氢溶剂进料泵(P1)和所述氢气压缩机(K1)均连接贫氢溶剂进料加热炉(H1)，然后依次连接加氢反应器(R1)和1#分离罐(D1)，所述1#分离罐(D1)顶部设置有第一气相出料管线，底部设置有富氢溶剂长输管线(PIPE1)；

所述反向输送系统包括依次连接的富氢溶剂进料泵(P2)，富氢溶剂进料加热炉(H2)，脱氢反应器(R2)和2#分离罐(D2)，所述2#分离罐(D2)顶部连接氢气提纯单元，底部设置有贫氢溶剂长输管线(PIPE2)；

所述富氢溶剂长输管线(PIPE1)与所述富氢溶剂进料泵(P2)连接，所述贫氢溶剂长输管线(PIPE2)与贫氢溶剂进料泵(P1)连接。

2.根据权利要求1所述的氢气长输系统，其特征在于，所述贫氢溶剂进料泵(P1)用于为贫氢溶剂(1)升压；

所述氢气压缩机(K1)用于压缩氢气产地的氢气(2)；

所述贫氢溶剂进料加热炉(H1)用于加热升压后所述贫氢溶剂(1)和压缩后所述氢气产地的氢气(2)的混合物；

所述加氢反应器(R1)是所述贫氢溶剂(1)和压缩后所述氢气产地的氢气(2)进行加氢饱和反应的反应器；

所述1#分离罐(D1)用于分离所述加氢饱和反应的反应产物I(5)；

所述富氢溶剂输送管线(PIPE1)用于长距离输送所述富氢溶剂；

所述富氢溶剂进料泵(P2)用于为长距离输送后的所述富氢溶剂升压；

所述富氢溶剂进料加热炉(H2)用于加热升压后所述富氢溶剂；

所述脱氢反应器(R2)是所述富氢溶剂进行脱氢反应的反应器；

所述2#分离罐(D2)用于分离所述脱氢反应的反应产物II(10)；

所述贫氢溶剂输送管线(PIPE2)用于长距离输送所述贫氢溶剂；

所述氢气提纯单元用于提纯第二气相(11)。

3.根据权利要求1所述的氢气长输系统，其特征在于，所述贫氢溶剂进料泵(P1)，所述贫氢溶剂进料加热炉(H1)以及加氢反应器(R1)分别通过第一管线(3)和第二管线(4)依次相连；

所述富氢溶剂进料泵(P2)，所述富氢溶剂进料加热炉(H2)以及所述脱氢反应器(R2)分别通过第四管线(8)和第五管线(9)依次相连；

所述氢气压缩机(K1)通过第三管线(6)连接至所述第一管线(3)；

所述贫氢溶剂进料泵(P1)连接有贫氢溶剂进料管线；

所述氢气压缩机(K1)连接有氢气进料管线，所述第一气相出料管线连接至所述氢气进料管线。

4.根据权利要求1所述的氢气长输系统，其特征在于，所述正向输送系统与所述反向输送系统是相互独立、分别控制的。

5.一种氢气长输组合工艺，该组合工艺利用权利要求1-4中任意一项所述的一种氢气长输系统进行，包括以下步骤：

(i)所述贫氢溶剂(1)由贫氢溶剂进料管线送入所述贫氢溶剂进料泵(P1)内升压后与由所述氢气进料管线送入所述氢气压缩机(K1)压缩后的所述氢气产地的氢气(2)混合，经过所述贫氢溶剂进料加热炉(H1)加热后送入所述加氢反应器(R1)；

(ii)升压加热后的所述贫氢溶剂和压缩加热后的所述氢气产地的氢气(2)在所述加氢反应器(R1)中进行催化加氢饱和反应，得到第一反应产物I(5)进入所述1#分离罐(D1)进行气液分离，顶部分离得到的第一气相(7)通过所述第一气相出料管线返回至所述氢气压缩机(K1)入口，底部分离得到的富氢溶剂通过所述富氢溶剂长输管线(PIPE1)长距离输送至目的地；

(iii)在目的地将所述富氢溶剂依次通过所述富氢溶剂进料泵(P2)升压、所述富氢溶剂进料加热炉(H2)加热后送入所述脱氢反应器(R2)；

(iv)升压加热后的所述富氢溶剂在所述脱氢反应器(R2)中进行催化脱氢反应，得到第二反应产物II(10)进入所述2#分离罐(D2)进行气液分离，顶部分离得到的第二气相(11)送入所述氢气提纯单元，分离得到提纯氢气(12)以及尾气(13)，所述2#分离罐(D2)底部分离得到的贫氢溶剂通过所述贫氢溶剂长输管线(PIPE2)长距离运输送回氢气产地，循环使用。

6.根据权利要求5所述的氢气长输组合工艺，其特征在于，所述贫氢溶剂(1)为苯、甲苯、二甲苯、乙苯、丙基苯、萘系化合物、乙基咔唑，二苄基甲苯、甲酸、甲醇、吩嗪中的一种或多种的混合物，优选为甲苯。

7.根据权利要求5所述的氢气长输组合工艺，其特征在于，所述催化加氢饱和反应的压力为0～3MPa，优选为1.5～2MPa，反应温度为50～350℃，优选为100～200℃。

8.根据权利要求5所述的氢气长输组合工艺，其特征在于，所述催化脱氢反应的压力为0～5MPa，优选为0～2MPa，反应温度为100～600℃，优选为300～500℃。

9.根据权利要求5所述的氢气长输组合工艺，其特征在于，所述催化加氢饱和反应和所述催化脱氢反应的催化剂各自独立地为Ni系、Ni-Mo系、贵金属系中的一种或多种，优选为贵金属Pt系催化剂。

10.根据权利要求5所述的氢气长输组合工艺，其特征在于，所述催化加氢饱和反应的催化剂的质量空速为1～10，优选为4～8；所述催化脱氢反应的催化剂的质量空速为1～10，优选为3～7。

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