CN117967976A - 一种资源回收型内河码头制氢加氢站的氧纯化充装系统及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种资源回收型内河码头制氢加氢站的氧纯化充装系统及运行方法，原气进气系统与原气储罐相连，原气储罐的上部通过连通管与除氢器的下部相连通，除氢器的上部通过连通管与第一氧气冷却器相连；第一氧气冷却器与第一汽水分离器相连，第一汽水分离器的出口连接有用于对氧气进行循环干燥的干燥系统；干燥系统的出口通过第一出气总管和第二氧气冷却器相连，干燥系统的出口通过第二出气总管和氧气储罐相连；第二氧气冷却器的顶部出口与第二汽水分离器相连，第二汽水分离器与干燥系统相连；氧气储罐的出口与增压机相连。此系统能够用于对内河码头制氢工艺过程中所产生的氧气副产物进行分离、纯化和干燥工艺。

Description

一种资源回收型内河码头制氢加氢站的氧纯化充装系统及运 行方法

技术领域

本发明涉及制氢加氢技术领域，具体为一种资源回收型内河码头制氢加氢站的氧纯化充装系统及运行方法。

背景技术

为了配套内河氢燃料电池动力船舶，需要在内河码头建立制氢加氢站。目前，所采用的加氢站采用制氢加氢一体站建设模式，在三峡坝区右岸杨家湾码头内建设制氢加氢站1座，制氢规模200Nm³/h，加氢规模500kg/d。该项目为内河氢燃料电池动力船及三峡坝区内旅游巴士提供加氢服务的需求。主要采用电解水制氢工艺，在制氢过程中，每个电解小室的阴、阳极表面将分别产生氢气、氧气，从电解小室产生的气体会夹带着纯水蒸汽分别通过各个极板上方的氢气、氧气出气孔流入各自的气道中进行汇聚，经氢、氧气气室统一汇聚收集后分别通过氢气管道和氧气管道流入气体分离系统中。

目前，行业内部的制氢站，通常主要只对氢气进行回收，而对产生的氧气副产物，则采用直接排放的处理方式。这样就造成了资源的浪费，因此，需要设计相应的系统对制氢工艺过程中所产生的氧气副产物进行有效的回收以达到资源再利用的效果。

发明内容

为解决当前存在技术问题，本发明的主要目的在于提供一种资源回收型内河码头制氢加氢站的氧纯化充装系统及运行方法，此系统能够用于对内河码头制氢工艺过程中所产生的氧气副产物进行分离、纯化和干燥工艺，并最终实现氧气的充装，以达到氧气资源再利用的效果，起到了节约资源的目的。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种资源回收型内河码头制氢加氢站的氧纯化充装系统，包括用于和制氢系统的氧气出口相连的原气进气系统，原气进气系统与原气储罐相连，原气储罐的上部通过连通管与除氢器的下部相连通，除氢器的上部通过连通管与第一氧气冷却器相连；第一氧气冷却器与第一汽水分离器相连，第一汽水分离器的出口连接有用于对氧气进行循环干燥的干燥系统；干燥系统的出口通过第一出气总管和第二氧气冷却器相连，干燥系统的出口通过第二出气总管和氧气储罐相连；第二氧气冷却器的顶部出口与第二汽水分离器相连，第二汽水分离器与干燥系统相连；氧气储罐的出口与增压机相连。

所述原气进气系统包括主进气管，主进气管和原气储罐之间安装有第一球阀和第一止回阀。

所述原气储罐的顶部安装有第一安全阀和第一压力表，原气储罐上安装有第一液位计，原气储罐的底端安装有第一排污阀和第一电动排污阀。

所述原气储罐和除氢器之间安装有第一阀门和第一电动阀门。

所述干燥系统包括并联的第一干燥器、第二干燥器和第三干燥器；

第一干燥器、第二干燥器和第三干燥器与相应的第一汽水分离器和第二汽水分离器之间设置有多个用于控制进气的第二电动阀门；

第一干燥器、第二干燥器和第三干燥器与相应的第二氧气冷却器和氧气储罐之间设置有多个用于控制出气的第三电动阀门。

所述第一汽水分离器和第二汽水分离器采用相同的结构，所述第一汽水分离器上连接有第二液位计，第一汽水分离器的底端安装有第二排污阀和第二电动排污阀。

所述第一氧气冷却器和第二氧气冷却器采用相同的结构，第一氧气冷却器的下部连通有冷冻水进水管，第一氧气冷却器的上部连通有冷冻水出水管，第一氧气冷却器上连通有第三排污阀。

所述第二出气总管上安装有自力式调压阀。

所述自力式调压阀和氧气储罐之间的第二出气总管上安装有第四电动阀门，第四电动阀门和自力式调压阀之间连通有取样阀和放空阀。

所述氧气储罐的顶部安装有第二安全阀和第二压力表，氧气储罐的底端安装有第五电动阀。

当需要对氧气瓶组进行充装时，氧气瓶组通过第二阀门和第二球阀与增压机的出口连接。

所述第一干燥器、第二干燥器和第三干燥器上分别连接有用于监测温度的温度传感器；

所述第二出气总管上安装有用于检测氧气的在线分析仪。

还包括PLC控制器，PLC控制器与氧纯化充装系统的相应电动阀和仪表相连以实现电动阀的自动控制和系统参数的监测。

一种资源回收型内河码头制氢加氢站的氧纯化充装系统的运行方法，包括以下步骤：

步骤一，氧气的收集：

将来自电解槽的氧气通过汇聚之后由原气进气系统输送到原气储罐进行储存；

步骤二，氧气的除氢：

将原气储罐内部的混合气体输送到除氢器的内部，对氧气中掺杂的少量氢气除去；

步骤三，氧气的初级除水：

将除氢之后含有水分的氧气输送到第一氧气冷却器，通过第一氧气冷却器进行冷却，根据氧气和水蒸气液化温度的不同，通过第一汽水分离器将氧气中的水蒸气进行液化，实现纯水和氧气分离；

步骤四，氧气的干燥：

初步除水完成的氧气将被输送到干燥系统，通过干燥系统对氧气进行干燥；

步骤五，氧气的再次除水：

干燥完成之后的氧气将通过在线分析仪进行分析，如果内部含水率高于设定值，则将氧气再次输送到第二氧气冷却器，通过第二氧气冷却器进行冷却，根据氧气和水蒸气液化温度的不同，通过第二汽水分离器将氧气中的水蒸气进行液化，实现纯水和氧气分离；

步骤六，氧气的再次干燥：

再次出水完成的氧气将被输送到干燥系统，通过干燥系统对氧气进行干燥，重复步骤五~步骤六，直到氧气中含水率低于设定值；

步骤七，氧气的充装：

将完全干燥的氧气输送到氧气储罐进行储存，然后，通过增压机将氧气充装到相应的氧气瓶组内部。

本发明有如下有益效果：

1、本发明系统能够用于对内河码头制氢工艺过程中所产生的氧气副产物进行分离、纯化和干燥工艺，并最终实现氧气的充装，以达到氧气资源再利用的效果，起到了节约资源的目的。

2、本发明系统能够实现氧气纯化，而且纯化后的氧气浓度能够达到99%，能够很好的满足工业生产的需要。

3、本发明通过上述的原气进气系统能够用于将带有水汽的氧气输送储存到原气储罐的内部，通过第一球阀能够用于控制气体的供应，通过第一止回阀能够保证单向通气。

4、通过上述的第一安全阀能够对原气储罐起到限压保护的目的。

5、通过上述的干燥系统能够根据具体的处理量，同步实现氧气的干燥处理，以提高干燥效率。

6、通过上述的第二电动阀门和第三电动阀门的自动通断控制，能够实现氧气的并列运行干燥或者多级连续干燥或者实现氧气的循环干燥，具体运行过程中，只需要选择性进行第二电动阀门和第三电动阀门的通断控制即可。

7、通过上述的汽水分离器能够根据重力原理实现液化之后的水与氧气的分离。

8、通过上述的氧气储罐能够用于对纯化之后的氧气进行有效的储存。

9、通过上述的充装系统能够用于对氧气进行充装。

10、通过上述的在线分析仪能够实现干燥之后氧气纯度的在线检测，当纯度满足要求之后，才会进行充装作业。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明整体系统图。

图2为本发明图1中第一汽水分离器之前的局部系统图。

图3为本发明图1中干燥系统局部图。

图4为本发明图1中氧气储罐所在位置的局部系统图。

图中：主进气管1、第一球阀2、第一止回阀3、原气储罐4、第一安全阀5、第一压力表6、第一液位计7、第一排污阀8、第一电动排污阀9、第一电动阀门10、第一阀门11、除氢器12、PLC控制器13、第一氧气冷却器14、冷冻水出水管15、冷冻水进水管16、第三排污阀17、第一汽水分离器18、第二液位计19、第二电动排污阀20、第二排污阀21、第二电动阀门22、第一干燥器23、第二干燥器24、第三干燥器25、第三电动阀门26、温度传感器27、第二汽水分离器28、第二氧气冷却器29、第二出气总管30、自力式调压阀31、第四电动阀门32、取样阀33、放空阀34、第二安全阀35、第二压力表36、氧气储罐37、第五电动阀38、增压机39、第二阀门40、第二球阀41、氧气瓶组42、第一出气总管43。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1-4，一种资源回收型内河码头制氢加氢站的氧纯化充装系统，包括用于和制氢系统的氧气出口相连的原气进气系统，原气进气系统与原气储罐4相连，原气储罐4的上部通过连通管与除氢器12的下部相连通，除氢器12的上部通过连通管与第一氧气冷却器14相连；第一氧气冷却器14与第一汽水分离器18相连，第一汽水分离器18的出口连接有用于对氧气进行循环干燥的干燥系统；干燥系统的出口通过第一出气总管43和第二氧气冷却器29相连，干燥系统的出口通过第二出气总管30和氧气储罐37相连；第二氧气冷却器29的顶部出口与第二汽水分离器28相连，第二汽水分离器28与干燥系统相连；氧气储罐37的出口与增压机39相连。本发明系统能够用于对内河码头制氢工艺过程中所产生的氧气副产物进行分离、纯化和干燥工艺，并最终实现氧气的充装，以达到氧气资源再利用的效果，起到了节约资源的目的。具体运行过程中，通过将带有水蒸气的氧气由原气储罐4进行初步收集缓存，再由除氢器12将其中含有的小部分氢气除去，并通过第一氧气冷却器14和第一汽水分离器18相配合，实现水分的初步分离；并在分离之后通过干燥设备进行同步或者连续干燥，并在干燥之后进行二次水分分离，最终，将达标的氧气进行储存，并定期进行氧气的充装。

进一步的，所述原气进气系统包括主进气管1，主进气管1和原气储罐4之间安装有第一球阀2和第一止回阀3。通过上述的原气进气系统能够用于将带有水汽的氧气输送储存到原气储罐4的内部，通过第一球阀2能够用于控制气体的供应，通过第一止回阀3能够保证单向通气。

进一步的，所述原气储罐4的顶部安装有第一安全阀5和第一压力表6，原气储罐4上安装有第一液位计7，原气储罐4的底端安装有第一排污阀8和第一电动排污阀9。通过上述的第一安全阀5能够对原气储罐4起到限压保护的目的。通过第一压力表6能够用于显示原气储罐4内部的压力。通过第一液位计7能够用于显示原气储罐4内部的液体液位高度，以便于及时对其内部的液体进行排放。

进一步的，所述原气储罐4和除氢器12之间安装有第一阀门11和第一电动阀门10。通过上述的第一阀门11能够用于控制氧气的供应。通过上述的第一电动阀门10能够用于在特殊情况下的氧气排放处理。

进一步的，所述干燥系统包括并联的第一干燥器23、第二干燥器24和第三干燥器25；第一干燥器23、第二干燥器24和第三干燥器25与相应的第一汽水分离器18和第二汽水分离器28之间设置有多个用于控制进气的第二电动阀门22。通过上述的干燥系统能够根据具体的处理量，同步实现氧气的干燥处理，以提高干燥效率。具体干燥工艺过程中，通过将初步除水的氧气输送到相应的第一干燥器23、第二干燥器24或第三干燥器25中进行干燥。

进一步的，第一干燥器23、第二干燥器24和第三干燥器25与相应的第二氧气冷却器29和氧气储罐37之间设置有多个用于控制出气的第三电动阀门26。通过上述的第二电动阀门22和第三电动阀门26的自动通断控制，能够实现氧气的并列运行干燥或者多级连续干燥或者实现氧气的循环干燥，具体运行过程中，只需要选择性进行第二电动阀门22和第三电动阀门26的通断控制即可。

进一步的，所述第一汽水分离器18和第二汽水分离器28采用相同的结构，所述第一汽水分离器18上连接有第二液位计19，第一汽水分离器18的底端安装有第二排污阀21和第二电动排污阀20。通过上述的汽水分离器能够根据重力原理实现液化之后的水与氧气的分离。具体运行过程中，通过冷却之后的氧气和水分，由于水的液化温度低于氧气的液压温度，因此，在冷却之后水蒸气将液化成水滴，并在重力作用下落下，进而实现

进一步的，所述第一氧气冷却器14和第二氧气冷却器29采用相同的结构，第一氧气冷却器14的下部连通有冷冻水进水管16，第一氧气冷却器14的上部连通有冷冻水出水管15，第一氧气冷却器14上连通有第三排污阀17。通过上述的氧气冷却器能够用于对混合有水蒸气的氧气进行冷却，进而实现混合气体中，水蒸气的液化。

进一步的，所述第二出气总管30上安装有自力式调压阀31。通过上述的自力式调压阀31能够用于实现第二出气总管30的压力调节，进而保证系统运行的安全性。

进一步的，所述自力式调压阀31和氧气储罐37之间的第二出气总管30上安装有第四电动阀门32，第四电动阀门32和自力式调压阀31之间连通有取样阀33和放空阀34。

进一步的，所述氧气储罐37的顶部安装有第二安全阀35和第二压力表36，氧气储罐37的底端安装有第五电动阀38。通过上述的氧气储罐37能够用于对纯化之后的氧气进行有效的储存。工作过程中，通过第二安全阀35用于控制氧气储罐37的系统压力，保证作业的安全性。通过第二压力表36用于监测氧气储罐37压力。

进一步的，当需要对氧气瓶组42进行充装时，氧气瓶组42通过第二阀门40和第二球阀41与增压机39的出口连接。通过上述的充装系统能够用于对氧气进行充装。当氧气储罐37的氧气储存到一定量之后，通过增压机39将氧气增压之后充填到氧气瓶组42进行储存。

进一步的，所述第一干燥器23、第二干燥器24和第三干燥器25上分别连接有用于监测温度的温度传感器27。通过上述的温度传感器27便于实时监测相应的第一干燥器23、第二干燥器24和第三干燥器25的温度，进而保证最佳的干燥温度，以保证干燥效果。

进一步的，所述第二出气总管30上安装有用于检测氧气的在线分析仪。通过上述的在线分析仪能够实现干燥之后氧气纯度的在线检测，当纯度满足要求之后，才会进行充装作业。

进一步的，还包括PLC控制器13，PLC控制器13与氧纯化充装系统的相应电动阀和仪表相连以实现电动阀的自动控制和系统参数的监测。通过上述的PLC控制器13便于实现整个系统的自动化控制。

本发明的工作原理：

通过采用本发明的氧纯化充装提供，在具体运行过程中，通过氧气纯化系统是将来自PEM电解槽的氧气同纯水进行分离，氧气、纯水混合气液先进入氧水分离器中，通过重力作用使绝大部分纯水和氧气分离。PEM电解槽产出的氧气最高工作温度达到65℃，此时仍然需要进一步将氧气中水分进行分离，分离的目的是尽可能多的回收纯水，降低系统纯水耗量。经二次氧气气水分离后的氧气依次通过在线分析仪分析，经分析后，不合格的氧气将被放空，符合既定标准的氧气可以按照用户要求进行放空或集中收集，形成粗氧产品。与此同时，该处产气数据均可以被提交到PLC控制器中进行统计，满足数据存储及记录要求。

实施例2：

一种资源回收型内河码头制氢加氢站的氧纯化充装系统的运行方法，包括以下步骤：

步骤一，氧气的收集：

将来自电解槽的氧气通过汇聚之后由原气进气系统输送到原气储罐4进行储存；

步骤二，氧气的除氢：

将原气储罐4内部的混合气体输送到除氢器12的内部，对氧气中掺杂的少量氢气除去；

步骤三，氧气的初级除水：

将除氢之后含有水分的氧气输送到第一氧气冷却器14，通过第一氧气冷却器14进行冷却，根据氧气和水蒸气液化温度的不同，通过第一汽水分离器18将氧气中的水蒸气进行液化，实现纯水和氧气分离；

步骤四，氧气的干燥：

初步除水完成的氧气将被输送到干燥系统，通过干燥系统对氧气进行干燥；

步骤五，氧气的再次除水：

干燥完成之后的氧气将通过在线分析仪进行分析，如果内部含水率高于设定值，则将氧气再次输送到第二氧气冷却器29，通过第二氧气冷却器29进行冷却，根据氧气和水蒸气液化温度的不同，通过第二汽水分离器28将氧气中的水蒸气进行液化，实现纯水和氧气分离；

步骤六，氧气的再次干燥：

再次出水完成的氧气将被输送到干燥系统，通过干燥系统对氧气进行干燥，重复步骤五~步骤六，直到氧气中含水率低于设定值；

步骤七，氧气的充装：

将完全干燥的氧气输送到氧气储罐37进行储存，然后，通过增压机39将氧气充装到相应的氧气瓶组42内部。

Claims (14)

1.一种资源回收型内河码头制氢加氢站的氧纯化充装系统，其特征在于，包括用于和制氢系统的氧气出口相连的原气进气系统，原气进气系统与原气储罐（4）相连，原气储罐（4）的上部通过连通管与除氢器（12）的下部相连通，除氢器（12）的上部通过连通管与第一氧气冷却器（14）相连；第一氧气冷却器（14）与第一汽水分离器（18）相连，第一汽水分离器（18）的出口连接有用于对氧气进行循环干燥的干燥系统；干燥系统的出口通过第一出气总管（43）和第二氧气冷却器（29）相连，干燥系统的出口通过第二出气总管（30）和氧气储罐（37）相连；第二氧气冷却器（29）的顶部出口与第二汽水分离器（28）相连，第二汽水分离器（28）与干燥系统相连；氧气储罐（37）的出口与增压机（39）相连。

2.根据权利要求1所述一种资源回收型内河码头制氢加氢站的氧纯化充装系统，其特征在于：所述原气进气系统包括主进气管（1），主进气管（1）和原气储罐（4）之间安装有第一球阀（2）和第一止回阀（3）。

3.根据权利要求1所述一种资源回收型内河码头制氢加氢站的氧纯化充装系统，其特征在于：所述原气储罐（4）的顶部安装有第一安全阀（5）和第一压力表（6），原气储罐（4）上安装有第一液位计（7），原气储罐（4）的底端安装有第一排污阀（8）和第一电动排污阀（9）。

4.根据权利要求1所述一种资源回收型内河码头制氢加氢站的氧纯化充装系统，其特征在于：所述原气储罐（4）和除氢器（12）之间安装有第一阀门（11）和第一电动阀门（10）。

5.根据权利要求1所述一种资源回收型内河码头制氢加氢站的氧纯化充装系统，其特征在于：所述干燥系统包括并联的第一干燥器（23）、第二干燥器（24）和第三干燥器（25）；

第一干燥器（23）、第二干燥器（24）和第三干燥器（25）与相应的第一汽水分离器（18）和第二汽水分离器（28）之间设置有多个用于控制进气的第二电动阀门（22）；

第一干燥器（23）、第二干燥器（24）和第三干燥器（25）与相应的第二氧气冷却器（29）和氧气储罐（37）之间设置有多个用于控制出气的第三电动阀门（26）。

6.根据权利要求1所述一种资源回收型内河码头制氢加氢站的氧纯化充装系统，其特征在于：所述第一汽水分离器（18）和第二汽水分离器（28）采用相同的结构，所述第一汽水分离器（18）上连接有第二液位计（19），第一汽水分离器（18）的底端安装有第二排污阀（21）和第二电动排污阀（20）。

7.根据权利要求1所述一种资源回收型内河码头制氢加氢站的氧纯化充装系统，其特征在于：所述第一氧气冷却器（14）和第二氧气冷却器（29）采用相同的结构，第一氧气冷却器（14）的下部连通有冷冻水进水管（16），第一氧气冷却器（14）的上部连通有冷冻水出水管（15），第一氧气冷却器（14）上连通有第三排污阀（17）。

8.根据权利要求1所述一种资源回收型内河码头制氢加氢站的氧纯化充装系统，其特征在于：所述第二出气总管（30）上安装有自力式调压阀（31）。

9.根据权利要求8所述一种资源回收型内河码头制氢加氢站的氧纯化充装系统，其特征在于：所述自力式调压阀（31）和氧气储罐（37）之间的第二出气总管（30）上安装有第四电动阀门（32），第四电动阀门（32）和自力式调压阀（31）之间连通有取样阀（33）和放空阀（34）。

10.根据权利要求1所述一种资源回收型内河码头制氢加氢站的氧纯化充装系统，其特征在于：所述氧气储罐（37）的顶部安装有第二安全阀（35）和第二压力表（36），氧气储罐（37）的底端安装有第五电动阀（38）。

11.根据权利要求1所述一种资源回收型内河码头制氢加氢站的氧纯化充装系统，其特征在于：当需要对氧气瓶组（42）进行充装时，氧气瓶组（42）通过第二阀门（40）和第二球阀（41）与增压机（39）的出口连接。

12.根据权利要求5所述一种资源回收型内河码头制氢加氢站的氧纯化充装系统，其特征在于：所述第一干燥器（23）、第二干燥器（24）和第三干燥器（25）上分别连接有用于监测温度的温度传感器（27）；

所述第二出气总管（30）上安装有用于检测氧气的在线分析仪。

13.根据权利要求1所述一种资源回收型内河码头制氢加氢站的氧纯化充装系统，其特征在于：还包括PLC控制器（13），PLC控制器（13）与氧纯化充装系统的相应电动阀和仪表相连以实现电动阀的自动控制和系统参数的监测。

14.一种资源回收型内河码头制氢加氢站的氧纯化充装系统的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，氧气的收集：

将来自电解槽的氧气通过汇聚之后由原气进气系统输送到原气储罐（4）进行储存；

步骤二，氧气的除氢：

将原气储罐（4）内部的混合气体输送到除氢器（12）的内部，对氧气中掺杂的少量氢气除去；

步骤三，氧气的初级除水：

将除氢之后含有水分的氧气输送到第一氧气冷却器（14），通过第一氧气冷却器（14）进行冷却，根据氧气和水蒸气液化温度的不同，通过第一汽水分离器（18）将氧气中的水蒸气进行液化，实现纯水和氧气分离；

步骤四，氧气的干燥：

初步除水完成的氧气将被输送到干燥系统，通过干燥系统对氧气进行干燥；

步骤五，氧气的再次除水：

干燥完成之后的氧气将通过在线分析仪进行分析，如果内部含水率高于设定值，则将氧气再次输送到第二氧气冷却器（29），通过第二氧气冷却器（29）进行冷却，根据氧气和水蒸气液化温度的不同，通过第二汽水分离器（28）将氧气中的水蒸气进行液化，实现纯水和氧气分离；

步骤六，氧气的再次干燥：

再次出水完成的氧气将被输送到干燥系统，通过干燥系统对氧气进行干燥，重复步骤五~步骤六，直到氧气中含水率低于设定值；

步骤七，氧气的充装：

将完全干燥的氧气输送到氧气储罐（37）进行储存，然后，通过增压机（39）将氧气充装到相应的氧气瓶组（42）内部。