CN115823824A - 焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统，包括：用于对焦炉煤气增压、预冷及脱硫脱碳处理的预处理系统、用于去除焦炉煤气中的重碳氢化合物并将氢气分离出来的分离提纯系统、用于液化氢气的液化系统。本发明的优点是：通过对成分复杂的焦炉煤气进行脱硫脱碳、分离提纯，然后将分离出来氢液化形成液氢产品，从而实现焦炉煤气中氢气提纯、并实现就地液化充装。并且分离提纯液化过程不依赖外界制冷系统，只依靠焦炉煤气自身介质实现，这大大节约了能耗，从而有效降低焦炉煤气中氢提纯液化的成本。

Description

焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统
技术领域
本发明涉及氢的提纯及氢液化设备技术领域，尤其是涉及焦炉煤气中氢的提纯及液化系统。
背景技术
氢的制取与储运是氢能开发利用的首要环节。当前我国氢能利用的主要特点是“就地生产，就地消费”，全生命周期商业化应用中诸如制取、储运、应用等各环节还不够成熟，而储运是其中的瓶颈环节。
目前氢常见的储运方式有高压气态储氢及液态储氢。高压气态储氢技术相对成熟，但其储氢密度低：一个充气压力为15 MPa 的标准高压钢瓶内储氢的重量仅约为1%。因而，近年来研究人员把目光转向了液态储氢方式，液氢在常压下的密度为70.9 kg /m3，相当于70 MPa 氢气密度的1.8 倍，车载液氢瓶的存储密度可达到6.67%。
焦炉煤气是焦炉干馏煤时产生的挥发性气体，主要成分包括：氢气（体积占比55%~60%）、甲烷（体积占比23%~25%）、CnHm（体积占比1.5~3.0%）、CO（体积占比5.5~7%）、O2(体积占比0.4~0.8%)、N2（体积占比3.5~5%）、CO2（体积占比1.2~2.5%）及H2S（体积占比0~1.2%）等。
因此，解决从产量大、经济性好的焦炉煤气中提纯氢气，并就地实现氢气液化充装的技术问题，具有迫切的现实意义。
发明内容
本发明的目的是：提供一种焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统，其通过对成分复杂的焦炉煤气进行脱硫脱碳、分离提纯，然后将分离出来氢液化形成液氢产品，从而实现焦炉煤气中氢气提纯、并实现就地液化充装。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统，包括：用于对焦炉煤气增压、预冷及脱硫脱碳处理的预处理系统、用于去除焦炉煤气中的重碳氢化合物并将氢气分离出来的分离提纯系统、用于液化氢气的液化系统，分离提纯系统包括：第一换热器、第一气液分离器、第二换热器、第二气液分离器、冷凝精馏塔；每个换热器中均设置有焦炉煤气通路和换热器冷却介质通路，两个换热器中的换热器冷却介质通路相连通；经预处理系统预处理后的焦炉煤气经第一换热器的焦炉煤气通路输入端进入第一换热器，第一换热器中的焦炉煤气通路输出端连接至第一气液分离器，第一气液分离器的气体输出端与第二换热器的焦炉煤气通路输入端连通，第二换热器的焦炉煤气通路输出端与第二气液分离器连通，第二气液分离器的气体输出端与冷凝精馏塔连通。
冷凝精馏塔内的底部设置贮液槽，冷凝精馏塔上设置有分别与贮液槽相连通的冷凝液体输出管和冷凝回流管，冷凝精馏塔的顶部设置精馏塔氢气输出管，冷凝液体输出管与第二换热器的换热器冷却介质通路输入端连接，冷凝回流管连接至冷凝精馏塔的顶部，冷凝回流管上设置回流管节流阀。
液化系统包括：一级冷箱、二级冷箱、三级冷箱，每一级冷箱中均设置有冷箱产品氢通路和冷箱冷却介质通路；一级冷箱、二级冷箱、三级冷箱中的冷箱冷却介质通路通过冷箱冷却介质连接管依次连通；一级冷箱、二级冷箱、三级冷箱中的冷箱产品氢通路通过冷箱产品氢连接管依次连通。
精馏塔氢气输出管与一级冷箱的产品氢通路输入端连通，三级冷箱的产品氢通路输出端与产品氢输送管连接，产品氢输送管上设置有输送管节流阀，产品氢输送管连接至第三气液分离器，第三气液分离器上设置气氢输出管和液氢输出管，液氢输出管连接至液氢储罐，气氢输出管连接至三级冷箱的冷却介质通路输入端。
一级冷箱与二级冷箱之间的冷箱产品氢连接管上连接有等熵膨胀输送管，等熵膨胀输送管与膨胀机的输入端连接，膨胀机的输出端设置等熵膨胀输出管，所述的等熵膨胀输出管连接至三级冷箱与二级冷箱之间的冷箱冷却介质连接管上。
进一步地，前述的焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统，其中，所述的预处理系统包括依次连通的压缩机、水冷却器、脱硫塔、醇胺吸收塔组；焦炉煤气经压缩机压缩后进入水冷却器中预冷，然后先进入脱硫塔中脱硫，再进入醇胺吸收塔中脱碳；脱硫脱碳后焦炉煤气中硫含量不高于4ppm，碳含量不高于50ppm。
更进一步地，前述的焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统，其中，所述的脱硫塔中内置设有脱硫催化剂的分子筛。
更进一步地，前述的焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统，其中，醇胺吸收塔组中采用甲基二乙醇胺溶液。
进一步地，前述的焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统，其中，其特征在于：第一换热器与第二换热器中还都设置有换热器产品氢通路，两个换热器中的换热器产品氢通路相连通；一级冷箱的冷箱冷却介质通路输出端与第二换热器中的换热器产品氢通路输入端连通，第一换热器的换热器产品氢通路输出端输出产品氢气。
进一步地，前述的焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统，其中，第一换热器、第二换热器以及一级冷箱、二级冷箱、三级冷箱均采用铝制板翅式换热器结构。
进一步地，前述的焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统，其中，一级冷箱、二级冷箱、三级冷箱中的冷箱产品氢通路中都设置有正仲氢转化还原剂。
进一步地，前述的焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统，其中，第一气液分离器的底部设置带阀的第一分离器排放管，第一分离器排放管排出C3以上的重烃产物；第二气液分离器的底部设置带阀的第二分离器排放管，第二分离器排放管排出C2以上的重烃产物。
进一步地，前述的焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统，其中，所述的冷凝精馏塔内部采用多层筛板结构。
本发明的优点是：一、通过对成分复杂的焦炉煤气进行脱硫脱碳、分离提纯，然后将分离出来氢液化形成液氢产品，从而实现焦炉煤气中氢气提纯、并实现就地液化充装。二、分离提纯系统利用冷凝精馏塔内的冷凝液体进行节流制冷的方式为冷凝精馏塔内提供冷量，冷凝精馏塔内的冷凝液体还作为分离提纯系统中第一换热器与第二换热器中的冷却介质；液化系统则通过高压氢膨胀制冷以及高压低温氢气节流制冷的方式为三级冷箱、二级冷箱、以及一级冷箱提供冷量，整个分离提纯液化过程不依赖外界制冷系统，只依靠焦炉煤气自身介质实现，这大大节约了能耗，从而有效降低焦炉煤气中氢提纯液化的成本。三、液化系统中一级冷箱的第一冷箱冷却介质通路输出端排出的低温氢气再进入分离提纯系统中的换热器产品氢通路中，并在第一换热器的第一换热器产品氢通路的输出端输出产品氢气，这使得本发明所述的焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统不仅能提供液氢产品还能在无需额外提供能耗的情况下提供气氢产品，产品实现多样化，这大大方便了用户使用。
附图说明
图1是本发明所述的焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统的原理结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统，包括：用于对焦炉煤气增压、预冷及脱硫脱碳处理的预处理系统1、用于去除焦炉煤气中的重碳氢化合物并将氢气分离出来的分离提纯系统2、用于液化氢气的液化系统3。
所述的预处理系统1包括依次连通的压缩机11、水冷却器12、脱硫塔13、醇胺吸收塔组14。焦炉煤气经压缩机11压缩至压力为4.5MPa，然后进入水冷却器12中预冷至20℃，之后先进入脱硫塔13中脱硫，再进入醇胺吸收塔14中脱碳，脱硫脱碳后焦炉煤气中硫含量不高于4ppm，碳含量不高于50ppm。本实施例中所述的脱硫塔13中内置脱硫催化剂的分子筛，所述的醇胺吸收塔组14中采用甲基二乙醇胺溶液。
分离提纯系统2包括：第一换热器21、第一气液分离器22、第二换热器23、第二气液分离器24、冷凝精馏塔25。所述的冷凝精馏塔25内部采用多层筛板结构。为了提高换热器的换热效果，所述的第一换热器21与第二换热器23均采用铝制板翅式换热器结构。第一气液分离器22的底部设置带阀的第一分离器排放管221，第一分离器排放管221排出C3以上的重烃产物，第二气液分离器24的底部设置带阀的第二分离器排放管241，第二分离器排放管241排出C2以上的重烃产物。每个换热器中均设置有焦炉煤气通路和换热器冷却介质通路，两个换热器中的换热器冷却介质通路相连通。具体地本实施例中，第一换热器21中设置第一焦炉煤气通路211和第一换热器冷却介质通路212，第二换热器23中设置第二焦炉煤气通路231和第二换热器冷却介质通路232。第一换热器冷却介质通路212与第二换热器冷却介质通路232连通。
经预处理系统预处理后的焦炉煤气经第一换热器21的第一焦炉煤气通路211的输入端进入第一换热器21，第一换热器21的第一焦炉煤气通路211输出端连接至第一气液分离器22。焦炉煤气在第一换热器21中被冷却至-65℃，温度在-65℃的焦炉煤气进入第一气液分离器22，第一气液分离器22将焦炉煤气中的冷凝物，主要是C3以上的重烃产物分离掉，C3以上的重烃产物从第一分离器排放管221排出。
第一气液分离器22的气体输出端与第二换热器23的第二焦炉煤气通路231的输入端连通。第二换热器23的第二焦炉煤气通路231的输出端与第二气液分离器24连通。焦炉煤气在第二换热器23中被冷却至-145℃从而进一步冷凝，温度在-145℃的焦炉煤气进入第二气液分离器24，焦炉煤气中C2以上的重烃产物，主要包括乙烯，此外还有部分甲烷也会被冷凝出来。第二气液分离器24被冷凝出来的乙烯以及甲烷从第二分离器排放管241排出。
第二气液分离器24的气体输出端与冷凝精馏塔25连通。所述的冷凝精馏塔25内部采用多层筛板结构。冷凝精馏塔25内的底部设置贮液槽251，冷凝精馏塔25上设置有分别与贮液槽251相连通的冷凝液体输出管252和冷凝回流管253。冷凝精馏塔25的顶部设置精馏塔氢气输出管254。冷凝液体输出管252与第二换热器23的第二换热器冷却介质通路232的输入端连接，冷凝回流管253连接至冷凝精馏塔25的顶部，冷凝回流管253上设置回流管节流阀2531。
经第二气液分离器24分离后的焦炉煤气进入冷凝精馏塔25中。冷凝精馏塔25中温度达到约-190℃。在冷凝精馏塔25中，焦炉煤气经筛板进一步冷凝，从而使得其中的甲烷等气体与氢气进行分离。分离出来的氢气从冷凝精馏塔25顶部的精馏塔氢气输出管254输出。冷凝形成的冷凝液体则储存在贮液槽251中。贮液槽251中的一部分冷凝液体进入冷凝回流管253，经回流管节流阀2531节流后冷却，然后从冷凝精馏塔25顶部进入冷凝精馏塔25内为冷凝精馏塔25提供冷量。采用上述的冷凝液体节流制冷的方式为冷凝精馏塔25提供冷量，大大节约了能耗，从而有效降低焦炉中氢提纯液化的成本。
贮液槽251中的一部分冷凝液体从冷凝液体输出管252进入第二换热器23的第二换热器冷却介质通路232，然后进入第一换热器21的第一换热器冷却介质通路212，释放了热量的冷凝液体从第一换热器21的第一换热器冷却介质通路212的输出端排出。贮液槽251中的冷凝液体为第二换热器23、第一换热器21提供冷量。
液化系统3包括：一级冷箱31、二级冷箱32、三级冷箱33，每一级冷箱中均设置有冷箱产品氢通路和冷箱冷却介质通路。一级冷箱31、二级冷箱32、三级冷箱33的冷箱产品氢通路中都设置有正仲氢转化还原剂。
为了有效提高换热效率，本实施例中一级冷箱31、二级冷箱32、三级冷箱33也都采用铝制板翅式换热器结构。
具体地一级冷箱31中设置第一冷箱产品氢通路311和第一冷箱冷却介质通路312；二级冷箱32中设置第二冷箱产品氢通路321和第二冷箱冷却介质通路322；三级冷箱33中设置第三冷箱产品氢通路331和第三冷箱冷却介质通路332。一级冷箱31、二级冷箱32、三级冷箱33中的冷箱冷却介质通路通过冷箱冷却介质连接管34依次连通。一级冷箱31、二级冷箱32、三级冷箱33中的冷箱产品氢通路依次通过冷箱产品氢连接管35连通。
精馏塔氢气输出管254与一级冷箱31的第一冷箱产品氢通路311的输入端连通，三级冷箱33的第三冷箱产品氢通路331的输出端与产品氢输送管36连接，产品氢输送管36上设置有输送管节流阀361，产品氢输送管36连接至第三气液分离器37，第三气液分离器37上设置气氢输出管371和液氢输出管372，液氢输出管372连接至液氢储罐38，气氢输出管371连接至三级冷箱33的第三冷箱冷却介质通路332的输入端。
一级冷箱31与二级冷箱32之间的冷箱产品氢连接管35上连接有等熵膨胀输送管39，等熵膨胀输送管39与膨胀机40的输入端连接，膨胀机40的输出端设置等熵膨胀输出管41，所述的等熵膨胀输出管41连接至三级冷箱33与二级冷箱32之间的冷箱冷却介质连接管34上。
精馏塔氢气输出管254输出的氢气进入一级冷箱31的第一冷箱产品氢通路311中，然后经冷箱产品氢连接管35依次进入二级冷箱32中的第二冷箱产品氢通路321、以及三级冷箱33中第三冷箱产品氢通路331中，从而逐级进行冷却。第三冷箱产品氢通路331输出端输出的氢气进入产品氢输送管36，输送管节流阀361的节流作用下，氢气液化并进入第三气液分离器37中。第三气液分离器37中的液氢经液氢输出管372进入液氢储罐38。
第三气液分离器37中的气态的低温氢气经气氢输出管371进入至三级冷箱33的第三冷箱冷却介质通路332中，然后依次进入二级冷箱32的第二冷箱冷却介质通路322以及一级冷箱31的第一冷箱冷却介质通路312中，从而依次为三及冷箱33、二级冷箱32、一级冷箱31提供冷量。同时，一级冷箱31与二级冷箱32之间的冷箱产品氢连接管35中的一部分氢气经等熵膨胀输送管39进入膨胀机40，膨胀机40等熵膨胀后输出的氢气压力为1.2bar，温度降低至-205℃，低温氢气从等熵膨胀输出管41进入至三级冷箱33与二级冷箱32之间的冷箱冷却介质连接管34中作为冷量依次进入二级冷箱32的第二冷箱冷却介质通路322、以及一级冷箱31的第一冷箱冷却介质通路312中。上述的液化系统3则通过高压氢膨胀制冷以及高压低温氢气节流制冷的方式为液化系统3提供冷量。
本实施例中，为了充分利用冷量本实施例中，第一换热器21与第二换热器23中还都设置有换热器产品氢通路，两个换热器中的换热器产品氢通路相连通。具体地，第一换热器21中设置第一换热器产品氢通路213，第二换热器23中设置第二换热器产品氢通路233。第一换热器产品氢通路213与第二换热器产品氢通路233相连通。一级冷箱31的第一冷箱冷却介质通路312的输出端与第二换热器23的第二换热器产品氢通路233的输入端连通。由第一冷箱冷却介质通路312的输出端输出的氢气依次进入第二换热器23、第一换热器21复温。第一换热器21的第一换热器产品氢通路213的输出端输出产品氢气。这样焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统既能生产液氢还能提供气氢。
本发明所述的焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统，其通过对成分复杂的焦炉煤气进行脱硫脱碳、分离提纯，然后将分离出来氢液化形成液氢产品，从而实现焦炉煤气中氢气提纯、并实现就地液化充装。分离提纯系统2利用冷凝精馏塔25内的冷凝液体进行节流制冷的方式为冷凝精馏塔25内提供冷量，冷凝精馏塔25内的冷凝液体还作为分离提纯系统2中第一换热器21与第二换热器23中的冷却介质；液化系统3则通过高压氢膨胀制冷以及高压低温氢气节流制冷的方式为三级冷箱33、二级冷箱32、以及一级冷箱31提供冷量，整个分离提纯液化过程不依赖外界制冷系统，只依靠焦炉煤气自身介质实现，这大大节约了能耗，从而有效降低焦炉煤气中氢提纯液化的成本。此外，液化系统3中一级冷箱31的第一冷箱冷却介质通路输出端排出的低温氢气再进入分离提纯系统3中的换热器产品氢通路中，并在第一换热器21的第一换热器产品氢通路213的输出端输出产品氢气，这使得本发明所述的焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统不仅能提供液氢产品还能在无需额外提供能耗的情况下提供气氢产品，这大大方便了用户使用。

Claims (9)

1.焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统，包括：用于对焦炉煤气增压、预冷及脱硫脱碳处理的预处理系统、用于去除焦炉煤气中的重碳氢化合物并将氢气分离出来的分离提纯系统、用于液化氢气的液化系统，其特征在于：
分离提纯系统包括：第一换热器、第一气液分离器、第二换热器、第二气液分离器、冷凝精馏塔；每个换热器中均设置有焦炉煤气通路和换热器冷却介质通路，两个换热器中的换热器冷却介质通路相连通；经预处理系统预处理后的焦炉煤气经第一换热器的焦炉煤气通路输入端进入第一换热器，第一换热器中的焦炉煤气通路输出端连接至第一气液分离器，第一气液分离器的气体输出端与第二换热器的焦炉煤气通路输入端连通，第二换热器的焦炉煤气通路输出端与第二气液分离器连通，第二气液分离器的气体输出端与冷凝精馏塔连通；
冷凝精馏塔内的底部设置贮液槽，冷凝精馏塔上设置有分别与贮液槽相连通的冷凝液体输出管和冷凝回流管，冷凝精馏塔的顶部设置精馏塔氢气输出管，冷凝液体输出管与第二换热器的换热器冷却介质通路输入端连接，冷凝回流管连接至冷凝精馏塔的顶部，冷凝回流管上设置回流管节流阀；
液化系统包括：一级冷箱、二级冷箱、三级冷箱，每一级冷箱中均设置有冷箱产品氢通路和冷箱冷却介质通路；一级冷箱、二级冷箱、三级冷箱中的冷箱冷却介质通路通过冷箱冷却介质连接管依次连通；一级冷箱、二级冷箱、三级冷箱中的冷箱产品氢通路通过冷箱产品氢连接管依次连通；
精馏塔氢气输出管与一级冷箱的产品氢通路输入端连通，三级冷箱的产品氢通路输出端与产品氢输送管连接，产品氢输送管上设置有输送管节流阀，产品氢输送管连接至第三气液分离器，第三气液分离器上设置气氢输出管和液氢输出管，液氢输出管连接至液氢储罐，气氢输出管连接至三级冷箱的冷却介质通路输入端；
一级冷箱与二级冷箱之间的冷箱产品氢连接管上连接有等熵膨胀输送管，等熵膨胀输送管与膨胀机的输入端连接，膨胀机的输出端设置等熵膨胀输出管，所述的等熵膨胀输出管连接至三级冷箱与二级冷箱之间的冷箱冷却介质连接管上。
2.根据权利要求1所述的焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统，其特征在于： 所述的预处理系统包括依次连通的压缩机、水冷却器、脱硫塔、醇胺吸收塔组；焦炉煤气经压缩机压缩后进入水冷却器中预冷，然后先进入脱硫塔中脱硫，再进入醇胺吸收塔中脱碳；脱硫脱碳后焦炉煤气中硫含量不高于4ppm，碳含量不高于50ppm。
3.根据权利要求2所述的焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统，其特征在于：所述的脱硫塔中内置设有脱硫催化剂的分子筛。
4.根据权利要求2所述的焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统，其特征在于：醇胺吸收塔组中采用甲基二乙醇胺溶液。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统，其特征在于：第一换热器与第二换热器中还都设置有换热器产品氢通路，两个换热器中的换热器产品氢通路相连通；一级冷箱的冷箱冷却介质通路输出端与第二换热器中的换热器产品氢通路输入端连通，第一换热器的换热器产品氢通路输出端输出产品氢气。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统，其特征在于：第一换热器、第二换热器以及一级冷箱、二级冷箱、三级冷箱均采用铝制板翅式换热器结构。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统，其特征在于：一级冷箱、二级冷箱、三级冷箱中的冷箱产品氢通路中都设置有正仲氢转化还原剂。
8.根据权利要求1或2或3或4所述的焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统，其特征在于：第一气液分离器的底部设置带阀的第一分离器排放管，第一分离器排放管排出C3以上的重烃产物；第二气液分离器的底部设置带阀的第二分离器排放管，第二分离器排放管排出C2以上的重烃产物。
9.根据权利要求1或2或3或4所述的焦炉煤气中氢的提纯液化联产系统，其特征在于：所述的冷凝精馏塔内部采用多层筛板结构。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116753675A (zh) * 2023-04-06 2023-09-15 西南石油大学 一种适用于地下煤制气分级提纯与液化的方法

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