CN114988357A - 一种氢气生产方法及氢气生产系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种氢气生产方法及氢气生产系统，处理方法为酸性水汽提装置产生的氨气进入氨裂解反应器内进行裂解，产生混合气进入残氨脱除塔内脱除残余的氨气，将脱除氨气后的混合气进行脱水，脱水后的混合气进入变压吸附装置内，变压吸附装置将氢气以及氮气分离，生产系统包括：依次连接的酸性水汽提装置、预热器、氨裂解反应器、水冷器、残氨脱除塔、脱水器、气体压缩器以及变压吸附装置；酸性水汽提装置产生的氨气经过氨裂解反应器以及残氨脱除塔的处理后，利用变压吸附装置实现氮气以及氢气的分离，最终获得纯度高的氢气。

Description

一种氢气生产方法及氢气生产系统
技术领域
本发明涉及废气处理设备领域，特别是涉及一种氢气生产方法及氢气生产系统。
背景技术
在全球能源消费结构向清洁化、低碳化转型形势下，氢能作为本世纪最具发展潜力的清洁可再生能源，备受全球高度关注。氢能产业发展初期，国家及地方产业政策鼓励采用工业富产氢作为氢能的主要原料，我国工业副产氢气资源潜力大，主要集中在炼焦厂、炼油厂、煤化工及氯碱厂，但工业富产氢组分复杂，如炼焦行业的焦炉煤气虽然氢气含量高、数量较大，但其杂质较复杂，含有部分未净化的焦油、苯、萘、硫及其它杂质，如用作燃料电池氢气原料预处理难度较大。
炼厂酸性水主要通过双塔加压汽提、单塔加压侧线抽出汽提或流程将硫化氢与氨分出，氨通过氨水产品或精制生产液氨，因液氨量较少及销路问题，近年多采用全抽出汽提工艺，产生含氨酸性气送至克劳斯硫磺回收装置制硫炉燃烧，造成资源浪费，例如申请号为“202110702177.6”，名称为“一种高含氨酸性气与液体硫磺联合处理方法”的发明专利公开了将高含氨酸性气与液体硫磺联合进行焚烧处理，存在上述资源浪费的问题。
申请号为“201710844854.1”，专利名称为“一种含氨酸性气和废硫酸的低氮裂解工艺”的发明专利公开了利用含氨酸性气与空气在燃烧器中混合后喷入废酸焚烧炉进行燃烧，提供裂解所需的热量，然后将废硫酸与压缩空气在废酸喷枪中雾化后喷入废酸焚烧炉进行高温裂解，利用了含氨酸性气使其燃烧提供热量，但是其依旧属于将含氨酸性气燃烧处理，不能提取出其中的氢气，依据存在资源浪费的问题。
因此人们亟需一种资源利用率高的氢气生产方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种氢气生产方法及氢气生产系统，以解决上述现有技术存在的问题，通过氨裂解反应器、残氨脱除塔以及变压吸附装置，实现将酸性水汽提装置处理含氨酸性水所产生的氨气分解为氢气，实现资源化利用。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种氢气生产方法，包括以下步骤：
S1：酸性水汽提装置产生的氨气进入氨裂解反应器内进行裂解，产生具有氮气、氢气以及部分未裂解氨气的混合气；
S2：混合气进入残氨脱除塔内脱除残余的氨气，将脱除氨气后的混合气进行脱水；
S3：脱水后的混合气经过压缩后进入变压吸附装置内，变压吸附装置将氢气以及氮气分离；
S4：分离出的氢气输送至后续应用工序。
优选的，步骤S1中氨气经过预热器预热后进入到所述氨裂解反应器内，所述氨裂解反应器产生的高温混合气为所述预热器提供热量预热氨气，混合气温度降低。
优选的，步骤S2中混合气经过所述预热器换热后，再经过水冷器冷却后进入残氨脱除塔内。
本发明还提供一种上述氢气生产方法所应用的氢气生产系统，包括所述酸性水汽提装置、所述预热器、所述氨裂解反应器、所述水冷器、所述残氨脱除塔、脱水器、气体压缩器以及所述变压吸附装置，所述酸性水汽提装置的氨气出气口通过所述预热器与所述氨裂解反应器的进气口连接，所述氨裂解反应器的出气口与所述预热器的热源进口连接，所述预热器的热源出口通过所述水冷器与所述残氨脱除塔的进气口连接，所述残氨脱除塔的出气口与所述脱水器的进气口连接，所述脱水器的出气口通过所述气体压缩器与所述变压吸附装置的进气口连接。
优选的，所述残氨脱除塔的进气口位于所述残氨脱除塔的底部，出气口位于所述残氨脱除塔的顶端，所述酸性水汽提装置的出水管路与所述残氨脱除塔的顶部连接，所述残氨脱除塔的出水口位于所述残氨脱除塔的底端，且与所述酸性水汽提装置连接。
优选的，所述脱水器的出水口与所述酸性水汽提装置连接。
优选的，所述残氨脱除塔以及所述脱水器的出水管路均通过水泵与所述酸性水汽提装置连接。
优选的，所述氢气生产系统还包括厂区氢气管网、用于将氢气充装至转运车的充装设备以及火炬管网，所述厂区氢气管网与所述充装设备均与所述变压吸附装置的出氢口连接，且所述厂区氢气管网与所述充装设备并联，所述火炬管网与所述变压吸附装置的解吸气口连接。
优选的，所述充装设备包括压缩机以及充装柱，所述变压吸附装置的出氢口通过所述压缩机与所述充装柱连接。
优选的，所述氨裂解反应器的热源入口与硫磺回收单元的尾气焚烧炉的出烟口连接，所述氨裂解反应器的热源出口与烟气排放设备连接。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
1、本发明中将含氨酸性水输入至酸性水汽提装置中进行汽提，汽提产生的氨气输送至氨裂解反应器中分解产生氢气、氮气以及氨气的混合气，后续通过残氨脱除塔脱除混合气中的氨气，并利用变压吸附装置实现剩余混合气中氮气以及氢气的分离，最终获得纯度较高的氢气，实现了对含氨酸性水的资源化利用，大大提高了资源利用率，避免了直接将含氨酸性气送至制硫炉燃烧，导致资源浪费的问题。
2、本发明中在氨气进入到氨裂解反应器前对其进行预热，有利于提高裂解反应的效率，预热的能量来自于氨裂解反应器产生的混合气的热量，无需外界加热设备的介入，节省了能源，而且降低了混合气的温度，有利于提高后续残氨脱除塔的脱氨效果。
3、本发明中利用酸性水汽提装置产生的水对氨气进行吸收，而且残氨脱除塔以及脱水器的水回流到酸性水汽提装置内，实现了水资源的循环利用的同时，溶解有氨气的水再次被汽提从而从新进入氨裂解反应器内裂解，进一步提高了资源利用率。
4、本发明中利用硫磺回收单元的尾气焚烧炉为氨裂解反应器提供热量，无需额外设置单独的加热设备，进一步节省了能源的使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明氢气生产系统的结构示意图；
其中，1、酸性水汽提装置；2、预热器；3、氨裂解反应器；4、水冷器；5、残氨脱除塔；6、脱水器；7、水泵；8、气体压缩器；9、变压吸附装置；10、厂区氢气管网；11、火炬管网；12、压缩机；13、充装柱；14、尾气焚烧炉；15、余热回收系统；16、烟气排放设备。
具体实施方式
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。
本发明的目的是提供一种氢气生产方法及氢气生产系统，以解决现有技术存在的问题，通过氨裂解反应器、残氨脱除塔以及变压吸附装置，实现将酸性水汽提装置处理含氨酸性水所产生的氨气分解为氢气，实现资源化利用。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考如图1所示，提供一种氢气生产方法，包括以下步骤：
S1：含氨酸性水进入酸性水汽提装置1，经汽提产生的氨气进入氨裂解反应器3内进行裂解，由于裂解时可能存在部分氨气未裂解的情况，产生具有氮气、氢气以及部分未裂解氨气的混合气，氨裂解反应期间，通过产热设备产生热量，并通过气或液介质为氨裂解反应提供反应热；
S2：混合气进入残氨脱除塔5内脱除残余的氨气，可利用水吸收氨气或者利用吸附剂吸附氨气，将脱除氨气后的混合气进行脱水，防止水对后续处理装置造成影响；
S3：脱水后的混合气经过压缩后进入变压吸附装置9内，变压吸附装置9将氢气以及氮气分离，利用吸附剂对吸附质在不同压力下有不同的吸附容量，并且在压力状态下对被分离的气体混合物各组分又有选择性吸附的特性，在吸附剂选择吸附的条件下，加压吸附混合气中的氮气，减压后再脱出氮气，从而使混合气得以分离，同时吸附剂又获得再生；
S4：分离出的氢气输送至后续应用工序，例如输送至厂区氢气管网10或者氢气充装设备等，而脱出的氮气(含有氢气等杂质)可输送至火炬管网11进行处理。
将含氨酸性水输入至酸性水汽提装置1中，产生的氨气输送至氨裂解反应器3中分解产生氢气、氮气以及氨气的混合气，后续通过残氨脱除塔5脱除混合气中的氨气，并利用变压吸附装置9实现剩余混合气中氮气以及氢气的分离，最终获得纯度较高氢气，实现了对含氨酸性水的资源化利用，大大提高了资源利用率，避免了直接将含氨酸性气送至制硫炉燃烧，导致资源浪费的问题。
步骤S1中氨气经过预热器2预热后进入到氨裂解反应器3内，氨裂解反应器3产生的高温混合气为预热器2提供热量，混合气温度降低，在氨气进入到氨裂解反应器3前对其进行预热，有利于提高裂解反应的效率，预热的能量来自于氨裂解反应器3产生的混合气的热量，无需外界加热设备的介入，节省了能源，而且降低了混合气的温度，有利于提高后续残氨脱除塔5的脱氨效果。
步骤S2中混合气经过预热器2换热后，再经过水冷器4冷却后进入残氨脱除塔5内，大大降低混合气的温度，在水吸收脱除氨气的工艺中，降低混合气温度，氨气的溶解量提高，在吸附剂脱除工艺中，降低混合气温度有助于提高吸附剂的吸附能力，从而进一步提高参与氨气的脱氨效果。
本发明还提供一种上述氢气生产方法所应用的生产系统，包括酸性水汽提装置1、预热器2、氨裂解反应器3、水冷器4、残氨脱除塔5、脱水器6、气体压缩器8以及变压吸附装置9，酸性水汽提装置1的氨气出气口通过预热器2与氨裂解反应器3的进气口连接，氨裂解反应器3的出气口与预热器2的热源进口连接，预热器2的热源出口通过水冷器4与残氨脱除塔5的进气口连接，残氨脱除塔5的出气口与脱水器6的进气口连接，脱水器6的出气口通过气体压缩器8与变压吸附装置9的进气口连接。
预热器2可采用隔层式结构，具有内腔以及环设在内腔外的外腔，当内腔流通热流体时，外腔流通待预热流体，内腔流通待预热流体时，外腔流通热流体，氨裂解反应器3可以采用常规的双层反应釜，水冷器4可以采用常规的电脑温控水冷器4，用于控制混合气温度，残氨脱除塔5内的吸附物可选用水或者用于吸附氨气的吸附剂，脱水器6可以选用常规的气液聚结器，变压吸附装置9内的吸附剂可针对氮气的特性进行选择。
本实施例中残氨脱除塔5内的吸附物选择水，残氨脱除塔5的进气口位于残氨脱除塔5的底部，出气口位于残氨脱除塔5的顶端，酸性水汽提装置1的出水管路与残氨脱除塔5的顶部连接，残氨脱除塔5的出水口位于残氨脱除塔5的底端，且与酸性水汽提装置1连接，不仅能够实现水资源的重复利用，溶解有氨气的水再次被汽提从而从新进入氨裂解反应器3内裂解，进一步提高了资源利用率，而且顶部进水、底部进气的方式实现了对流吸附，有利于提高对氨气的吸收效果。
脱水器6的出水口与酸性水汽提装置1连接，进一步实现水的重复利用。
残氨脱除塔5以及脱水器6的出水管路均通过水泵7与酸性水汽提装置1连接，或者分别通过一个水泵7与酸性水汽提装置1连接。
本实施例中氢气生产系统还包括厂区氢气管网10、用于将氢气充装至转运车的充装设备以及火炬管网11，厂区氢气管网10与充装设备均与变压吸附装置9的出氢口连接，且厂区氢气管网10与充装设备并联，火炬管网11与变压吸附装置9的解吸气口连接，实现了氢气的再利用以及氮气的处理。
可以在厂区氢气管网10与充装设备的前端输送管路上设置阀门，进而控制氢气的走向。
充装设备包括压缩机12以及充装柱13，变压吸附装置9的出氢口通过压缩机12与充装柱13连接，氢气经压缩后储存在充装柱13内。
尾气焚烧炉14的排放烟气的温度约650～800℃，氨裂解温度350～700℃，基于管道输送的热量损失以及传热效率的影响，实际上尾气焚烧炉14的烟气是可以为氨裂解反应器3提供热量的，因此氨裂解反应器3的热源入口与硫磺回收单元的尾气焚烧炉14的出烟口连接，氨裂解反应器3的热源出口与烟气排放设备16连接，利用硫磺回收单元的尾气焚烧炉14为氨裂解反应器3提供热量，无需额外设置单独的加热设备，进一步节省了能源的使用。
可设置氨裂解反应器3的热源入口位于其上部，热源出口位于其下部，连通酸性水汽提装置1的进气口位于氨裂解反应器3下端，出气口位于氨裂解反应器3上端，这样使得尾气焚烧炉14的排放烟气与氨气逆流换热，可以提高换热效果。
由于尾气焚烧炉14的排放烟气的量是较大的，氨裂解反应器3使用一部分烟气，另一部分烟气经过余热回收系统15后经烟气排放设备16排出，氨裂解反应器3的热源出口也从烟气排放设备16排出。
在实际使用过程中，酸性水汽提装置1处理含氨酸性水后产生的的氨气经过预热器2的预热后进入到氨裂解反应器3内进行裂解反应，氨裂解反应期间，尾气焚烧炉14产生烟气为氨裂解反应提供反应热，氨裂解反应器3排出具有氮气、氢气以及部分未裂解的残余氨气的混合气，混合气在预热器2处与氨气换热降温，随后经过水冷器4进一步降温后(可调控降温至40℃)进入到残氨脱除塔5内，混合气在残氨脱除塔5内与酸性水汽提装置1产生的水接触，残余氨气溶于水中并跟随水一同回到酸性水汽提装置1内，实现残余氨气的利用，脱除残余氨气后的混合气进入到脱水器6内，脱出水分，脱出水分后的混合气通过气体压缩器8的压缩(2.1～2.3MPa)后进入到变压吸附装置9内，变压吸附装置9分离氮气和氢气，分离出的氢气进入到厂区氢气管网10中被利用，或者通过压缩机12(22MPa或30MPa)储存在充装柱13内，分离处的氮气输入火炬管网11中进行处理。
具体实例：某炼厂酸性水汽提装置规模为160t/h，其产品氨气约75kmol/h，氨分解按如下方程式进行：
2NH3＝N2+3H2-22.08kcal
若氨分解操作条件按600℃，氨裂解反应转化率氨95％考虑，此裂解反应器消耗能量786Mcal/h，约可生产混合气体146.25kmol/h，其中氢气含量为106.9kmol/h(2394.56Nm3/h)，每天生产时间按8h计算，可产氢气1710kg，可满足3个500kg/d加氢站需求，基本可以支撑一定地区氢能产业的发展。
根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种氢气生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：酸性水汽提装置产生的氨气进入氨裂解反应器内进行裂解，产生具有氮气、氢气以及部分未裂解氨气的混合气；
S2：混合气进入残氨脱除塔内脱除残余的氨气，将脱除氨气后的混合气进行脱水；
S3：脱水后的混合气经过压缩后进入变压吸附装置内，变压吸附装置将氢气以及氮气分离；
S4：分离出的氢气输送至后续应用工序。
2.根据权利要求1所述的氢气生产方法，其特征在于，步骤S1中氨气经过预热器预热后进入到所述氨裂解反应器内，所述氨裂解反应器产生的高温混合气为所述预热器提供热量预热氨气，混合气温度降低。
3.根据权利要求2所述的氢气生产方法，其特征在于，步骤S2中混合气经过所述预热器换热后，再经过水冷器冷却后进入残氨脱除塔内。
4.一种如权利要求3所述氢气生产方法所应用的氢气生产系统，其特征在于，包括所述酸性水汽提装置、所述预热器、所述氨裂解反应器、所述水冷器、所述残氨脱除塔、脱水器、气体压缩器以及所述变压吸附装置，所述酸性水汽提装置的氨气出气口通过所述预热器与所述氨裂解反应器的进气口连接，所述氨裂解反应器的出气口与所述预热器的热源进口连接，所述预热器的热源出口通过所述水冷器与所述残氨脱除塔的进气口连接，所述残氨脱除塔的出气口与所述脱水器的进气口连接，所述脱水器的出气口通过所述气体压缩器与所述变压吸附装置的进气口连接。
5.根据权利要求4所述的氢气生产系统，其特征在于，所述残氨脱除塔的进气口位于所述残氨脱除塔的底部，出气口位于所述残氨脱除塔的顶端，所述酸性水汽提装置的出水管路与所述残氨脱除塔的顶部连接，所述残氨脱除塔的出水口位于所述残氨脱除塔的底端，且与所述酸性水汽提装置连接。
6.根据权利要求5所述的氢气生产系统，其特征在于，所述脱水器的出水口与所述酸性水汽提装置连接。
7.根据权利要求6所述的氢气生产系统，其特征在于，所述残氨脱除塔以及所述脱水器的出水管路均通过水泵与所述酸性水汽提装置连接。
8.根据权利要求4所述的氢气生产系统，其特征在于，所述氢气生产系统还包括厂区氢气管网、用于将氢气充装至转运车的充装设备以及火炬管网，所述厂区氢气管网与所述充装设备均与所述变压吸附装置的出氢口连接，且所述厂区氢气管网与所述充装设备并联，所述火炬管网与所述变压吸附装置的解吸气口连接。
9.根据权利要求8所述的氢气生产系统，其特征在于，所述充装设备包括压缩机以及充装柱，所述变压吸附装置的出氢口通过所述压缩机与所述充装柱连接。
10.根据权利要求4所述的氢气生产系统，其特征在于，所述氨裂解反应器的热源入口与硫磺回收单元的尾气焚烧炉的出烟口连接，所述氨裂解反应器的热源出口与烟气排放设备连接。
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