CN218478535U - 氢气纯化塔和水电解制氢系统 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种氢气纯化塔和水电解制氢系统，氢气纯化塔包括罐体、加热套管、热媒输入管和热媒输出管，罐体的内部形成有作业腔，加热套管设置在作业腔中并且包括外套管和内套管，外套管和内套管均沿竖直方向延伸，外套管的顶端封闭且外套管套设于内套管的外部，并且外套管的底端封闭地连接于内套管的外壁，内套管的顶端为开口并与外套管连通，热媒输入管从罐体的外部延伸至作业腔并与外套管的底端连通，热媒输出管从罐体的外部延伸至作业腔并与内套管的底端连通。通过上述技术方案，本公开提供的氢气纯化塔不仅能够满足氢气纯化设备大型化的安全要求，并且节省了安装和维修成本。
Description
技术领域
本公开涉及氢气纯化技术领域，具体地，涉及一种氢气纯化塔和水电解制氢系统。
背景技术
近年来随着氢能的发展，较为方便的水电解制氢方法逐渐成为市场需求主体。在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气，并与循环电解液一起，分别进入氢、氧分离洗涤器进行气液分离、洗涤、冷却，随后氢气通入纯化用的脱氧塔和干燥塔中进行脱氧和干燥，由于脱氧塔和干燥塔的工作具有一定的工艺温度要求，因此其中设置有加热设备。
相关技术中，水电解制氢领域纯化脱氧塔和干燥塔加热设备采用的是传统电阻丝内筒加热方式，电加热管插入封闭的不锈钢管内，通电后，电阻丝加热，通过不锈钢管向外辐射热，提高氢气温度，达到脱氧和再生的工艺温度。该种加热方式随单套设备处理量的增加，加热管增多，因而接线复杂，安全隐患较多，难以满足防爆强制认证的要求，并且由于设备本身较高，一旦加热管故障，检修难度大。
实用新型内容
本公开的目的在于提供一种氢气纯化塔和水电解制氢系统，该氢气纯化塔和水电解制氢系统不仅能够满足氢气纯化设备大型化的安全要求，并且节省了安装和维修成本。
为了实现上述目的，本公开提供一种氢气纯化塔，所述氢气纯化塔包括罐体、加热套管、热媒输入管和热媒输出管，所述罐体的内部形成有作业腔，所述加热套管设置在所述作业腔中并且包括外套管和内套管，所述外套管和所述内套管均沿竖直方向延伸，所述外套管套设于所述内套管并将所述内套管封闭在所述外套管的内部，所述内套管的顶端为开口并与所述外套管连通，所述热媒输入管从所述罐体的外部延伸至所述作业腔并与所述外套管的底端连通。
可选地，所述加热套管的数量为多个，多个所述加热套管的外套管均与所述热媒输入管连通且多个所述外套管通过所述热媒输入管相互连通，并且，多个所述加热套管的内套管均与所述热媒输出管连通且多个所述内套管通过所述热媒输出管相互连通。
可选地，所述外套管包括中空的柱状基管及自所述柱状基管表面向外延伸的翅片；其中，所述翅片呈螺旋状围绕所述柱状基管表面一体形成；或者，所述翅片为多个，并以所述柱状基管为中心呈辐射状分布。
可选地，所述氢气纯化塔包括与所述作业腔连通的第一通气管和第二通气管，所述第一通气管和所述第二通气管分别连接于所述罐体的顶部和底部并且从所述罐体外部延伸至所述作业腔中，所述第一通气管和/或所述第二通气管位于所述作业腔中的部分设置有多个开孔。
可选地，所述第二通气管的上方设置有丝网和两个筛板，两个所述筛板设置于所述作业腔中并与所述罐体的内壁固定连接，且两个所述筛板沿竖直方向相对布置并将所述丝网夹紧在两个所述筛板之间。
可选地，所述罐体设置有第一测温计，所述第一测温计贯穿所述罐体并延伸至所述作业腔内部，并且所述第一测温计靠近所述第一通气管设置，所述罐体设置有第二测温计，所述第二测温计贯穿所述罐体并延伸至所述作业腔内部，并且所述第二测温计靠近所述第二通气管设置。
可选地，所述罐体安装有测压计，该测压计贯穿所述罐体并延伸至所述作业腔内部，并且所述测压计靠近所述第一通气管设置。
可选地，所述罐体顶部还开设有气体检测口，所述气体检测口位于所述罐体的顶部并与所述第一通气管位于所述罐体的相对一侧。
可选地，所述罐体顶部开设有加料口，所述罐体的底部开设有卸料口，所述加料口和所述卸料口分别用于填料的填装和卸除。
在上述技术方案的基础上，本公开还提供一种水电解制氢系统，所述水电解制氢系统包括热源设备和上述的氢气纯化塔，所述热源设备与所述热媒输入管连通，以提供热媒。
通过上述技术方案，在本公开提供的氢气纯化塔中，作业腔内部安装有由外套管和内套管组成的加热套管，其中，外套管套设于内套管之外并将内套管封闭在其内部，且内套管的顶端开口与外套管连通，使用时，加热媒介通过热媒输入管进入外套管，沿外套管内部上升至内套管顶部，经过内套管顶部开口进入内套管从而对加热套管进行加热，与此同时，将待作业气体通入作业腔，通过加热套管提高待作业气体的温度至脱氧工艺温度或再生工艺温度，换热完成之后，加热媒介从内管内部通过热媒输出管排出。上述的氢气纯化装置，无需在作业腔内设置电阻丝加热管，避免了因设备处理量增大，电阻丝加热管增多而接线复杂的情况，能够减少安全隐患，因而能够满足氢气纯化设备大型化的安全要求，并且本公开所提供的氢气纯化塔通过热媒进行加热，加热套管仅需要提供通道供热媒流通即可，不存在故障或者损坏的情况，因此降低了维修成本，此外，加热套管整体固定安装在作业腔的内部即可完成安装，降低了安装难度。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是本公开实施例提供的氢气纯化塔的结构示意图；
图2是本公开实施例提供的氢气纯化塔的部分结构示意图；
图3是本公开实施例提供的氢气纯化塔中的外套管的结构示意图；
图4是本公开实施例提供的水电制氢系统的流程示意图。
附图标记说明
1-罐体；101-作业腔；2-加热套管；21-外套管；211-柱状基管；212-翅片；22-内套管；3-热媒输入管；4-热媒输出管；5-第一通气管；6-第二通气管；7-丝网；8-筛板；9-第一测温计；10-第二测温计；11-测压计；12-气体检测口；13-加料口；14-卸料口；100-水电解制氢系统。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“内、外”是指相对于对应部件的自身轮廓而言的“内、外”。本公开所使用的术语“第一”、“第二”等是为了区分一个要素和另一个要素，不具有顺序性和重要性。此外，在下面的描述中，当涉及到附图时，除非另有解释，不同的附图中相同的附图标记表示相同或相似的要素。上述定义仅用于解释和说明本公开，不应当理解为对本公开的限制。
根据本公开的具体实施方式，参考图1至图4中所示，提供一种氢气纯化塔，包括罐体1、加热套管2、热媒输入管3和热媒输出管4，罐体1的内部形成有作业腔101，加热套管2设置在作业腔101中并且包括外套管21和内套管22，外套管21和内套管22均沿竖直方向延伸，外套管21的顶端封闭且外套管21套设于内套管22的外部，并且外套管21的底端封闭地连接于内套管22的外壁，以将内套管22封闭在外套管21的内部，内套管22的顶端为开口并与外套管21连通，热媒输入管3从罐体1的外部延伸至作业腔101并与外套管21的底端连通，热媒输出管4从罐体1的外部延伸至作业腔101并与内套管22的底端连通，热媒输入管3和热媒输出管4分别安装于罐体1并贯穿罐体1延伸至作业腔101内部，加热套管2安装于作业腔101内，分别与热媒输入管3和热媒输出管4连通。
通过上述技术方案，在本公开提供的氢气纯化塔中，作业腔101内部安装有由外套管21和内套管22组成的加热套管2，其中，外套管21套设于内套管22之外并将内套管22封闭在其内部，且内套管22的顶端开口与外套管21连通，使用时，加热媒介通过热媒输入管3进入外套管21，沿外套管21内部上升至内套管22顶部，经过内套管22顶部开口进入内套管22从而对加热套管2进行加热，与此同时，将待作业气体通入作业腔101，通过加热套管2提高待作业气体的温度至脱氧工艺温度或再生工艺温度，换热完成之后，加热媒介从内管22内部通过热媒输出管4排出。上述的氢气纯化装置，无需在作业腔101内设置电阻丝加热管，避免了因设备处理量增大，电阻丝加热管增多而接线复杂的情况，能够减少安全隐患，因而能够满足氢气纯化设备大型化的安全要求，并且本公开所提供的氢气纯化塔通过热媒进行加热，加热套管2仅需要提供通道供热媒流通即可，不存在故障或者损坏的情况，因此降低了维修成本，此外，加热套管2整体固定安装在作业腔101的内部即可完成安装，降低了安装难度。
其中，为了提高加热套管2的加热效率，加热套管2的数量可以为多个，可以根据该装置所需处理量的大小在可行的范围(例如1个～30个)中进行选择，本公开对此不作具体限制。多个加热套管2均匀间隔地设置于作业腔101内，可以充分提高作业腔101内待作业气体的温度。此外，多个加热套管2的外套管21均与热媒输入管3连通且多个外套管21通过热媒输入管3相互连通，并且，多个加热套管2的内套管22均与热媒输出管4连通且多个内套管22通过热媒输出管4相互连通，这样，加热媒介能够均匀快速地通过热媒输入管3通入多个外套管21内，使得作业腔101内热度均匀，待换热完成之后，加热媒介再通过热媒输出管4排出，以此进行稳定持续换热作业。其中，加热媒介可以为蒸汽或导热油。
在本公开提供的具体实施方式中，参考图3中所示，为了能够有效提高加热套管2的换热面积，从而提高换热效率，外套管21可以设置为由柱状基管211和自柱状基管211表面向外延伸的翅片212组合而成。具体地，翅片212可以呈螺旋状围绕柱状基管211表面一体形成。可替换地，翅片212可以为多个，多个翅片212以柱状基管211为中心呈辐射状分布。更进一步地，每个翅片212可以设置为波浪状，以进一步增大翅片212的表面积，提高加热套管2的换热面积，提升换热效率。在其它一些实施方式中，外套管21也可以构造为螺纹槽管、波纹管等，同样能够达到提高换热效率的目的，本公开对此不作具体限制。
在本公开提供的具体实施方式中，参考图1中所示，氢气纯化塔包括与作业腔101连通的第一通气管5和第二通气管6，第一通气管5和第二通气管6分别连接于罐体1的顶部和底部并且从罐体1外部延伸至作业腔101中，这样，待作业的气体可以根据作用不同而选择由第一通气管5或者第二通气管6进入作业腔内，具体地，当该待作业气体需要经过脱氧或者干燥工序时，可以从第二通气管6进入作业腔101，此时由第一通气管5排出；当需要对作业腔101内的填料进行干燥以便循环使用的时候，待作业气体可以选择从第一通气管5进入作业腔，由第二通气管6排出，以此更好地完成对填料的干燥。
在本公开提供的具体实施方式中，第二通气管6位于作业腔101中的部分可以设置有多个开孔，该开孔可以均匀间隔开设于所述第二通气管6的外表面，这样，能够便于待作业气体由第二通气管6进入的时候能够迅速均匀地充满整个作业腔101，在其它一些实施方式中，该开孔也可以选择仅开设于位于作业腔101中的部分第二通气管6的上表面，待作业气体由第二通气管6进入作业腔101的时通过该开孔向上排出，符合气体本身向上流通的情况，同样也能便于待作业气体迅速均匀地充满整个作业腔101。
同样地，第一通气管5位于作业腔101中的部分也可以设置有多个开孔，该开孔可以均匀间隔开设于所述第一通气管5的外表面，这样，能够便于待作业气体由第一通气管5进入的时候能够迅速均匀地充满整个作业腔101，在其它一些实施方式中，该开孔也可以选择仅开设于位于作业腔101中的部分第一通气管5的下表面，待作业气体由第一通气管5进入作业腔101的时通过该开孔向下排出，此时通过持续通入该气体，在压强的作用下，同样也能使得气体从上到下充满整个作业腔101。
在本公开提供的具体实施方式中，参考图2中所示，第二通气管6的上方设置有丝网7和两个筛板8，两个所述筛板8设置于作业腔101中并与罐体1的内壁固定连接，且两个筛板8沿竖直方向相对布置并将丝网7夹紧在两个筛板8之间，这样，一方面可以在支撑填料同时又不阻碍气体的流动，另一方面，在作业腔101内填料经过长时间使用发生少料粉末化情况之后，粉末可以通过该筛板8与丝网7的组合落入第二通气口6下方，也即罐体1最底部，并通过卸料口14排出到作业腔101的外部，以有效地防止粉尘污染待作业气体。其中，两个筛板8可以在不阻碍待作业气体流通的条件下对丝网7进行支撑与固定。在其它一些实施方式中，筛板8的数量也可以为一个，而丝网7固定于筛板8上方，同样也可以起到支撑固定丝网7的作用，本公开对此不作具体限制。
在本公开提供的具体实施方式中，参考图1中所示，罐体1可以设置有第一测温计9，第一测温计9贯穿所述罐体1并延伸至作业腔101内部，并且第一测温计9可以靠近第一通气管5设置；罐体1还可以设置有第二测温计10，第二测温计10贯穿罐体1并延伸至作业腔101内部，并且第二测温计10可以靠近第二通气管6设置，这样，第一测温计9和第二测温计10能够分别用来监测第一通气管5和第二通气管6位于作业腔101内出口的气体温度，以确保待作业气体满足最佳工艺温度。在实际应用中，根据待作业气体的不同作用，可选择从第一通气管5或第二通气管6排出作业腔101，而出口处的温度能够较准确反应作业腔101内的作业情况，因此当该气体从第一通气管5排出时，由第一测温计9检测；当该气体从第二通气管6排出时，由第二测温计10检测。
在本公开提供的具体实施方式中，罐体1安装有测压计11，该测压计11贯穿罐体1并延伸至所述作业腔101内，并且测压计11靠近第一通气管5设置，由于待作业气体向上流通，而导致作业腔101内顶部的压强较大，故该测压计11可以靠近第一通气管5设置，用于检测作业腔101内的压力变化，保证作业安全。
在本公开提供的具体实施方式中，罐体1顶部还开设有气体检测口12，该气体检测口12位于罐体1的顶部并与第一通气管5位于罐体1的同一侧，气体检测口12用于对作业腔101内的待作业气体进行分析以判断是否达到作业要求。
在本公开提供的具体实施方式中，参考图1中所示，罐体1顶部开设有加料口13，罐体的底部开设有卸料口14，加料口13和卸料口14分别用于填料的填装和卸除。这样，可以根据实际应用选择合适的介质从加料口13填充作业腔101，需要更换时从卸料口14卸出，其中，当本公开提供的氢气纯化塔用作脱氧塔时，该填料选择为钯触煤，用于待作业气体的催化脱氧；当本公开提供的氢气纯化塔用作干燥塔时，该填料选择为分子筛，用于待作业气体的吸附干燥。
在上述方案的基础上，本公开还提供一种水电解制氢系统100，包括热源设备和上述氢气纯化塔，热源设备与热媒输入管3连通，以提供热媒。其中，热媒可以选择为任何适合的介质，例如蒸汽、热水、油等，本公开对此不作具体限制。
综上，在本公开提供的具体实施方式中，在水电解制氢系统100中，上述氢气纯化塔既可以用作脱氧塔，也可以用作干燥塔，唯一区别在于作业腔101内填充的填料不同，当电解槽制取的氢气经气液分离处理后开始纯化处理，即先后通过脱氧塔和干燥塔分别取出氢气中的氧气和水。
请同时参阅图4，在本公开的一种实施方式中，该水电解制氢系统100包括1个脱氧塔和3个干燥塔系统，干燥塔的作业状态有工作、再生、辅工作三种，且每个干燥塔按照工作、再生、辅工作的顺序循环，以干燥塔A为工作状态、干燥塔B为再生状态、干燥塔C为辅工作状态为例，氢气从第一通气管5进入脱氧塔内，此时脱氧塔内处于加热状态，氢气被加热至催化脱氧所需工艺温度后，向上通过靶触媒催化剂填料，发生化学反应2H2+O2＝H2O，完成对氢气的脱氧；氢气在经脱氧塔进行脱氧催化之后，先经冷凝器冷却，再经过气水分离器除去部分冷凝水，然后从第二通气管6进入干燥塔A，此时干燥塔A不加热，其内部介质分子筛在常温下发挥吸附水分的作用，氢气达到干燥效果之后向上从第一通气管5排出后分为两部分，大部分氢气直接被收集完成作业，小部分氢气从干燥塔B的第一通气管5通入干燥塔B，此时干燥塔B处于加热状态，氢气被加热后向下通过分子筛，该分子筛在之前工作状态下吸附的水被汽化扩散到氢气中，由氢气携带从第二通气管6排出，最后该小部分携带水汽的氢气再经冷凝器冷却、汽水分离器除去部分冷凝水从干燥塔C的第二通气管6进入干燥塔C，此时干燥塔C不加热，氢气向上通过分子筛达到干燥效果，最后从第一通气管5排出后被收集。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。
Claims (10)
1.一种氢气纯化塔，其特征在于，所述氢气纯化塔包括罐体、加热套管、热媒输入管和热媒输出管，所述罐体的内部形成有作业腔，所述加热套管设置在所述作业腔中并且包括外套管和内套管，所述外套管和所述内套管均沿竖直方向延伸，所述外套管的顶端封闭且所述外套管套设于所述内套管的外部，并且所述外套管的底端封闭地连接于所述内套管的外壁，所述内套管的顶端为开口并与所述外套管连通，所述热媒输入管从所述罐体的外部延伸至所述作业腔并与所述外套管的底端连通，所述热媒输出管从所述罐体的外部延伸至所述作业腔并与所述内套管的底端连通。
2.根据权利要求1所述的氢气纯化塔，其特征在于，所述加热套管的数量为多个，多个所述加热套管的外套管均与所述热媒输入管连通且多个所述外套管通过所述热媒输入管相互连通，并且，多个所述加热套管的内套管均与所述热媒输出管连通且多个所述内套管通过所述热媒输出管相互连通。
3.根据权利要求2所述的氢气纯化塔，其特征在于，所述外套管包括中空的柱状基管及自所述柱状基管表面向外延伸的翅片；其中，所述翅片呈螺旋状围绕所述柱状基管表面一体形成；或者，所述翅片为多个，并以所述柱状基管为中心呈辐射状分布。
4.根据权利要求1所述的氢气纯化塔，其特征在于，所述氢气纯化塔包括与所述作业腔连通的第一通气管和第二通气管，所述第一通气管和所述第二通气管分别连接于所述罐体的顶部和底部并且从所述罐体外部延伸至所述作业腔中，所述第一通气管和/或所述第二通气管位于所述作业腔中的部分设置有多个开孔。
5.根据权利要求4所述的氢气纯化塔，其特征在于，所述第二通气管的上方设置有丝网和两个筛板，两个所述筛板设置于所述作业腔中并与所述罐体的内壁固定连接，且两个所述筛板沿竖直方向相对布置并将所述丝网夹紧在两个所述筛板之间。
6.根据权利要求5所述的氢气纯化塔，其特征在于，所述罐体设置有第一测温计，所述第一测温计贯穿所述罐体并延伸至所述作业腔内部，并且所述第一测温计靠近所述第一通气管设置，
所述罐体设置有第二测温计，所述第二测温计贯穿所述罐体并延伸至所述作业腔内部，并且所述第二测温计靠近所述第二通气管设置。
7.根据权利要求5所述的氢气纯化塔，其特征在于，所述罐体安装有测压计，该测压计贯穿所述罐体并延伸至所述作业腔内部，并且所述测压计靠近所述第一通气管设置。
8.根据权利要求5所述的氢气纯化塔，其特征在于，所述罐体顶部还开设有气体检测口，所述气体检测口位于所述罐体的顶部并与所述第一通气管位于所述罐体的相对一侧。
9.根据权利要求1所述的氢气纯化塔，其特征在于，所述罐体顶部开设有加料口，所述罐体的底部开设有卸料口，所述加料口和所述卸料口分别用于填料的填装和卸除。
10.一种水电解制氢系统，其特征在于，所述水电解制氢系统包括热源设备和根据权利要求1-9中任一项所述的氢气纯化塔，所述热源设备与所述热媒输入管连通，以提供热媒。
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