CN215208468U - 一种氯碱尾气中氢气纯化系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种氯碱尾气中氢气纯化系统，解决现有技术氯碱尾气中氢气纯化回收率低及成本高的技术问题。本实用新型包括用于输送氯碱尾气的原料气输送管，与原料气输送管相连接用于将原料气输送管内原料气与解吸气相混合以形成混合原料气的混合设备，从混合设备接出的压缩机，从压缩机接出的脱杂质设备，从脱杂质设备接出的冷却器，以及从冷却器接出用于通过变压吸附将混合原料气中氢气提纯至99.99％～99.999％的PSA提纯系统；PSA提纯系统中解吸气返回管与混合设备连接。本实用新型结构简单、设计科学合理，使用方便，可以有效提高氯碱尾气中氢气纯化过程中的回收率，同时降低氯碱尾气中氢气纯化成本。

Description

一种氯碱尾气中氢气纯化系统

技术领域

本实用新型属于气体分离设备技术领域，具体涉及一种氯碱尾气中氢气纯化系统。

背景技术

氯碱尾气是氯碱工业在电解过程中产生的副产气，氯碱尾气中含有饱和水、氯、氧、氮等杂质，常规回收氯碱尾气的方法是水洗脱氯、脱水，将氢气提纯至99％(干基)左右、压力为0.06MPaG～0.08MPaG的工业氢气。

随着我国氢能不断发展，对燃料电池用氢气和高纯氢气的需求量不断增加，据我国2019年发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》预测，氢能将成为中国能源体系的重要组成部分，预计到2050年，氢能在我国终端能源体系中的占比约为10％，氢气需求量接近6000万t，而在整个氢能产业链中重要的一环是解决氢气的来源。

氯碱尾气作为工业副产气，原料成本低，数量大，每年氯碱工业副产氢气为70～80万吨，将经过初步净化的氯碱尾气提纯至高纯氢或燃料电池用氢气满足我国日益增加的氢能需求具有广阔的市场前景。

氢气的纯化方法有多种如钯膜法、低温变压吸附法和常温变压吸附，其中钯膜法由于钯膜的材料昂贵、操作温度较高(200～400℃)、对原料气中微量杂质要求严格(尤其是卤化物、CO、S等)、渗透阻力大，因此，钯膜法不适合氯碱尾气规模化生产氢气；低温变压吸附法通常在-196℃下吸附，因此，能耗较高，而且要对原料气中的H₂O、CO₂等脱除后才能进入吸附分离工序；专利CN105858606B公开了有一种中冷变压吸附纯化工艺，其操作温度为-80℃～-10℃，比低温变压吸附工艺的操作温度有所提高，但仍然需要预吸附工序脱除H₂O、N₂、CO等杂质；常温变压吸附方法不需要预吸附，没有升温和降温过程，氢气纯度可以达到99.9％～99.999％，具有纯度高、投资低、运行能耗低、可调节性大等优点，然而变压吸附工艺氢气损失大，对于提升装置的运行效益来说，开发投资省、回收率高的氯碱尾气纯化系统非常重要。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种氯碱尾气中氢气纯化系统，以至少解决上述部分技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种氯碱尾气中氢气纯化系统，包括用于输送20～40℃、0.07MPa氯碱尾气的原料气输送管，与原料气输送管相连接用于将原料气输送管内原料气与30％～70％解吸气相混合以形成混合原料气的混合设备，从混合设备接出用于将混合原料气压缩至2.2MPaG并降温至80℃的压缩机，从压缩机接出用于去除混合原料气中部分杂质的脱杂质设备，从脱杂质设备接出用于将混合原料气降温至20～40℃的冷却器，以及从冷却器接出用于通过变压吸附将混合原料气中氢气提纯至99.99％～99.999％的PSA提纯系统；PSA提纯系统中解吸气返回管与混合设备连接。

进一步地，混合设备为分别与原料气输送管、解吸气返回管和压缩机相连接的引射器。

进一步地，混合设备包括与解吸气返回管相连接的升压风机，以及分别与升压风机、原料气输送管和压缩机相连接的混气罐。

进一步地，冷却器连接有将冷却后混合原料气中液态水分离出的气液分离器。

进一步地，脱杂质设备包括从压缩机接出且内装填有金属钯脱氧催化剂用于将压缩后混合原料气中O₂含量降低至3ppm以下的脱氧器。

进一步地，脱杂质设备还包括连接于压缩机和脱氧器之间且内装填有脱氯剂用于将压缩后混合原料气中氯含量降低至1ppm以下的脱氯器。

进一步地，压缩机为无油往复式压缩机。

进一步地，压缩机有两台，一台在线作业，另一台备用。

进一步地，PSA提纯系统为8塔PSA提纯氢气系统。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型结构简单、设计科学合理，使用方便，可以有效提高氯碱尾气中氢气纯化过程中的回收率，同时降低氯碱尾气中氢气纯化成本。

本实用新型通过将脱氯、脱氧和变压吸附相结合，可有效使产品氢气中的氧、氯及其他微量杂质都达到燃料电池氢气的使用标准，可用于氢能领域；变压吸附提纯氢气系统中部分解吸气通过引射器、或者升压风机和混气罐与原料气混合后重新循环，可使氢气回收率提高5～10个百分点；变压吸附在提纯氢气同时，氧、氯在解吸气中浓缩，解吸气在重新循环过程中重新经历脱氯和脱氧，可有效保证产品氢气的质量。

附图说明

图1为本实用新型系统示意图。

图2为本实用新型实例2中系统示意图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-原料气输送管、2-引射器、3-压缩机、4-冷却器、5-PSA提纯系统、6-解吸气返回管、7-升压风机、8-混气罐、9-气液分离器、10-脱氧器、11-脱氯器。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此其不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；当然的，还可以是机械连接，也可以是电连接；另外的，还可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1和2所示，本实用新型提供的一种氯碱尾气中氢气纯化系统，结构简单、设计科学合理，使用方便，可以有效提高氯碱尾气中氢气纯化过程中的回收率，同时降低氯碱尾气中氢气纯化成本。本实用新型包括用于输送20～40℃、0.07MPa氯碱尾气的原料气输送管1，与原料气输送管1相连接用于将原料气输送管1内原料气与30％～70％解吸气相混合以形成混合原料气的混合设备，从混合设备接出用于将混合原料气压缩至2.2MPaG并降温至80℃的压缩机3，从压缩机3接出用于去除混合原料气中部分杂质的脱杂质设备，从脱杂质设备接出用于将混合原料气降温至20～40℃的冷却器4，以及从冷却器4接出用于通过变压吸附将混合原料气中氢气提纯至99.99％～99.999％的PSA提纯系统5；PSA提纯系统5中解吸气返回管6与混合设备连接。压缩机3为无油往复式压缩机，压缩机3有两台，一台在线作业，另一台备用，PSA提纯系统5为8塔PSA提纯氢气系统。

本实用新型混合设备为分别与原料气输送管1、解吸气返回管6和压缩机3相连接的引射器2。或者，混合设备包括与解吸气返回管6相连接的升压风机7，以及分别与升压风机7、原料气输送管1和压缩机3相连接的混气罐8。

本实用新型冷却器4连接有将冷却后混合原料气中液态水分离出的气液分离器9。

本实用新型脱杂质设备包括从压缩机3接出且内装填有金属钯脱氧催化剂用于将压缩后混合原料气中O₂含量降低至3ppm以下的脱氧器10。脱杂质设备还包括连接于压缩机3和脱氧器10之间且内装填有脱氯剂用于将压缩后混合原料气中氯含量降低至1ppm以下的脱氯器11。

本实用新型通过将脱氯、脱氧和变压吸附相结合，可有效使产品氢气中的氧、氯及其他微量杂质都达到燃料电池氢气的使用标准，可用于氢能领域；变压吸附提纯氢气系统中部分解吸气通过引射器、或者升压风机和混气罐与原料气混合后重新循环，可使氢气回收率提高5～10个百分点；变压吸附在提纯氢气同时，氧、氯在解吸气中浓缩，解吸气在重新循环过程中重新经历脱氯和脱氧，可有效保证产品氢气的质量。

为了使本领域技术人员能够更好地理解本实用新型技术方案，现提供以下实例进行详细阐述。

实例1：本实例中氯碱尾气的组成如表1所示，压力0.07MPaG，将氯碱尾气提纯至燃料电池用氢气，即氢气指标满足《GB/T37244-2018质子交换膜燃料电池汽车用燃气氢气》，由于原料气中不含有氦气，因此氢气的摩尔含量要达到99.99％，指标如表2所示，氢气纯化系统如图1所示，纯化步骤如下：

(1)引射

氯碱尾气在0.07MPa，20～40℃进入引射器的高压端进口，通过引射器的提升作用，将PSA提纯系统中解吸气的70％从引射器的低压端引入引射器中，两股气体在引射器内混合成为混合原料气。

(2)压缩

混合原料气进入无油往复压缩机内压缩升压，往复压缩机将混合气体压缩至2.2MPaG，压缩后的气体温度冷却至80℃，压缩机两台，一运行一备用。

(3)脱氯

增压后的混合原料气在80℃从脱氯器的底部进入脱氯器中脱氯，脱氯器内装填有金属氧化物组成的脱氯剂，通过脱氯器后原料气中Cl^-含量降至1ppm以下，脱氯器1台。

(4)脱氧

脱氯后的原料气在80℃从脱氧器的顶部进入脱氧器脱氧，脱氯器内装填有金属钯脱氧催化剂，通过脱氧器后混合原料气中O₂含量至3ppm以下，脱氧器1台。

(5)降温/分液

氯解尾气中含有饱和水，经压缩、脱氯、脱氧后的混合原料气进入冷却器降温冷却，将混合原料气温度降至20～40℃，并通过气液分离器分离液态水。

(6)PSA提纯

经过脱氯、脱氧和冷却分液后的混合原料气进入8塔PSA提纯氢气系统中提纯氢气，8塔PSA提纯氢气系统的运行时序如表3所示，采用8-1-4/P流程，即1塔吸附，4次均压的冲洗流程，每个吸附塔依次经历吸附步骤、4次均压降压步骤、顺放步骤、逆放步骤、冲洗步骤、4次均压升压步骤和最终升压步骤。其中逆放步骤包含两个步骤，逆放后期即逆放2步骤的解吸气和冲洗步骤的解吸气进入引射器升压后作为原料气重新循环，而逆放前期的解吸气排出提纯系统。

PSA提纯氢气系统得到满足表2要求的燃料电池用氢气，氢气的综合回收率达到96％。

表1实例1中氯碱尾气组成

组分	H<sub>2</sub>	O<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>	CL-	H<sub>2</sub>O
						含量mol％	97.34	0.16	0.18	100ppm	饱和

表2《GB/T37244-2018质子交换膜燃料电池汽车用燃气氢气》

表3 8-1-4/P时序表

步骤

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

塔1

A

A

1D

2D

3D

4D

PP

PP

D

P

P

4R

3R

2R

1R

FR

塔2

1R

FR

A

A

1D

2D

3D

4D

PP

PP

D

P

P

4R

3R

2R

塔3

3R

2R

1R

FR

A

A

1D

2D

3D

4D

PP

PP

D

P

P

4R

塔4

P

4R

3R

2R

1R

FR

A

A

1D

2D

3D

4D

PP

PP

D

P

塔5

D

P

P

4R

3R

2R

1R

FR

A

A

1D

2D

3D

4D

PP

PP

塔6

PP

PP

D

P

P

4R

3R

2R

1R

FR

A

A

1D

2D

3D

4D

塔7

3D

4D

PP

PP

D

P

P

4R

3R

2R

1R

FR

A

A

1D

2D

塔8

1D

2D

3D

4D

PP

PP

D

P

P

4R

3R

2R

1R

FR

A

A

实例2：本实例氯碱尾气的组成如表4所示，压力0.06MPaG，将氯碱尾气提纯至高纯氢气，指标如表5所示，即氢气指标满足高纯氢气要求，氢气的摩尔含量达到99.999％，由于原料气中氯的含量在0.1ppm以下，取消脱氯工序，氢气纯化系统如图2所示，纯化步骤如下：

(1)混合

氯解尾气在0.06MPa，20～40℃进入系统与经风机加压的一部分PSA解吸气混合，混合后的原料气进入后序纯化工序。

(2)压缩

混合原料气进入无油往复压缩机内压缩升压，往复压缩机将混合气体压缩至2.2MPaG，压缩后的气体温度冷却至80℃，压缩机采用1开1备设置。

(3)脱氧

增压后的原料气在80℃从脱氧器的顶部进入脱氧器脱氧，脱氯器内装填有金属钯脱氧催化剂，通过脱氧器后原料气中O₂含量至3ppm，脱氧器为1台。

(4)降温/分液

氯解尾气中含有饱和水，经压缩、脱氧后的混合气进入冷却器降温冷却，将原料气的温度降至20～40℃，并通过气液分离器分离液态水。

(5)PSA提纯

经过脱氧和冷却分液后的原料气进入8塔PSA提纯氢气系统中提纯氢气，8塔PSA的时序如表3所示，采用8-1-4/P流程，即1塔吸附，4次均压的冲洗流程，每个吸附塔依次经历吸附步骤、4次均压降压步骤、顺放步骤、逆放步骤、冲洗步骤、4次均压升压步骤和最终升压步骤。其中逆放步骤包含两个步骤，逆放后期即逆放2步骤的解吸气和冲洗步骤的解吸气进入返回系统作为原料气重新循环，而逆放前期的解吸气尾气PSA的废气排出提纯系统。

PSA提纯氢气系统得到满足表5要求的99.999％的高纯氢气，氢气的综合回收率达到94.7％。

(7)风机升压

PSA提纯氢气的逆放后期的解吸气和冲洗过程的解吸气进入风机升压至0.06MPa的原料气压力，风机自带冷却器，将升压后的气体温度冷却至20～40℃，升压后的解吸气送去与氯碱尾气混合。

表4实例2氯碱尾气组成

组分	H<sub>2</sub>	O<sub>2</sub>	Ar	N<sub>2</sub>
					含量mol％	99.8	0.05	0.0005	0.1495

注：上表为干基组成，水为饱和，CL^-小于0.1ppm。

表5《GB/T3634.2-2011》高纯氢指标

最后应说明的是：以上各实施例仅仅为本实用新型的较优实施例用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，当然更不是限制本实用新型的专利范围；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围；也就是说，但凡在本实用新型的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本实用新型一致的，均应当包含在本实用新型的保护范围之内；另外，将本实用新型的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种氯碱尾气中氢气纯化系统，其特征在于，包括用于输送氯碱尾气的原料气输送管(1)，与原料气输送管(1)相连接用于形成混合原料气的混合设备，从混合设备接出用于将混合原料气压缩并降温的压缩机(3)，从压缩机(3)接出的脱杂质设备，从脱杂质设备接出用于将混合原料气降温的冷却器(4)，以及从冷却器(4)接出用于通过变压吸附将混合原料气中氢气提纯的PSA提纯系统(5)；PSA提纯系统(5)中解吸气返回管(6)与混合设备连接。

2.根据权利要求1所述的一种氯碱尾气中氢气纯化系统，其特征在于，混合设备为分别与原料气输送管(1)、解吸气返回管(6)和压缩机(3)相连接的引射器(2)。

3.根据权利要求1所述的一种氯碱尾气中氢气纯化系统，其特征在于，混合设备包括与解吸气返回管(6)相连接的升压风机(7)，以及分别与升压风机(7)、原料气输送管(1)和压缩机(3)相连接的混气罐(8)。

4.根据权利要求1所述的一种氯碱尾气中氢气纯化系统，其特征在于，冷却器(4)连接有将冷却后混合原料气中液态水分离出的气液分离器(9)。

5.根据权利要求1所述的一种氯碱尾气中氢气纯化系统，其特征在于，脱杂质设备包括从压缩机(3)接出且内装填有金属钯脱氧催化剂用于将压缩后混合原料气中O₂含量降低至3ppm以下的脱氧器(10)。

6.根据权利要求5所述的一种氯碱尾气中氢气纯化系统，其特征在于，脱杂质设备还包括连接于压缩机(3)和脱氧器(10)之间且内装填有脱氯剂用于将压缩后混合原料气中氯含量降低至1ppm以下的脱氯器(11)。

7.根据权利要求1所述的一种氯碱尾气中氢气纯化系统，其特征在于，压缩机(3)为无油往复式压缩机。

8.根据权利要求1所述的一种氯碱尾气中氢气纯化系统，其特征在于，压缩机(3)有两台，一台在线作业，另一台备用。

9.根据权利要求1所述的一种氯碱尾气中氢气纯化系统，其特征在于，PSA提纯系统(5)为8塔PSA提纯氢气系统。

Images