CN118142312B - 用于h2/co2/少量co混合气体分级回收的氢气分离装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于氢能源领域，具体地，涉及用于H2/CO2/少量CO混合气体分级回收的氢气分离装置，包括由渗铝罐体和其两端的渗铝罐盖构成的分离装置外壳，渗铝罐盖上一侧设置混合气体进气口、另一侧设置高纯氢气出气口；渗铝罐体内设置密封隔板，在密封隔板一侧设置活性炭层支架和合金分离膜支架，通过活性炭层支架安装活性炭层，合金分离膜穿过通孔并由合金分离膜支架密封安装至密封隔板，合金分离膜封闭的一端伸入CO2富集区域内，合金分离膜开口端与高纯氢气出气口连接；渗铝导管穿过密封隔板连接分离器内部CO2富集区域和CO2排出口。本发明通过一级活性炭层吸附CO、CO2和氢气通过合金分离膜进行分离，从不同的出口排出。
Description
技术领域
本发明属于氢能源领域，具体地，涉及一种用于H2/CO2/少量CO混合气体分级回收的氢气分离装置。
背景技术
氢气是一种清洁、绿色、高效能源，可以通过燃烧产生大量的热能，并且在燃烧过程中只产生水蒸气，不产生有害气体，相比传统燃料，氢气具有更高的能量密度，可以在相对较小的体积中储存更多的能量，具有多种应用和潜在的能源利用价值，是一种可持续发展的能源，可以用于交通运输、电力生产和工业领域。
工业制备的氢气多含有一定的杂质，例如CO2、CO等，需要将混合气体中的氢气分离出来，获得高纯氢气。目前氢气分离提纯工艺主要有变压吸附法、深冷法以及膜分离法。致密金属膜分离技术是氢气分离纯化领域的研究热点之一，纯钯及其合金膜纯化效果好，但钯膜存在氢脆，价格昂贵，使用范围受到限制。
制备低成本，抗氢脆能力强的氢分离合金膜，研发高效率的氢气分离装置，极具应用前景。
发明内容
为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种用于H2/CO2/少量CO混合气体分级回收的氢气分离装置，提高分离后的氢气纯度并且成本较低。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案如下：
一种用于H2/CO2/少量CO混合气体分级回收的氢气分离装置，包括：分离装置外壳，分离装置外壳由渗铝罐体和其两端的渗铝罐盖构成；在一侧渗铝罐盖上设置混合气体进气口，另一侧渗铝罐盖上设置高纯氢气出气口；在氢气分离装置内部设置密封隔板、活性炭层、合金分离膜、渗铝导管、活性炭层支架、合金分离膜支架；其中：渗铝罐体内靠近二氧化碳出气口一侧设置密封隔板，在密封隔板靠近混合气体进气口一侧设置环形的活性炭层支架和环形的合金分离膜支架，环形合金分离膜支架位于环形活性炭层支架内；通过活性炭层支架安装活性炭层，活性炭层为开口筒状结构，其开口端通过活性炭层支架与密封隔板密封连接；合金分离膜为一端封闭的筒状结构，密封隔板上设置通孔，合金分离膜穿过通孔并由合金分离膜支架密封安装至密封隔板，密封隔板和活性炭层形成二氧化碳富集区域；合金分离膜封闭的一端伸入二氧化碳富集区域内，合金分离膜开口端与高纯氢气出气口连接；渗铝导管穿过密封隔板连接分离器内部二氧化碳富集区域和二氧化碳排出气口。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：H2/CO2/少量CO混合气体分级回收的氢气分离装置，在进行氢气分离时，打开入气口保护盖，通入氢气、二氧化碳和少量一氧化碳的混合气体，一级分离后，原本存在于混合气体中的少量一氧化碳被充分吸收，再通过合金分离膜使氢气进入分离膜中从氢排气口排出，二氧化碳通过渗铝导管从二氧化碳排气口排出，渗铝导管一端通过密封隔板连接二氧化碳富集区域，一端通过罐体连接二氧化碳排气口。密封隔板牢固地安装在罐体上，分离器件安装在密封隔板上，活性炭层支架和合金分离膜支架对活性炭层和合金分离膜起到了支撑作用，整体结构布置合理有序，分离装置的设计便于拆卸、维修和更换。少量的一氧化碳被活性炭层吸附，氢气和二氧化碳由合金分离膜分离，由不同的排气口排出，分别被储存利用，从而实现了分级回收，保证了空气不被有害气体污染。
附图说明
图1是用于H2/CO2/少量CO混合气体分级回收的氢气分离装置的结构示意图；
图2是用于H2/CO2/少量CO混合气体分级回收分离过程示意图；
图中：
1、分离装置外壳；11、渗铝罐体；111、二氧化碳排气口；12、渗铝罐盖；121、混合气体进气口；122、高纯氢气出气口；
2、密封隔板；21、活性炭层支架；22、合金分离膜支架；
3、二氧化碳富集区域；
4、活性炭层；
5、合金分离膜；
6、渗铝导管。
图中箭头标志代表气体的流向。
具体实施方式
如图1、图2所示，用于H2/CO2/少量CO混合气体分级回收的氢气分离装置，包括：
分离装置外壳1，分离装置外壳1包括渗铝罐体11和其两端的渗铝罐盖12，渗铝罐体11和其两端的渗铝罐盖12通过螺栓连接，并作密封处理。
渗铝罐体11呈圆柱形，渗铝罐盖12呈半球状，渗铝罐体11和渗铝罐盖12可选择304L不锈钢，壁厚20~25mm，分离装置外壳1内表面渗铝，使其具有较好的阻氢性能及抗氢脆性能，防止钢体长时间处在氢气环境使得氢原子进入钢体内部，导致其发生氢脆或对整体外壳造成不良影响。
在一侧渗铝罐盖12的中心处设置混合气体进气口121，氢气、二氧化碳及少量一氧化碳的混合气体由此进入；在另一侧渗铝罐盖12中心处位置设置高纯氢气出气口122，高纯度氢气由此排出；渗铝罐体11靠近高纯氢气出气口122一侧设置二氧化碳排气口111。
在氢气分离装置内部设置密封隔板2、活性炭层4、合金分离膜5、渗铝导管6、活性炭层支架21、合金分离膜支架22。
渗铝罐体11内垂直轴线方向位于二氧化碳排气口111靠近混合气体进气口121一侧设置密封隔板2，密封隔板2作为主要的支撑、隔离部件；在密封隔板2靠近混合气体进气口121一侧设置环形的活性炭层支架21和环形的合金分离膜支架22，环形的合金分离膜支架22位于环形的活性炭层支架21内；通过活性炭层支架21安装活性炭层4，活性炭层4为开口筒状结构，其开口端通过活性炭层支架21与密封隔板2密封连接；合金分离膜5为一端封闭的筒状结构，密封隔板2上设置穿孔，合金分离膜5穿过穿孔并由合金分离膜支架22密封安装至密封隔板2，合金分离膜5封闭的一端伸入密封隔板2和活性炭层4形成的二氧化碳富集区域3内，合金分离膜5开口端与高纯氢气出气口122连接。密封隔板2的材料可选择304L不锈钢，其表面同样进行渗铝处理，厚度在30~70mm；渗铝导管6穿过密封隔板2连接分离器内部二氧化碳富集区域3和二氧化碳排气口111。
以氢气为主，含有二氧化碳和少量一氧化碳的混合气体从混合气体进气口121进入，处在活性炭层4与分离装置渗铝罐盖12、分离装置渗铝罐体11所围成的区域当中，活性炭层4厚度在35~40mm，含氢混合气体通过活性炭层4，一氧化碳和部分二氧化碳被吸附，活性炭对于氢气的吸附能力较差，对其吸附量可忽略不计，其余二氧化碳和氢气一同进入二氧化碳富集区域3，形成一级分离，对于活性炭层4吸附的一氧化碳，可用物理或化学方法使其从活性炭中脱除，合理回收处理，保证环境不被污染。
安装在密封隔板2上的活性炭层4是一级分离回收的重要装置，安装在密封隔板2上的活性炭层支架21和密封隔板2一起对活性炭层4起到了支撑的作用，活性炭层支架21材料采用耐高温的高分子材料，其厚度在30~35mm，长度在100~300mm，视活性炭层4的长度所需而定，活性炭层支架21能够有效的支撑活性炭层4在该位置正常工作。在活性炭层4外部是混合气体的存在区域，其内部则是二氧化碳富集区域3，其对于下一步的分离工作起到了重要的作用。
安装在密封隔板2上的活性炭层4、合金分离膜5和密封隔板2一起形成了二氧化碳富集区域3。经过活性炭吸附分离，含有杂质气体二氧化碳、氢气的混合气体处在二氧化碳富集区域3，氢气可透过合金分离膜5进入分离膜所围成的内部区域，二氧化碳则无法进入，其通过安装在密封隔板2上的渗铝导管6排出分离器外被收集起来，形成二级分离，渗铝导管6直径为20~23mm，连接处采用耐高温密封装置，以保证分离装置整体的密封性，高纯度氢气可沿合金分离膜5从高纯氢气出气口122排出分离装置。
处在二氧化碳富集区域3中的合金分离膜5安装在密封隔板2上，由合金分离膜支架22、密封隔板2以及渗铝罐盖12端口支撑，合金分离膜5的材料为Nb-Ti-Ni合金，已经证实Nb44Ti28Ni28合金和Nb56Ti23Ni23合金有较佳的氢渗透性能，合金分离膜5为双相构成，固溶体相bcc-(Nb,Ti)形成渗氢通道，共晶体相bcc-(Nb,Ti)+TiNi使得合金分离膜5具有抗氢脆性能，合金分离膜5的壁厚为10~15μm，内径为40~80mm，直径为80~120mm，长度为700~1800mm，具体要取决于氢气分离装置整体和活性炭层4的尺寸；合金分离膜支架22的材料为表面渗铝304L不锈钢，合金分离膜支架22和密封隔板2的连接处使用耐高温密封装置密封，合金分离膜5与合金分离膜支架22、密封隔板2的接触处使用耐高温密封装置密封。
安装在密封隔板2其材料可选为耐高温的高分子材料，厚度在30~35mm，长度在100~400mm，具体视合金分离膜5长度所需而定，渗铝罐盖12端口也对合金分离膜5起到了重要支撑作用，在该部位，高纯度氢气沿合金分离膜5从高纯氢气出气口122排出。
在密封隔板2的一侧是合金分离膜5、分离装置渗铝罐盖12、分离装置渗铝罐体11和密封隔板2所围成的封闭区域，合金分离膜5中的高纯度氢气沿标记流动方向从高纯氢气出气口122排出，不会流入上述的封闭区域。渗铝罐体11上设有二氧化碳排气口111，安装在密封隔板2和二氧化碳排气口111上的渗铝导管6连接二氧化碳富集区域3和二氧化碳排气口111，使得二氧化碳可沿渗铝导管6有序排出，渗铝导管6材料可选择304L不锈钢，直径在20~23mm，表面渗铝处理，表面渗铝原因与渗铝罐盖12、渗铝罐体11和密封隔板2相同，同时渗铝导管6不与高纯度氢气直接接触，其渗铝处理是考虑随二氧化碳一同流出的极少量氢气所导致的氢脆等一些不利影响。
含氢混合气体经过逐级分离，高纯度氢气可沿合金分离膜5从高纯氢气出气口122排出，同时，在合金分离膜5靠近高纯氢气出气口122的区域，即密封隔板2、合金分离膜5、部分渗铝罐体11及一侧渗铝罐盖12所围成的区域，形成了一个封闭空间，在此区域中，渗铝导管6与密封隔板2、渗铝罐体11的接触部分，合金分离膜5和密封隔板2、合金分离膜支架22及渗铝罐盖12的接触部分以及渗铝罐盖12与渗铝罐体11的结合处均使用耐高温密封装置密封，以保证高纯度氢气通过高纯氢气出气口122进入下一步的处理或应用之中。
用于H2/CO2/少量CO混合气体分级回收的氢气分离装置，其具体的工艺过程为：使用时，将需要进行氢分离的混合气体通入混合气体进气口121，如甲烷和水蒸气的重整反应后，氢气中包含二氧化碳和少量的一氧化碳，混合气体进入分离装置以后由于气体压力的作用开始流向分离器高纯氢气出气口122的方向，混合气体到达活性炭层4后进行一级分离，混合气体中少量的一氧化碳被活性炭层4充分吸收，混合气体中含有的二氧化碳和氢气透过活性炭层4到达了二氧化碳富集区域3，在此区域中完成二级分离，氢气达到合金分离膜5表面，被解离成氢原子，由于合金分离膜5中固溶体相的存在，氢原子透过合金分离膜5，在从合金分离膜5出去时，又结合成为氢分子，沿合金分离膜5流向高纯氢气出气口122，混合气体中的二氧化碳并不能透过合金分离膜5进入膜内，由于气体压力的原因，其将沿渗铝导管6排出氢气分离装置，高纯度氢气沿合金分离膜5最终由高纯氢气出气口122排出。
高纯度氢气和有害气体二氧化碳被分别收集起来，随后可进行下一步的应用或将有害气体二氧化碳进行进一步的处理，使其能被回收利用，被活性炭层4吸附的一氧化碳可以通过物理或者化学的方法使其脱附并回收后进行后续处理。在待分离的混合气体中，一氧化碳的含量本身较低，所设置的活性炭层4能够较长时间进行工作，无需频繁更换新活性炭层4使过程繁琐。
在上述氢气分离装置中，也可以增加渗铝导管6的数量来增加二氧化碳排出的速度，渗铝导管6的数量根据二氧化碳在混合气体中的比例来选择，选择多个渗铝导管6进行氢分离时，可将其安装在密封隔板2上并通过二氧化碳排气口111向分离装置外排出，排出后加以有效收集或进行回收利用。
本发明提出的用于H2/CO2/少量CO混合气体分级回收的氢气分离装置，适用于中小规模的气体分离且适用性广，可以获得高纯度氢气，分离装置结构设计巧妙、分离效率高、使用安全性及密封性好，有效实现了高纯氢气的分离。
Claims (9)
1.一种用于H2/CO2/少量CO混合气体分级回收的氢气分离装置，包括：分离装置外壳，分离装置外壳由渗铝罐体和其两端的渗铝罐盖构成；在一侧渗铝罐盖上设置混合气体进气口，另一侧渗铝罐盖上设置高纯氢气出气口；在氢气分离装置内部设置密封隔板、活性炭层、合金分离膜、渗铝导管、活性炭层支架、合金分离膜支架；其特征在于：渗铝罐体内靠近二氧化碳出气口一侧设置密封隔板，在密封隔板靠近混合气体进气口一侧设置环形的活性炭层支架和环形的合金分离膜支架，环形合金分离膜支架位于环形活性炭层支架内；通过活性炭层支架安装活性炭层，活性炭层为开口筒状结构，其开口端通过活性炭层支架与密封隔板密封连接；合金分离膜为一端封闭的筒状结构，密封隔板上设置通孔，合金分离膜穿过通孔并由合金分离膜支架密封安装至密封隔板，密封隔板和活性炭层形成二氧化碳富集区域；合金分离膜封闭的一端伸入二氧化碳富集区域内，合金分离膜开口端与高纯氢气出气口连接；渗铝导管穿过密封隔板连接分离器内部二氧化碳富集区域和二氧化碳排气口。
2.根据权利要求1所述的用于H2/CO2/少量CO混合气体分级回收的氢气分离装置，其特征在于：渗铝罐体呈圆柱形，渗铝罐盖呈半球状，渗铝罐体和其两端的渗铝罐盖通过螺栓连接，并作密封处理。
3.根据权利要求2所述的用于H2/CO2/少量CO混合气体分级回收的氢气分离装置，其特征在于：渗铝罐体、渗铝罐盖和密封隔板采用304L不锈钢，渗铝罐体、渗铝罐盖壁厚20~25mm，分离装置外壳内表面渗铝；密封隔板其表面同样进行渗铝处理，密封隔板厚度在30~70mm。
4.根据权利要求3所述的用于H2/CO2/少量CO混合气体分级回收的氢气分离装置，其特征在于：活性炭层厚度在35~40mm；活性炭层支架材料采用耐高温的高分子材料，其厚度在30~35mm，长度在100~300mm，视活性炭层的长度所需而定。
5.根据权利要求4所述的用于H2/CO2/少量CO混合气体分级回收的氢气分离装置，其特征在于：渗铝导管直径为20~23mm，连接处采用耐高温密封装置，以保证分离装置整体的密封性。
6.根据权利要求5所述的用于H2/CO2/少量CO混合气体分级回收的氢气分离装置，其特征在于：渗铝导管的数量是根据二氧化碳在混合气体中的比例进行选择。
7.根据权利要求6所述的用于H2/CO2/少量CO混合气体分级回收的氢气分离装置，其特征在于：合金分离膜的材料为Nb-Ti-Ni合金，合金分离膜为双相构成，固溶体相bcc-(Nb,Ti)形成渗氢通道，共晶体相bcc-(Nb,Ti)+TiNi使得合金分离膜具有抗氢脆性能，合金分离膜的壁厚为10~15μm，内径为40~80mm，直径为80~120mm，长度为700~1800mm，具体要取决于氢气分离装置整体和活性炭层的尺寸；合金分离膜支架的材料为表面渗铝304L不锈钢，合金分离膜支架和密封隔板的连接处使用耐高温密封装置密封。
8.根据权利要求7所述的用于H2/CO2/少量CO混合气体分级回收的氢气分离装置，其特征在于：合金分离膜的材料为Nb44Ti28Ni28合金和Nb56Ti23Ni23合金。
9.根据权利要求8所述的用于H2/CO2/少量CO混合气体分级回收的氢气分离装置，其特征在于：合金分离膜支架采用表面渗铝304L不锈钢，厚度在30~35mm，长度在100~400mm，具体视合金分离膜的长度所需而定。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |