CN213976965U - 氢气提纯及存储系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种氢气提纯及存储系统。所述氢气提纯及存储系统包括：杂质气体储存室、储液室、储氢室和至少一个氢气提纯单元，所述氢气提纯单元包括储氢反应室、催化反应室、气液分离室，所述催化反应室内设置有加热机构，所述储氢反应室分别与所述杂质气体储存室、催化反应室连接，所述催化反应室与所述气液分离室连接，所述气液分离室分别与所述储液室、储氢室连接，以及，所述储液室还与所述储氢反应室连接。本实用新型提供的氢气提纯及存储系统能从复杂混合气体中直接提纯氢气，免去了杂质气体多级净化的步骤，工艺流程简洁高效，净化规模灵活，所得氢气的纯度以及回收率高。

Description

氢气提纯及存储系统

技术领域

本实用新型特别涉及一种氢气提纯及存储系统，属于氢气提纯技术领域。

背景技术

氢气是合成氨、金属冶炼、发电等领域的重要原料，被认为是终极能源。由煤化工、天然气重整、液体燃料重整等方法制备所得的氢气常混有各类杂质气体，如二氧化碳、一氧化碳、甲烷、水蒸气甚至硫化氢等。因此氢气净化是氢气制取过程中必不可少的步骤。现有的中小规模氢气净化主要使用变压吸附，但其产品气回收率较低，氢气净化技术仍具有较大的提升空间，此外，氢气的储运问题也是限制氢能发展的重要环节。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种氢气提纯及存储系统，以克服现有技术中的不足。

为实现前述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案包括：

本实用新型实施例提供了一种氢气提纯及存储系统，其包括：杂质气体储存室、储液室、储氢室和至少一个氢气提纯单元，所述氢气提纯单元包括储氢反应室、催化反应室、气液分离室，所述催化反应室内设置有加热机构，

所述储氢反应室分别与所述杂质气体储存室、催化反应室连接，所述催化反应室与所述气液分离室连接，所述气液分离室分别与所述储液室、储氢室连接，以及，所述储液室还与所述储氢反应室连接；其中，所述储氢反应室可供贫氢有机液体与含氢的原料气体发生加氢反应，所述杂质气体储存室至少用于存储未参与加氢反应的气体，所述催化反应室至少用于使加氢反应形成的富氢有机液体发生脱氢反应，所述气液分离室至少用于使脱氢反应后形成贫氢有机液体与氢气分离。

与现有技术相比，本实用新型的优点包括：

1)本实用新型实施例提供的一种氢气提纯及存储系统，结构简单，使用方便且成本低；

2)本实用新型实施例提供的一种氢气提纯及存储系统能从复杂混合气体中直接提纯氢气，免去了杂质气体多级净化的步骤，工艺流程简洁高效，净化规模灵活，所得氢气的纯度以及回收率高；

3)本实用新型实施例提供的一种氢气提纯及存储系统也兼具氢气储存的功能，储氢密度高，储氢载体安全且易于运输，易于与加油站对接。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型一典型实施案例中提供的一种氢气提纯及存储系统的结构示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本实用新型的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本实用新型实施例提供了一种氢气提纯及存储系统，不饱和有机液体可以发生加氢反应，从而有选择性地将氢气吸收，再通过催化反应即可将氢气单独释放，即可实现氢气的净化分离，此外，加氢后的有机液体(即富氢有机液体)本身也是良好的储氢载体，从而使本实用新型提供的一种氢气提纯及存储系统附带了储氢的功能。

本实用新型实施例提供了一种氢气提纯及存储系统，用于从含氢气体中提纯氢气并储存，原料气经过适当的预处理后，除去硫化物、氯气等腐蚀性和毒性较大的组分，剩余气体通入储氢反应室，氢气组分在催化剂的辅助下与储氢反应室内的贫氢有机液体发生加氢反应，其余的杂质组分得以富集并排出或收集，在有机液体吸收饱和后，将所得富氢有机液体通入催化反应室内发生脱氢反应，并分解为高纯氢气与贫氢有机液体，最后经过气液分离，即可得到高纯氢气，储氢反应室内的富氢有机液体也可储存运输，异地放氢，实现液态储氢的目的。

本实用新型实施例提供了一种氢气提纯及存储系统，其包括：杂质气体储存室、储液室、储氢室和至少一个氢气提纯单元，所述氢气提纯单元包括储氢反应室、催化反应室、气液分离室，所述催化反应室内设置有加热机构，

所述储氢反应室分别与所述杂质气体储存室、催化反应室连接，所述催化反应室与所述气液分离室连接，所述气液分离室分别与所述储液室、储氢室连接，以及，所述储液室还与所述储氢反应室连接；其中，所述储氢反应室可供贫氢有机液体与含氢的原料气体发生加氢反应，所述杂质气体储存室至少用于存储未参与加氢反应的气体，所述催化反应室至少用于使加氢反应形成的富氢有机液体发生脱氢反应，所述气液分离室至少用于使脱氢反应后形成贫氢有机液体与氢气分离。

进一步的，所述储氢反应室的气体入口与用于提供原料气体的供气机构连接，所述储氢反应室的杂质气体出口与杂质气体储存室连接，所述储氢反应室的液体出口与催化反应室的入口连接。

更进一步的，所述储氢反应室的气体入口与所述供气机构之间的管路上还设置有第一压气机，所述第一压气机至少用于使储氢反应室内的气压可供发生加氢反应。

更进一步的，所述储氢反应室上还设置有排空出口，所述排空出口与第二压气机连接，所述第二压气机还与所述杂质气体储存室连接，所述第二压气机至少用于驱使储氢反应室内的杂质气体经排空出口进入杂质气体储存室。

更进一步的，所述储氢反应室的气体入口设置在储氢反应室的顶部，所述储氢反应室的液体出口设置在储氢反应室的底部，所述储氢反应室的杂质气体出口位于所述储氢反应室的上部区域，所述排空出口设置在所述储氢反应室的下部区域。

更进一步的，所述储氢反应室的液体出口与催化反应室的入口之间的管路上还设置有减压器。

进一步的，所述储氢反应室内还设置有搅拌机构。

进一步的，连接所述杂质气体储存室、储液室、储氢室、储氢反应室、催化反应室以及气液分离室的管路上还设置有开关阀。

在一些较为具体的实施方案中，所述的氢气提纯及存储系统包括：杂质气体储存器、储液器、储氢器和至少一个氢气提纯单元，所述氢气提纯单元包括储氢反应器、催化反应器、气液分离器，所述储氢反应器分别与所述杂质气体储存器、催化反应器连接，所述催化反应器与所述气液分离器连接，所述气液分离器分别与所述储液器、储氢器连接，以及，所述储液器还与所述储氢反应器连接，其中

所述杂质气体储存器、储液器、储氢器、储氢反应器、催化反应器、气液分离器分别具有所述的杂质气体储存室、储液室、储氢室、储氢反应室、催化反应室和气液分离室。

在一些较为具体的实施方案中，所述的氢气提纯及存储系统包括多个氢气提纯单元，所述多个氢气提纯单元并联设置，其中，所述氢气提纯单元与所述杂质气体储存器、储液器、储氢器以及用于提供原料气体的供气机构连接。

如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，若非特别说明，本实用新型实施例提供的氢气提纯及存储系统中所采用各种反应器和存储存器等均可以采用本领域技术人员已知的，其均可以通过市购获得。

请参阅图1，本实用新型实施例提供的一种氢气提纯及存储系统，包括：杂质气体储存器(罐)10、储氢反应器(罐)20、催化反应器(罐)30、气液分离器(罐)40、储液器(罐)50、储氢器(罐)60、容置有原料气的供气机构或原料气容器、第一压气机、第二压气机以及减压器，

其中，所述储氢反应器20分别与所述容置有原料气的供气机构或原料气容器、杂质气体储存器10、催化反应器30连接，并可供贫氢有机液体与含氢的原料气体发生加氢反应，所述催化反应器30还与气液分离器40连接，所述气液分离器40还分别与储液器50、储氢器60连接，所述储液器50还与所述储氢反应器20连接，所述杂质气体储存器10至少用于存储未参与加氢反应的气体，所述催化反应器30至少用于使加氢反应形成的富氢有机液体发生脱氢反应，所述气液分离器40至少用于使脱氢反应后形成贫氢有机液体与氢气分离，所述储液器50内的贫氢有机液体可以通过泵输送回储氢反应器20内循环使用。

具体的，请再次参阅图1，所述杂质气体储存器10的上端设有气体入口11、下端设有气体出口12；所述储氢反应器20的顶部设有气体入口21，上端一侧设置有杂质气体出口23，底部设有液体出口22，下端侧部设有排空出口24，内部盛有贫氢有机液体与加氢催化剂，以及，所述储氢反应器20内还设置搅拌机构(例如驱动电机和搅拌桨等)；所述催化反应器30上下两端分别设有入口31和出口32，内部装填脱氢催化剂；所述气液分离器40的侧部设置有入口41，顶部设置有气体出口42，底部设置有液体出口43；储液器50上端设有液体入口，下端设有液体出口；

其中，所述储氢反应器20的气体入口21与第一压气机的出口连接，所述第一压气机的入口与容置有原料气的供气机构或原料气容器连接，储氢反应器20的杂质气体出口23与杂质气体储存器10的气体入口11连接，储氢反应器20的液体出口22经减压器70与催化反应器30的入口31相连，储氢反应器20的排空出口24与第二压气机的入口相连，第二压气机的出口与杂质气体储存器10的气体入口11相连；催化反应器30的出口32与气液分离器40的入口41相连，气液分离器40的液体出口43与储液器50的入口相连，气液分离器40的气体出口42与储氢器60相连，储液器50的出口与储氢反应器20的液体入口连接。

具体的，所述杂质气体储存器(罐)10、储氢反应器(罐)20、催化反应器(罐)30、气液分离器(罐)40、储液器(罐)50、储氢器(罐)60、容置有原料气的供气机构或原料气容器的进出口处的管路上还设置有开关阀以控制各个容器中介质的导入和导出。

具体的，所述储氢反应器20、催化反应器30和气液分离器40组合形成一个氢气提纯单元，其可以实现氢气的吸附和存储、分离。

采用本实用新型实施例提供的一种氢气提纯及存储系统的氢气提纯单元循环进行着加氢、脱氢、排空再生三个步骤，每个步骤具体如下：

加氢：储氢反应器20所填充的有机液体为贫氢有机液体，气体入口21开启，其余出口关闭；

原料气经第一压气机后通入储氢反应器20，并使储氢反应器20内气压保持在发生加氢反应的压力附近，在储氢反应器20中，氢气与贫氢有机液体发生催化加氢反应，其余杂质气体不反应，有机液体逐渐反应并生成富氢有机液体；在加氢过程中，由于氢气不断发生反应，原料气不断地补充，储氢反应器20内的杂质气体浓度会逐渐升高，因此，需要将杂质气体出口23间歇性地打开并与杂质气体储存器10相连通，储氢反应器20内的部分气体排放至杂质气体储存器10，排放期间气体入口21关闭以防止串气，当杂质气体排放完成后，重新开启气体入口21；

脱氢：关闭气体入口21，开启液体出口22，将发生形成的富氢有机液体从液体出口22匀速排放至催化反应器30内，富氢有机液体在催化反应器30内依靠重力流动，并分解为贫氢有机液体与高纯氢气，并从出口32流入气液分离器40，在气液分离器40内，高纯氢由气体出口42进入储氢器60内并成为产品气，液体进入储液器50。

排空再生：当储氢反应器20内的富氢有机液体全部流入催化反应器30后，关闭液体出口22，打开排空出口24，由第二压气机将储氢反应器20内多余的气体压缩至杂质气体储存器10内，储液器50内的有机液体经由液体泵重新打入储氢反应器20内，储氢反应器20进入下一个循环的加氢步骤。

在一些较为具体的实施方案中，还可以并联设置多个储氢反应器20或者并联设置多个氢气提纯单元，并使多个储氢反应器20、多个氢气提纯单元依次交错进行加氢、脱氢、排空再生过程，以提高工作效率并保证系统稳定连续运行。

具体的，考虑到加氢反应过程、气体压缩过程中会放出热量，而催化反应器需要有热量补给，因此可以通过外加储热器、热泵等装置对热量进行储存和传输，并将产生的多余热量供给催化反应器30使用，热量不足的部分可以由电加热或氢气/原料气/杂质气体催化氧化补充。

此外，储氢反应器20在完成加氢反应步骤后，可以不进行脱氢步骤，而直接储存和运输，从而达到液态储氢的效果，为了储存运输的安全性，所选用的有机液体应有较高的闪点。

实施例1：天然气蒸汽重整合成气净化

天然气重整合成气的成分通常为氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、硫化氢等，经过水气变换后，气体温度在200-500℃区间，压力为1.5-3MPa，使用本实用新型所提供的系统对氢气进行提纯的过程包括：

合成气由第一压气机加压至5.5MPa后，并调控温度至220-270℃后输入储氢反应器20，储氢反应器20内盛有0-二苄基甲苯以及镍基加氢催化剂，合成气中的氢气组分与0-二苄基甲苯反应后生成18-二苄基甲苯，反应过程中持续向储氢反应器20通入合成气，以保证其压力在5.5MPa附近；同时，间歇性地开启杂质气体出口23的阀门，向杂质气体储存器10内排放气体，以保证储氢反应器20内氢气浓度不会过低，促进加氢反应的快速进行；

当储氢反应器20内多数0-二苄基甲苯转化为18-二苄基甲苯后，加氢步骤结束，停止通入合成气，打开液体出口22，脱氢步骤开始；令18-二苄基甲苯均匀流入催化反应器30，催化反应器30的压力为1-2个大气压，温度保持在250-320℃；18-二苄基甲苯流入催化反应器30后吸热分解为0-二苄基甲苯和高纯氢，气液混合物流出催化反应器30，并在气液分离器40内分离；该过程中由高温热泵从储氢反应器20转移热量至催化反应器，在气液分离器40中，高纯氢气由气体出口42排出，剩余的0-二苄基甲苯由液体出口43排出，流入储液器50中待用；

当18-二苄基甲苯都进入催化反应器30后，脱氢步骤结束，排空再生步骤开始，由第二压气机将储氢反应器20内的气体压缩至杂质气体储存器10中，储液器50中的0-二苄基甲苯经过分子筛干燥后，重新打入储氢反应器20，排空再生步骤结束，下一循环开始。

根据上述过程，二苄基甲苯作为氢气净化载体被循环利用，从气液分离器中得到的气体为较纯净的氢气，杂质气体储存器内的气体组分主要为一氧化碳、二氧化碳、甲烷、硫化氢等，还有少量的氢气，该气体可以通过催化氧化反应放热，也可进一步分离。

实施例2：煤制变换气氢气提纯与储存

由煤气化、水气变换产生的合成气，其主要成分包括氢气、二氧化碳、甲烷，以及少量的一氧化碳、氮气、硫化氢等，气体压力为3.5MPa，温度一般为200-300℃，使用本实用新型所提供的系统对氢气进行提纯和储存的过程包括：

将合成气直接通入储氢反应器中，储氢反应器内温度保持在200℃左右，填有雷尼镍催化剂和N-乙基咔唑有机液体，氢气与N-乙基咔唑反应生成富氢N-乙基咔唑，反应过程中持续向储氢反应器通入合成气，以保证其压力在5.5MPa附近，同时，间歇性地开启杂质气体出口阀门，向杂质气体储存器内排放气体，当N-乙基咔唑反应接近饱和时，停止通入合成气，使用压气机将储氢反应器中的残留气体排入杂质气体储存器。将储氢反应器及其内部的富氢N-乙基咔唑运送到目的地后，打开液体出口，使用液体泵将富氢N-乙基咔唑打入催化反应器中，催化反应器中填有Pd/Al₂O₃催化剂，温度为220℃左右；富氢N-乙基咔唑吸热分解为N-乙基咔唑与高纯氢气，气液混合物在气液分离器中分离，液体进入储液器回收再利用，气体即为纯度较高的氢气。

本实用新型实施例提供的一种氢气提纯及存储系统，结构简单，使用方便且成本低；以及，本实用新型实施例提供的一种氢气提纯及存储系统能从复杂混合气体中直接提纯氢气，免去了杂质气体多级净化的步骤，工艺流程简洁高效，净化规模灵活，所得氢气的纯度以及回收率高；另外，本实用新型实施例提供的一种氢气提纯及存储系统也兼具氢气储存的功能，储氢密度高，储氢载体安全且易于运输，易于与加油站对接。

应当理解，上述实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氢气提纯及存储系统，其特征在于包括：杂质气体储存室、储液室、储氢室和至少一个氢气提纯单元，所述氢气提纯单元包括储氢反应室、催化反应室、气液分离室，所述催化反应室内设置有加热机构，

所述储氢反应室分别与所述杂质气体储存室、催化反应室连接，所述催化反应室与所述气液分离室连接，所述气液分离室分别与所述储液室、储氢室连接，以及，所述储液室还与所述储氢反应室连接；其中，所述储氢反应室可供贫氢有机液体与含氢的原料气体发生加氢反应，所述杂质气体储存室至少用于存储未参与加氢反应的气体，所述催化反应室至少用于使加氢反应形成的富氢有机液体发生脱氢反应，所述气液分离室至少用于使脱氢反应后形成贫氢有机液体与氢气分离。

2.根据权利要求1所述的氢气提纯及存储系统，其特征在于：所述储氢反应室的气体入口与用于提供原料气体的供气机构连接，所述储氢反应室的杂质气体出口与杂质气体储存室连接，所述储氢反应室的液体出口与催化反应室的入口连接。

3.根据权利要求2所述的氢气提纯及存储系统，其特征在于：所述储氢反应室的气体入口与所述供气机构之间的管路上还设置有第一压气机，所述第一压气机至少用于使储氢反应室内的气压可供发生加氢反应。

4.根据权利要求2所述的氢气提纯及存储系统，其特征在于：所述储氢反应室上还设置有排空出口，所述排空出口与第二压气机连接，所述第二压气机还与所述杂质气体储存室连接，所述第二压气机至少用于驱使储氢反应室内的杂质气体经排空出口进入杂质气体储存室。

5.根据权利要求4所述的氢气提纯及存储系统，其特征在于：所述储氢反应室的气体入口设置在储氢反应室的顶部，所述储氢反应室的液体出口设置在储氢反应室的底部，所述储氢反应室的杂质气体出口位于所述储氢反应室的上部区域，所述排空出口设置在所述储氢反应室的下部区域。

6.根据权利要求2所述的氢气提纯及存储系统，其特征在于：所述储氢反应室的液体出口与催化反应室的入口之间的管路上还设置有减压器。

7.根据权利要求1所述的氢气提纯及存储系统，其特征在于：所述储氢反应室内还设置有搅拌机构。

8.根据权利要求1所述的氢气提纯及存储系统，其特征在于：连接所述杂质气体储存室、储液室、储氢室、储氢反应室、催化反应室以及气液分离室的管路上还设置有开关阀。

9.根据权利要求1所述的氢气提纯及存储系统，其特征在于包括：杂质气体储存器、储液器、储氢器和至少一个氢气提纯单元，所述氢气提纯单元包括储氢反应器、催化反应器、气液分离器，所述储氢反应器分别与所述杂质气体储存器、催化反应器连接，所述催化反应器与所述气液分离器连接，所述气液分离器分别与所述储液器、储氢器连接，以及，所述储液器还与所述储氢反应器连接，其中

所述杂质气体储存器、储液器、储氢器、储氢反应器、催化反应器、气液分离器分别具有所述的杂质气体储存室、储液室、储氢室、储氢反应室、催化反应室和气液分离室。

10.根据权利要求1或9所述的氢气提纯及存储系统，其特征在于包括多个氢气提纯单元，所述多个氢气提纯单元并联设置，其中，所述氢气提纯单元与所述杂质气体储存器、储液器、储氢器以及用于提供原料气体的供气机构连接。

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