CN217473080U - 一种用于氢气纯化的无外排两塔干燥装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型具体为一种用于氢气纯化的无外排两塔干燥装置，包括脱氧系统、原料气分配系统、气液冷却分离系统、纯化再生系统、产品气分配系统、产品气输出系统、再生气循环系统，脱氧系统连接原料气分配系统，原料气分配系统连接气液冷却分离系统，气液冷却分离系统连接纯化再生系统，纯化再生系统连接产品气分配系统，产品气分配系统连接产品气输出系统，再生气循环系统的出气端连接脱氧系统，再生气循环系统的回气端连接原料气分配系统，产品气分配系统还包括比例阀。增加再生气循环系统，避免了氢气的外排浪费；增设比例阀，负责对再生气的流速、流量以及压力进行控制，减少了多个阀门的使用，降低了设备制造及运维成本。

Description

一种用于氢气纯化的无外排两塔干燥装置

技术领域

本实用新型涉及新能源技术领域，具体为一种用于氢气纯化的无外排两塔干燥装置。

背景技术

氢气作为一种绿色环保的燃料和优异的还原气体，被广泛应用在各种工业领域中。然而，水电解制备出的氢气经气液分离后，仍然存在较多的杂质，其中大部分为气体携带的水和经隔膜渗透的微量氧气。该种纯度下的氢气大多数情况下不能直接用于工业生产应用，需要经纯化装置进行纯化，降低组分中杂质水和氧气的浓度。

用于氢气纯化的装置中，一般至少含有两个干燥塔。再生方法为变温吸附法，在正常工作条件下，一个干燥塔负责纯化干燥，另一个干燥塔进行再生恢复。再生过程主要分为两阶段：一是加热再生，通过对干燥器中的吸附剂(一般为分子筛)进行加热使吸附剂中的水分脱附，脱除后的水分经再生气携带出至干燥塔；二是强制吹冷，通过再生气吹扫，降低干燥塔的温度。

为获得较好的再生效果，一般选用10％(体积比)左右的产品气作为再生气体。为保证产品气的纯度，再生气体经气水分离后直接排放，这造成了氢气的大量浪费。为避免氢气排空，也可选择将再生气再流经第三个干燥器，进行再次吸附，但增加的干燥塔会造成设备制造、维护成本的增加，以及增加纯化装置结构及纯化控制逻辑的复杂化。

同时，为实现较高的再生气流速(以更好的带走干燥塔内的水蒸气)，通常选择低压或常压的方式进行干燥塔的再生。但实现该目标需增设2路计量阀或增设1路计量阀和减压阀组合，这无疑会增加设备生产制造成本和维护成本。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种结构简单、无外排浪费、再生速度快的氢气纯化装置，以解决现有的三塔干燥结构复杂以及两塔干燥氢气外排浪费的弊端，同时提高干燥塔再生速度及氢气纯化效率，从而获得低露点的产品氢气。

本实用新型提供的用于氢气纯化的无外排两塔干燥装置包括脱氧系统、原料气分配系统、气液冷却分离系统、纯化再生系统、产品气分配系统、产品气输出系统，所述脱氧系统的出气端连接原料气分配系统，所述原料气分配系统还连接气液冷却分离系统，所述气液冷却分离系统连接纯化再生系统，所述纯化再生系统连接产品气分配系统，所述产品气分配系统连接产品气输出系统，所述产品气分配系统包括第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀，所述第一单向阀、第三单向阀串连组成气路Ⅰ，所述第二单向阀和第四单向阀串连组成气路Ⅱ，所述气路Ⅰ和气路Ⅱ并连，还包括再生气循环系统，所述再生气循环系统的出气端连接脱氧系统，所述再生气循环系统的回气端连接原料气分配系统；所述产品气分配系统还包括比例阀，所述比例阀的一端连接至第一单向阀和第三单向阀之间的气路Ⅰ，另一端连接至第二单向阀和第四单向阀之间的气路Ⅱ。

优选的，所述气液冷却分离系统包括第一气液冷却分离器和第二气液冷却分离器，所述第一气液冷却分离器连接第一排水阀，所述第二气液冷却分离器连接第二排水阀。

优选的，所述原料气分配系统采用四通阀，所述四通阀的四个端口分别连接脱氧系统、第一气液冷却分离器、第二气液冷却分离器、再生气循环系统。

优选的，所述纯化再生系统包括第一干燥塔和第二干燥塔，所述第一干燥塔连接第一气液冷却分离器，所述第二干燥塔连接第二气液冷却分离器。

优选的，所述第一干燥塔的两端口分别连接过滤器，所述第二干燥塔的两端口也分别连接过滤器。

优选的，所述第一单向阀和第二单向阀的一端连接第一干燥塔，所述第三单向阀和第四单向阀的一端连接第二干燥塔。

优选的，所述产品气输出系统包括依次连接的截止阀和背压阀。

优选的，所述再生气循环系统采用引射器或者循环泵。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型专利通过增设再生气循环系统，仅采用两个干燥塔工作即可实现对原料氢气的干燥过程，相较于三塔干燥装置，简化了流程，降低了装置的生产成本及后期维护成本；相较于传统两塔干燥装置，避免了氢气的外排浪费，提高了纯化干燥效率；本实用新型优先选用基于文丘里效应的引射器作为氢气循环装置，引射器内无移动部件，具有结构简单、运行可靠、无污染等优点，且不会增加由于增设氢气循环过程产生的能量损耗。

(2)本实用新型选用比例阀负责对再生气的流速、流量以及压力进行控制，减少了多个阀门的使用，降低了设备制造及运维成本；通过控制比例阀的开口开度改变再生气的流速、流量以及压力，可缩短再生塔的加热时间，促进水分的释放，降低再生塔因辅助加热造成的功耗损失，同时利用再生气体流速的变化，提高再生效果，缩短再生塔降温的时间。本实用新型依据产品氢气出口纯度进行两干燥塔状态的切换，使产品氢气的纯度得以保证。

附图说明

图1为本实用新型模用于氢气纯化的无外排两塔干燥装置的工作原理图。

附图标注：

脱氧系统1、原料气分配系统2、气液冷却分离系统3、纯化再生系统4、产品气分配系统5、产品气输出系统6、再生气循环系统7、第一单向阀50、第二单向阀51、第三单向阀52、第四单向阀53、比例阀55、

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。

实施例

请参阅图1，本实施例提供的用于氢气纯化的无外排两塔干燥装置包括脱氧系统1、原料气分配系统2、气液冷却分离系统3、纯化再生系统4、产品气分配系统5、产品气输出系统6，所述脱氧系统1 的出气端连接原料气分配系统2，所述原料气分配系统2还连接气液冷却分离系统3，所述气液冷却分离系统3连接纯化再生系统4，所述纯化再生系统4连接产品气分配系统5，所述产品气分配系统5连接产品气输出系统6，所述产品气分配系统5包括第一单向阀50、第二单向阀51、第三单向阀52、第四单向阀53，所述第一单向阀50、第三单向阀52串连组成气路Ⅰ，所述第二单向阀51和第四单向阀 53串连组成气路Ⅱ，所述气路Ⅰ和气路Ⅱ并连，还包括再生气循环系统7，所述再生气循环系统7的出气端连接脱氧系统1，所述再生气循环系统7的回气端连接原料气分配系统2；所述产品气分配系统 5还包括比例阀55，所述比例阀55的一端连接至第一单向阀50和第三单向阀51之间的气路Ⅰ，另一端连接至第二单向阀51和第四单向阀53之间的气路Ⅱ，本实施例中各个系统之间，以及各个系统的部件之间的连接均是通过管道连接的。本实施例的脱氧系统1包括干燥塔10，负责除去原料气中的微量氧气。

作为本实施例的一个优选实施方式，所述气液冷却分离系统3包括第一气液冷却分离器30和第二气液冷却分离器31，所述气液冷却分离器负责对氢气和水分进行冷却分离。所述第一气液冷却分离器 30连接第一排水阀32，所述第二气液冷却分离器31连接第二排水阀 33。所述排水阀的作用是将分离后的水分通过排污口C排出。

作为本实施例的一个优选实施方式，所述原料气分配系统2采用四通阀20，用于对脱氧后的氢气流向进行调节。所述四通阀20的四个端口2a、2b、2c、2d分别连接脱氧系统1、第一气液冷却分离器 30、再生循环系统7、第二气液冷却分离器31。

作为本实施例的一个优选实施方式，所述纯化再生系统4包括第一过滤器40、第一干燥塔41、第二过滤器42、第三过滤器43、第二干燥塔44、第四过滤器45，所述第一干燥塔41连接第一气液冷却分离器30，所述第二干燥塔44连接第二气液冷却分离器31。所述第一干燥塔41的两端口分别连接第一过滤器40和第二过滤器42，所述第二干燥塔44的两端口也分别连接第三过滤器43、第四过滤器45。所述第二过滤器42的另一端连接第一单向阀50和第二单向阀51。所述第三过滤器43的另一端连接第三单向阀52和第四单向阀53。所述干燥塔通过变温吸附的方法将氢气中水分脱除。所述过滤器的作用是捕捉气体管路中的颗粒，防止管道堵塞。所述单向阀的作用是限制氢气的流动方向。

作为本实施例的一个优选实施方式，所述产品气输出系统6包括依次连接的截止阀60和背压阀61，以维持产品气以稳定的输出压力通过产品气出口B排出。

作为本实施例的一个优选实施方式，所述再生气循环系统7采用基于文丘里效应的引射器70，负责将再生气循环至初始进气管路中。当然，再生气循环系统7不局限于使用引射器70，还可以采用循环泵。

当第一干燥塔41处于纯化状态，第一干燥塔41为纯化塔，当第二干燥塔44处于再生状态时，第二干燥塔44为再生塔。涉及产品气流经的设备及端口的路径顺序为：原料气入口A、引射器端口7a、引射器70、引射器端口7b、干燥塔端口1a、干燥塔10、干燥塔端口 1b、四通阀端口2a、四通阀20、四通阀端口2b、第一气液冷却分离器端口3a、第一气液冷却分离器30、第一气液冷却分离器端口3b、第一过滤器40、第一干燥塔端口4a、第一干燥塔41、第一干燥塔端口4b、第二过滤器42、第一单向阀50、截止阀60、背压阀61、产品气出口B。原料氢气经脱氧系统1脱氧后，由四通阀20换向流入第一气液冷却分离器30进行气液分离，分离后的水分经第一排水阀 32从排污口C排出，分离后的氢气进入第一干燥塔41进行干燥，去湿后生产出高纯的产品氢，90％的产品氢经截止阀60、背压阀61输出。

将10％的产品氢分流出作为再生气进一步进行再生。涉及再生气流经的设备及端口的路径顺序为：原料气入口A、引射器端口7a、引射器70、引射器端口7b、干燥塔端口1a、干燥塔10、干燥塔端口 1b、四通阀端口2a、四通阀20、四通阀端口2b、第一气液冷却分离器端口3a、第一气液冷却分离器30、第一气液冷却分离器端口3b、第一过滤器40、第一干燥塔端口4a、第一干燥塔41、第一干燥塔端口4b、第二过滤器42、第一单向阀50、比例阀55、第四单向阀53、第三过滤器43、第二干燥塔端口4c、第二干燥塔44、第二干燥塔端口4d、第四过滤器45、第二气液冷却分离器端口3e、第二气液冷却分离器31、第二气液冷却分离器端口3d、四通阀端口2d、四通阀20、四通阀端口2c、引射器端口7c、引射器70。所述第一干燥塔41和第二干燥塔44内均装填有水分吸附剂，并设有电加热管。再生气经比例阀55、第四单向阀53、第三过滤器43进入第二干燥塔44进行再生。通过改变比例阀55的开度范围控制再生气(分配到第二干燥塔44的产品氢)的流速和压力。所述再生过程分为两个阶段，第一阶段为加热再生阶段，利用电加热管对第二干燥塔44加热，释放出吸附的水分，水分被再生气携带出塔外，所述加热温度高于100摄氏度；第二阶段为强制吹冷阶段，停止电加热，利用再生气对第二干燥塔44进行降温吹扫。携带水分的再生气进入第二气液分离过滤器进行冷却分离。再生过程完成后，再生气经四通阀20换向流入引射器或者循环泵，而冷凝水经过第二排水阀33从排污口C排出。

当第一干燥塔41处于再生状态，第一干燥塔41为再生塔，当第二干燥塔44处于纯化状态时，第二干燥塔44为纯化塔。涉及产品气流经的设备及端口的路径顺序为：原料气入口A、引射器端口7a、引射器70、引射器端口7b、干燥塔端口1a、干燥塔10、干燥塔端口 1b、四通阀端口2a、四通阀20、四通阀端口2d、第二气液冷却分离器端口3d、第二气液冷却分离器31、第二气液冷却分离器端口3e、第四过滤器45、第二干燥塔端口4d、第二干燥塔44、第二干燥塔端口4c、第三过滤43、第三单向阀52、截止阀60、背压阀61、产品气出口B。涉及再生气流经的设备及端口的路径顺序为：原料气入口 A、引射器端口7a、引射器70、引射器端口7b、干燥塔端口1a、干燥塔10、干燥塔端口1b、四通阀端口2a、四通阀20、四通阀端口2d、第二气液冷却分离器端口3d、第二气液冷却分离器31、第二气液冷却分离器端口3e、第四过滤器45、第二干燥塔端口4d、第二干燥塔44、第二干燥塔端口4c、第三过滤43、第三单向阀52、比例阀55、第二单向阀51、第二过滤器42、第一干燥塔端口4b、第一干燥塔41、第一干燥塔端口4a、第一过滤器40、第一气液冷却分离器端口3b、第一气液冷却分离器30、第一气液冷却分离器端口3a、四通阀端口2b、四通阀20、四通阀端口2c、引射器端口7c，引射器70。

本实施例中比例阀55的开度大小随干燥塔的不同工作阶段进行调整，并且依据产品氢的纯度进行两个干燥塔状态的切换。

比例阀55的开口开度在0-100％范围内调节，当处于再生状态的干燥塔处于加热再生阶段时，减小比例阀55开口开度，提高热量利用效率，缩短加热时间，同时减小再生塔内压力，促进水分的释放；当处于再生状态的干燥塔处于强制吹冷阶段时，适度增大比例阀55 开口开度，利用再生气体流速的变化，提高再生气的水分携带效果，同时缩短再生塔降温的时间。

第一干燥塔41和第二干燥塔44状态的切换不再依据工作时间，而是根据产品气出口B处的气体纯度，当纯度下降到临界值时，进行状态切换；切换的充分必要条件为再生塔已完成强制吹冷阶段。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种用于氢气纯化的无外排两塔干燥装置，包括脱氧系统、原料气分配系统、气液冷却分离系统、纯化再生系统、产品气分配系统、产品气输出系统，所述脱氧系统的出气端连接原料气分配系统，所述原料气分配系统还连接气液冷却分离系统，所述气液冷却分离系统连接纯化再生系统，所述纯化再生系统连接产品气分配系统，所述产品气分配系统连接产品气输出系统，所述产品气分配系统包括第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀，所述第一单向阀、第三单向阀串连组成气路Ⅰ，所述第二单向阀和第四单向阀串连组成气路Ⅱ，所述气路Ⅰ和气路Ⅱ并连，其特征在于：还包括再生气循环系统，所述再生气循环系统的出气端连接脱氧系统，所述再生气循环系统的回气端连接原料气分配系统；所述产品气分配系统还包括比例阀，所述比例阀的一端连接至第一单向阀和第三单向阀之间的气路Ⅰ，另一端连接至第二单向阀和第四单向阀之间的气路Ⅱ。

2.根据权利要求1所述的用于氢气纯化的无外排两塔干燥装置，其特征在于：所述气液冷却分离系统包括第一气液冷却分离器和第二气液冷却分离器，所述第一气液冷却分离器连接第一排水阀，所述第二气液冷却分离器连接第二排水阀。

3.根据权利要求1所述的用于氢气纯化的无外排两塔干燥装置，其特征在于：所述原料气分配系统采用四通阀，所述四通阀的四个端口分别连接脱氧系统、第一气液冷却分离器、第二气液冷却分离器、再生气循环系统。

4.根据权利要求2所述的用于氢气纯化的无外排两塔干燥装置，其特征在于：所述纯化再生系统包括第一干燥塔和第二干燥塔，所述第一干燥塔连接第一气液冷却分离器，所述第二干燥塔连接第二气液冷却分离器。

5.根据权利要求4所述的用于氢气纯化的无外排两塔干燥装置，其特征在于：所述第一干燥塔的两端口分别连接过滤器，所述第二干燥塔的两端口也分别连接过滤器。

6.根据权利要求5所述的用于氢气纯化的无外排两塔干燥装置，其特征在于：所述第一单向阀和第二单向阀的一端连接第一干燥塔，所述第三单向阀和第四单向阀的一端连接第二干燥塔。

7.根据权利要求1所述的用于氢气纯化的无外排两塔干燥装置，其特征在于：所述产品气输出系统包括依次连接的截止阀和背压阀。

8.根据权利要求1所述的用于氢气纯化的无外排两塔干燥装置，其特征在于：所述再生气循环系统采用引射器或者循环泵。

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