CN114148990B - 一种具有复合缓冲罐的变压吸附制氢系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有复合缓冲罐的变压吸附制氢系统，属于气体分离领域，解决现有技术中变压吸制氢系统缓冲罐数量多、阀门仪表布置分散造成的装置占地面积大，安装费用高以及不易成撬的技术问题。本发明提供的一种具有复合缓冲罐的变压吸附制氢系统，包括由阀门、仪器仪表和连接管道组成的控制切换模块，以及分别与控制切换模块相连接的吸附模块和缓冲模块；控制切换模块连接有原料气输送管、解吸气外输管和产品气外输管。本发明通过将变压吸附系统划分为功能独立的三个模块：控制切换模块、吸附模块和缓冲模块，各模块实现内部优化布局，从而减少占地，便于变压吸附装置的撬块化。

Description

一种具有复合缓冲罐的变压吸附制氢系统

技术领域

本发明型属于气体分离领域，具体涉及一种具有复合缓冲罐的变压吸附制氢系统。

背景技术

氢能是世界公认的清洁能源，世界各国均积极布局氢能产业发展战略。近年来，我国也在持续加大对氢能产业发展的政策引导和支持力度，提出将“氢能与燃料电池”作为战略任务、新兴产业，未来将重点大力发展。《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》指出，氢能将成为中国能源体系的重要组成部分。预计到2050年，氢能在我国终端能源体系中的占比约为10％，氢气需求量接近6000万t，其中交通运输领域用氢2458万t。

变压吸附制氢技术是利用吸附剂对氢气与其他气体组分吸附性能的差异，通过压力的变化实现氢气的分离与提纯的技术，经过几十年的发展，变压吸附制氢技术也日趋完善，并逐步成为主要的规模化氢气提纯技术。随着变压吸附技术的发展，变压吸附制氢的工艺也在不断的优化，为了减少顺放时间，提升冲洗效率专利CN1298410C设置了两个顺放气缓冲罐；为了增加氢气回收率需要增加均压次数，专利CN 111282397 A设置了多个均压气体缓冲罐；另外，为了保证解吸气的稳定，一般还需要设置两个解吸气缓冲罐，对于产品气需要继续升压的变压吸附制氢装置还需要设置产品气缓冲罐。

变压吸附制氢装置众多的缓冲罐造成了装置占地面积大，安装费用高。另外，变压吸附装置需要配置多台程控阀门、调节阀门以及其他测量仪表，这些阀门及仪表在现场分散布置，以便与最近的设备连接，从而使得常规变压吸附装置阀门区占地较大，一般变压吸附装置的阀门及仪表区的占地比设备区的占地还要大，图1是某传统变压吸附制氢装置的平面布置图。专利CN212974644U公布了一种变压吸附撬块化方法，为了减小阀门区占地，将程控阀由水平安装调整为垂直安装，然而垂直安装只适合角座阀，而角座阀的通径范围较小，最大的通径只有DN80，而且阀门的压力等级较低，常规角座阀最高压力等级只有PN25，因此该专利方法不适合应用范围更广的常规变压吸附制氢。

由于常规变压吸附装置的缓冲罐数量多、阀门仪表分散布置，造成常规变压吸附装置占地面积大，施工费用高，不易成撬，为了解决这一技术问题，本专利提出一种具有复合缓冲罐的变压吸附制氢系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种具有复合缓冲罐的变压吸附制氢系统，解决现有变压吸制氢系统缓冲罐数量多、阀门仪表布置分散造成的装置占地面积大，安装费用高以及不易成撬的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供的一种具有复合缓冲罐的变压吸附制氢系统，包括由阀门、仪器仪表和连接管道组成的控制切换模块，以及分别与控制切换模块相连接的吸附模块和缓冲模块；控制切换模块连接有原料气输送管、解吸气外输管和产品气外输管。

本发明通过将变压吸附系统划分为功能独立的三个模块：控制切换模块、吸附模块和缓冲模块，各模块实现内部优化布局，从而减少占地，便于变压吸附装置的撬块化。

本发明的部分技术方案中，吸附模块包括有N个吸附塔，并且N为≥2的正整数。

本发明的部分技术方案中，控制切换模块与吸附模块之间通过2N根吸附管道相连接。

本发明的部分技术方案中，缓冲模块为复合缓冲罐，复合缓冲罐内由M个独立缓冲空间组成，M为≥2的正整数。

本发明的部分技术方案中，控制切换模块与缓冲模块之间通过缓冲管道相连接。

本发明的部分技术方案中，复合缓冲罐内两个相邻独立缓冲空间之间通过椭球形或球形的隔板隔开，椭球形或球形隔板凸向压力低的独立缓冲空间。

本发明的部分技术方案中，复合缓冲罐内每一个独立缓冲空间的上端有朝向上方的椭球形或球形隔板。

本发明的部分技术方案中，复合缓冲罐内每一个独立缓冲空间的下端有朝向下方的椭球形或球形隔板。

本发明的部分实施方案中，复合缓冲罐内包括有两个均压气缓冲区、一个顺放气缓冲区，一个逆放气缓冲区，一个解吸气混合区。

本发明的另一个实施方案中，复合缓冲罐内还包括有产品氢气缓冲区。

本发明的部分技术方案中，控制切换模块中阀门、仪器仪表和连接管道分别竖向分层立体分布于一个撬块内。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明设计科学，构思巧妙，占地面积小。本发明将分散的各种缓冲罐集中为复合缓冲罐，从而减少了缓冲罐数量，减少了占地和投资，缓冲的占地面积减少至原来的1/6～1/3。

本发明将变压吸附系统划分为三个独立的模块，实现各模块内部布局优化；吸附塔的布置更加灵活；控制切换模块的阀门仪表立体布置于一个撬块内，更加紧凑。

本发明将控制切换模块的阀门仪表分层立体布置，大幅降低了阀门及仪表区域的占地面积，成撬后的切换及控制模块的占地仅有传统变压吸附系统阀门及仪表区域的1/2～1/4。

附图说明

图1为现有技术的变压吸附制氢装置的平面布置图。

图2为实施例1的变压吸附制氢系统结构示意图，其部分缓冲部分有凸向上方的封头和凸向下方的封头。

图3为实施例1的变压吸附制氢系统结构示意图，其每一缓冲部分均有凸向上方的封头和凸向下方的封头。

图4为实施例2的结构示意图。

图5为控制切换模块2结构示意图。

图6为实施例1的撬块平面布置图。

图7为实施例2的撬块平面布置图。

其中，附图标记对应的名称为：2-控制切换模块，1-吸附模块，3-缓冲模块，4-原料气输送管，5-解吸气外输管，6-产品气外输管，7-吸附塔，8-吸附管道，9-缓冲管道。

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。

如图2-7所示，本发明提供的一种具有复合缓冲罐的变压吸附制氢系统，包括由阀门、仪器仪表和连接管道组成的控制切换模块2，以及分别与控制切换模块2相连接的吸附模块1和缓冲模块3；控制切换模块2连接有原料气输送管4、解吸气外输管5和产品气外输管6。

吸附模块1包括有N个吸附塔7，并且N为≥2的正整数。控制切换模块2中阀门、仪器仪表和连接管道分别竖向分层立体分布于一个撬块内。控制切换模块2与吸附模块1之间通过2N根吸附管道8相连接。

缓冲模块3为复合缓冲罐，复合缓冲罐内由M个独立缓冲空间组成，M为≥2的正整数。控制切换模块2与缓冲模块3之间通过缓冲管道9相连接。

复合缓冲罐内两个相邻独立缓冲空间之间通过椭球形或球形的隔板隔开，椭球形或球形隔板凸向压力低的独立缓冲空间。复合缓冲罐内每一个独立缓冲空间的上端有朝向上方的椭球形或球形隔板。复合缓冲罐内每一个独立缓冲空间的下端有朝向下方的椭球形或球形隔板。

优选地，复合缓冲罐内包括有两个均压气缓冲区、一个顺放气缓冲区，一个逆放气缓冲区，一个解吸气混合区。

进一步优选地，复合缓冲罐内还包括有产品氢气缓冲区。

实施例1

本实施例提供了一种变压吸附制氢系统，如图2、3、5和6所示。变压吸附制氢系统由三个模块组成，吸附模块1、控制切换模块2和缓冲模块3。其中吸附模块1包括A1～A4共4个吸附塔；缓冲模块3由复合缓冲罐组成，复合缓冲罐由D1～D5共5个独立的缓冲空间组成；控制切换模块2由阀门、仪器仪表及连接管道组成。控制切换模块2的阀门及仪表为三层立体布置，如图4所示，第一层为吸附塔的入口相关阀门及变压吸附原料系统和解吸系统的阀门及仪表区，第二层为吸附塔的出口相关阀门及变压吸附产品氢系统的阀门及仪表区，第三层为安全阀等仪器仪表区。

吸附模块1与控制切换模块2之间通过管道吸附管道8(B1～B8)连通，缓冲模块3与控制切换模块2之间通过缓冲管道9(X1～X9)连通。

吸附模块1完成氢气的提纯，缓冲模块3完成中间过程气体的缓冲，控制切换模块完2成对吸附模块1及缓冲模块2的控制。原料气从控制切换模块2进入系统，产品气和解吸气从控制切换模块2离开系统。

复合缓冲罐的D1部分和D2部分为均压气缓冲区，其中D1部分的压力高于D2部分的压力，D3部分为顺放气缓冲区，D5部分为逆放气缓冲区，D4部分为解吸气混合区。

D1与控制切换模块2通过缓冲管道X1连通，用以实现D1缓冲区的进气、出气。

D2与控制切换模块2通过缓冲管道X2连通，用以实现D2缓冲区的进气、出气。

D3与控制切换模块2通过缓冲管道X3、X9连通，其中一条缓冲管道用于向D3缓冲区输入气体，另一条用于将D3缓冲区的气体输出。

D4与控制切换模块2通过缓冲管道X4、X7、X8连通，其中两条管道用于向D4缓冲区输入不同的解吸气，另一条用于将D4缓冲区中混合后的气体输出。

D5与控制切换模块2通过缓冲管道X5、X6连通，其中一条缓冲管道用于向D5缓冲区输入气体，另一条用于将D5缓冲区的气体输出。

当复合缓冲罐的部分缓冲部分有凸向上方的封头和凸向下方的封头时，其结构示意图如图2所示。

当复合缓冲罐的每一缓冲部分均有凸向上方的封头和凸向下方的封头时，其结构示意图如图3所示。

吸附塔模块的4个吸附塔正方形紧凑布置于吸附塔撬；控制切换模块2单独成撬；复合缓冲罐2单独成撬；三个撬块共同构成变压吸附制氢工业撬块。整个撬块平面布置如图6所示，撬块的占地面积不足常规布置的1/3。

实施例2

本实施例提供了一种变压吸附制氢系统，如图4、5、7所示。变压吸附制氢系统由三个模块组成，吸附模块1、控制切换模块2和缓冲模块3。其中吸附模块1由A1～A4共4个吸附塔组成；缓冲模块3由2个复合缓冲罐组成，复合缓冲罐由D1～D6共6个独立的缓冲空间组成；控制切换模块2由阀门、仪器仪表及连接管道组成。

控制切换模块2的阀门及仪表为三层立体布置，如图5所示，第一层为吸附塔入口相关阀门及变压吸附原料系统和解吸系统的阀门及仪表区，第二层为吸附塔出口相关阀门及变压吸附产品氢系统的阀门及仪表区，第三层为安全阀等仪器仪表区。

吸附模块1与控制切换模块2之间通过吸附管道8(B1～B8)连通，缓冲模块3与控制切换模块2之间通过缓冲管道9(X1～X11)连通。吸附模块1完成氢气的提纯；缓冲模块3完成中间过程气体的缓冲，控制切换模块2完成对吸附模块1及缓冲模块3的控制。原料气从控制切换模块2进入系统，产品气和解吸气从控制切换模块2离开系统。

复合缓冲罐的D1部分和D2部分为均压气缓冲区，其中D1部分的压力高于D2部分的压力，D3部分为顺放气缓冲区，D5部分为逆放气缓冲区，D4部分为解吸气混合区，D6部分为产品氢气缓冲区。

D1与控制切换模块2通过缓冲管道X10连通，用以实现D1缓冲区的进气、出气。

D2与控制切换模块2通过缓冲管道X9连通，用以实现D2缓冲区的进气、出气。

D3与控制切换模块2通过缓冲管道X1、X7连通，其中一条缓冲管道用于向D3缓冲区输入气体，另一条用于将D3缓冲区的气体输出。

D4与控制切换模块2通过缓冲管道X2、X5、X6连通，其中两条管道用于向D4缓冲区输入不同的解吸气，另一条用于将D4缓冲区中混合后的气体输出。

D5与控制切换模块2通过缓冲管道X3、X4连通，其中一条缓冲管道用于向D5缓冲区输入气体，另一条用于将D5缓冲区的气体输出。

D6与控制切换模块2通过缓冲管道X8、X11连通，其中一条缓冲管道用于向D6缓冲区输入气体，另一条用于将D6缓冲区的气体输出。

复合缓冲罐可以设置为部分缓冲部分有凸向上方的封头和凸向下方的封头时(如附图4所示)；也可以设置为每一缓冲部分均有凸向上方的封头和凸向下方的封头。

吸附塔模块的4个吸附塔正方形紧凑布置于吸附塔撬；控制切换模块2单独成撬；2个复合缓冲罐单独成撬；三个撬块共同构成变压吸附制氢工业撬块。整个撬块平面布置如图7所示，撬块的占地面积接近常规布置的1/3。

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 (5)

1.一种具有复合缓冲罐的变压吸附制氢系统，其特征在于，包括由阀门、仪器仪表和连接管道组成的控制切换模块(2)，以及分别与控制切换模块(2)相连接的吸附模块(1)和缓冲模块(3)；控制切换模块(2)连接有原料气输送管(4)、解吸气外输管(5)和产品气外输管(6)；

吸附模块(1)包括有N个吸附塔(7)，并且N为≥2的正整数；

缓冲模块(3)为复合缓冲罐，复合缓冲罐内由M个独立缓冲空间组成，M为≥2的正整数；复合缓冲罐内两个相邻独立缓冲空间之间通过椭球形或球形的隔板隔开，椭球形或球形隔板凸向压力低的独立缓冲空间；

控制切换模块(2)中阀门、仪器仪表和连接管道分别竖向分层立体分布于一个撬块内。

2.根据权利要求1所述的一种具有复合缓冲罐的变压吸附制氢系统，其特征在于，控制切换模块(2)与吸附模块(1)之间通过2N根吸附管道(8)相连接。

3.根据权利要求1所述的一种具有复合缓冲罐的变压吸附制氢系统，其特征在于，控制切换模块(2)与缓冲模块(3)之间通过缓冲管道(9)相连接。

4.根据权利要求1所述的一种具有复合缓冲罐的变压吸附制氢系统，其特征在于，复合缓冲罐内每一个独立缓冲空间的上端有朝向上方的椭球形或球形隔板。

5.根据权利要求4所述的一种具有复合缓冲罐的变压吸附制氢系统，其特征在于，复合缓冲罐内每一个独立缓冲空间的下端有朝向下方的椭球形或球形隔板。

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