CN117861380A - 一种两级分离的氢气分离组件 - Google Patents

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李帅
于庆河
杜淼
米菁
郝雷
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Abstract

本发明公开了一种两级分离的氢气分离组件;主腔体的上端开口,金属法兰组安装在主腔体的上端,主腔体中设置有一个圆柱状的第二级分离室和一个呈上方开口的桶形的第一级分离室,第一级分离室和第二级分离室通过不锈钢网栅隔开;钯膜管件设置于第二级分离室的中央,第一级分离室通过原料气进气管与进气来源相连,第一级分离室中填充有纯化合金。本发明可以实现两级氢气分离,第一级纯化合金吸附原料气中的大部分杂质气体,第二级分离为钯管件对氢气进行深度分离。

Description

一种两级分离的氢气分离组件
技术领域
本发明属于氢气分离提纯技术领域,具体为一种两级分离的氢气分离组件。
背景技术
近年来,氢能作为高效、清洁的二次能源受到广泛关注。氢气来源广泛,不同方法制备的氢气原料气所含杂质气体种类、氢气纯度和制氢成本不尽相同。不同应用场景中对氢气纯度的要求也不尽相同,在半导体工业中,需要高纯氢(99.999999%),在发电厂要求氢气纯度达到99.9%,燃料电池用氢中要求氢气纯度达到99.97%。根据应用场景选择合适可靠、经济的氢气分离纯化方法至关重要。
氢气的分离纯化方法主要包括变压吸附法、钯膜分离法、低温精馏法等。其中变压吸附法的原理是基于在不同压力下,吸附剂对不同气体的选择性吸附能力不同,利用压力的周期性变化进行吸附和解吸,从而实现氢气的分离提纯,但是变压吸附设备复杂,占地面积大。钯膜分离法的原理是钯膜对氢气具有唯一的选择渗透性,只允许氢气透过,其他的气体无法渗透,从而实现氢气的分离纯化。钯膜成本较高,处理量小,适合于在特定场景对氢气进行分离纯化。通过将甲醇重整制氢或氨分解制氢与钯膜提纯相结合,以小设备代替大化工,可在需要移动或占地面积小的场景实现在线制氢,即产即用,可为车载氢燃料电池、通信基站备用电源、海岛发电站、人防应急发电等场景提供高质量氢源。但是,钯膜在应用过程中极易被氢气中的CO、H2S、CH4、NH3等杂质气体毒化,表现为氢渗透性能降低甚至产生裂纹,大大降低了钯膜的选择渗透性能,导致钯膜中毒失效,降低其使用寿命。
因此,希望得到一种结构紧凑的多级氢气分离组件,实现对氢气的多级分离,延长钯膜寿命,同时提高氢气纯度。
发明内容
针对背景技术中存在的问题,本发明提供了一种两级分离的氢气分离组件,其技术方案具体包括:原料气进气管、不锈钢网栅、第一级分离室、钯膜管、第二级分离室、金属法兰组、纯化气出气管和尾气出气管;其中,主腔体的上端开口,金属法兰组安装在主腔体的上端,主腔体中设置有一个圆柱状的第二级分离室和一个呈上方开口的桶形的第一级分离室,第一级分离室和第二级分离室通过不锈钢网栅隔开;
金属法兰组包括:下法兰和作为盖体上法兰,其中下法兰为环状,上法兰和下法兰通过螺栓连接可拆卸;
钯膜管件设置于第二级分离室的中央,钯膜管件包括:钯膜管和纯化气出气管,钯膜管上端的出口通过纯化气出气管与氢燃料电池等设备相连,纯化气出气管穿过金属法兰组并与上法兰固定,钯膜管件下端封闭,原料气在压差的驱动下由钯膜管外表面向钯膜管内扩散,纯化后的氢气由钯膜管内部进入纯化气出气管路;尾气出气管固定在上法兰上;
第一级分离室通过原料气进气管与进气来源相连,第一级分离室中填充有纯化合金,减弱杂质气体对钯膜的毒化;原料气进气管和第一级纯化合金之间通过不锈钢网栅隔开。
所述原料气进气管的数量为一根或多根。
所述原料气进气管安装在主腔体壳体的底部和/或侧壁上。
所述第一级纯化合金为ZrMnFe或TiZrMnFe合金。
所述钯管件为钯管、钯合金管、多孔基体负载的钯膜管或钯合金膜管。
所述钯合金膜管包括Pd-Ru、Pd-Ag、Pd-Cu、Pd-Au、Pd-Y、Pd-Ag-Cu、Pd-Ag-Au中的一种。
所述多孔基体为多孔陶瓷或多孔不锈钢。
所述多孔基体为氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化硅陶瓷、氧化钛陶瓷或不锈钢中的一种。
所述原料气为H2、CO2、CO、Ar、He、CH4、H2S、NH3、N2和H2O的混合气。
本发明的有益效果在于:
1.可以实现两级氢气分离,第一级分离使用ZrMnFe或TiZrMnFe合金吸附原料气中的大部分杂质气体,第二级分离为钯管件对氢气进行深度分离。
2.第一级分离室既可以增大对原料气的处理量,同时可使原料气经第一分离室后进入第二级分离室的气体更均匀,有效缓解浓差极化现象的产生。
附图说明
图1为本发明一种两级分离的氢气分离组件实施例在主腔体附近透视的结构示意图。
其中:1.尾气出气管;2.纯化气出气管;3.金属法兰组;4.主腔体;5.钯膜管件;6.第一级分离室;7.不锈钢网栅;8.原料气进气管。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示的本发明氢气分离组件的实施例,包括:原料气进气管8、不锈钢网栅7、第一级分离室6、钯膜管5、第二级分离室、金属法兰组3、纯化气出气管2和尾气出气管1;其中,主腔体4的上端开口,金属法兰组3安装在主腔体4的上端;主腔体4中设置有一个圆柱状的第二级分离室和一个呈上方开口的桶形的第一级分离室6,第一级分离室6和第二级分离室通过不锈钢网栅7分隔开;
钯膜管件5设置于第二级分离室的中央,钯膜管件5包括:钯膜管和纯化气出气管2,钯膜管上端的出口通过纯化气出气管2与氢燃料电池等设备相连,纯化气出气管2穿过金属法兰组3并与上法兰固定,钯膜管件5下端封闭,原料气在压差的驱动下由钯膜管外表面向钯膜管内扩散,纯化后的氢气由钯膜管内部进入纯化气出气管路;尾气出气管1固定在上法兰上,尾气出气管1用于连通第二级分离室和尾气收集装置;
第一级分离室6通过原料气进气管8与进气来源相连,第一级分离室6中填充有纯化合金,主要进行氢气的第一级分离,降低进入主腔体内的氢气中的杂质气体含量,减弱杂质气体对钯膜的毒化;原料气进气管8和第一级纯化合金之间通过不锈钢网栅分隔开,网栅用于防止第一级纯化合金堵塞进气管路;形状上表现为上方开口的桶形的第一级分离室既可以增大对原料气的处理量,同时可使原料气经第一分离室后进入第二级分离室的气体更均匀,有效缓解浓差极化现象的产生。
原料气进气管8与主腔体4壳体焊接,在宽泛实施例中设置在主腔体4壳体的底部,但是也可以同时或单独设置在侧壁上;原料气进气管8的数量也可以根据需要设置一根或多根;待纯化的原料气通过进气管路首先进入第一级分离室,完成第一级分离,随后进入主腔体内通过钯膜管的钯膜进行第二级分离。
金属法兰组3包括:下法兰和作为盖体上法兰,其中下法兰为环状,上法兰和下法兰通过螺栓连接可拆卸,上法兰与下法兰之间采用铜垫片密封,保证分离组件的气密性。
在宽泛实施例中,第一级纯化合金为ZrMnFe或TiZrMnFe等合金,ZrMnFe或TiZrMnFe第一级分离合金能够有效裂解CH4、H2O、NH3等杂质气体,并且可以吸收N2、CO、CO2等杂质气体,对含多种杂质气体的氢气具有较好的分离效果;当ZrMnFe或TiZrMnFe合金吸附饱和后,可打开法兰,取出ZrMnFe或TiZrMnFe合金然后重新装入新的ZrMnFe或TiZrMnFe合金,吸附饱和的ZrMnFe或TiZrMnFe合金重新解吸后以备下次使用。
在宽泛实施例中,钯管件为钯管、钯合金管、多孔基体负载的钯膜管或钯合金膜管,其中钯合金膜管包括Pd-Ru、Pd-Ag、Pd-Cu、Pd-Au、Pd-Y、Pd-Ag-Cu、Pd-Ag-Au中的一种;其中多孔基体为多孔陶瓷或多孔不锈钢,多孔基体具体为氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化硅陶瓷、氧化钛陶瓷或不锈钢中的一种。
在宽泛实施例中,由于解决了单独采用TiZrMnFe合金分离提纯氢气时难以脱除CH4和惰性气体杂质和单独采用钯及钯合金膜分离提纯氢气时CO、CO2、CH4严重毒化钯及合金膜,造成钯及钯合金膜性能恶化,寿命降低的问题;因此所使用的原料气可以为H2、CO2、CO、Ar、He、CH4、H2S、NH3、N2和H2O的混合气。
具体的实施例1,主腔体为316L不锈钢腔体,直径300mm,高度500mm,距离主腔体底部100mm,内壁50mm的区域为第一级分离室,填充ZrMnFe或TiZrMnFe合金。ZrMnFe或TiZrMnFe合金吸附饱和后,打开腔体,取出吸附饱和的ZrMnFe或TiZrMnFe合金重新活化以备下次使用,然后换装新的ZrMnFe或TiZrMnFe合金;主腔体底部开直径为1/8英寸的孔并焊接不锈钢管作为原料气进气管8,主腔体的上端与金属法兰组的下法兰焊接,上法兰开有两个直径为1/4英寸的孔,上法兰与两根不锈钢管焊接,其中一根不锈钢管为尾气出气管,另一根不锈钢管为纯化气出气管。
钯管件采用负载在多孔氧化铝陶瓷基体上钯或钯合金膜,钯膜或钯合金膜与不锈钢管路的连接采用钎焊的方式连接,多孔氧化铝陶瓷基体外径12mm,钯膜或钯合金膜有效长度200mm,其中,钯合金膜为Pd-Ru、Pd-Ag、Pd-Cu、Pd-Au、Pd-Y、Pd-Ag-Cu、Pd-Ag-Au合金膜中的一种。
实施例1的工作方法1:
一种两级分离的氢气分离组件,第一级分离使用ZrMnFe合金,第二级分离使用Pd-Cu合金膜。工作温度450℃,原料气气体组成为70% H2、22% CO2、3% CO和5% CH4,经过两级纯化后,氢气纯度达到99.9999%,Pd-Cu合金膜连续稳定工作6200h没有发生性能降低。
实施例1的工作方法2:
一种两级分离的氢气分离组件,第一级分离使用TiZrMnFe合金,第二级分离使用Pd-Ru合金膜。工作温度450℃,原料气气体组成为70% H2、22% CO2、3% CO和5% CH4,经过两级纯化后,氢气纯度达到99.99995%,Pd-Ru合金膜连续稳定工作6300h没有发生性能降低。
由上述实施例的结果可以看到,采用分明所述的两级分离的氢气分离组件后,氢气纯度明显提升,同时钯管件及整个氢气分离组件的寿命显著增加,减少了更换钯管件造成的经济损失。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种两级分离的氢气分离组件,其特征在于,包括:原料气进气管、不锈钢网栅、第一级分离室、钯膜管、第二级分离室、金属法兰组、纯化气出气管和尾气出气管;其中,主腔体的上端开口,金属法兰组安装在主腔体的上端,主腔体中设置有一个圆柱状的第二级分离室和一个呈上方开口的桶形的第一级分离室,第一级分离室和第二级分离室通过不锈钢网栅隔开;
金属法兰组包括:下法兰和作为盖体上法兰,其中下法兰为环状,上法兰和下法兰通过螺栓连接可拆卸;
钯膜管件设置于第二级分离室的中央,钯膜管件包括:钯膜管和纯化气出气管,钯膜管上端的出口通过纯化气出气管与氢燃料电池等设备相连,纯化气出气管穿过金属法兰组并与上法兰固定,钯膜管件下端封闭,原料气在压差的驱动下由钯膜管外表面向钯膜管内扩散,纯化后的氢气由钯膜管内部进入纯化气出气管路;尾气出气管固定在上法兰上;
第一级分离室通过原料气进气管与进气来源相连,第一级分离室中填充有纯化合金,减弱杂质气体对钯膜的毒化;原料气进气管和第一级纯化合金之间通过不锈钢网栅隔开。
2.根据权利要求1所述的一种两级分离的氢气分离组件,其特征在于,所述原料气进气管的数量为一根或多根。
3.根据权利要求2所述的一种两级分离的氢气分离组件,其特征在于,所述原料气进气管安装在主腔体壳体的底部和/或侧壁上。
4.根据权利要求1所述的一种两级分离的氢气分离组件,其特征在于,所述第一级纯化合金为ZrMnFe或TiZrMnFe合金。
5.根据权利要求1所述的一种两级分离的氢气分离组件,其特征在于,所述钯管件为钯管、钯合金管、多孔基体负载的钯膜管或钯合金膜管。
6.根据权利要求5所述的一种两级分离的氢气分离组件,其特征在于,所述钯合金膜管包括Pd-Ru、Pd-Ag、Pd-Cu、Pd-Au、Pd-Y、Pd-Ag-Cu、Pd-Ag-Au中的一种。
7.根据权利要求5所述的一种两级分离的氢气分离组件,其特征在于,所述多孔基体为多孔陶瓷或多孔不锈钢。
8.根据权利要求5所述的一种两级分离的氢气分离组件,其特征在于,所述多孔基体为氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化硅陶瓷、氧化钛陶瓷或不锈钢中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种两级分离的氢气分离组件,其特征在于,所述原料气为H2、CO2、CO、Ar、He、CH4、H2S、NH3、N2和H2O的混合气。
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