CN218795021U - 金属镁蒸气净化提纯氢气装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种金属镁蒸气净化提纯氢气装置，包括镁液室、恒温室、冷却除尘模块，恒温室的进气口连接氢气通入管，镁液室中装有熔融镁液，镁液室上设有镁蒸气管，镁蒸气管与氢气通入管相连；镁液室的外侧设有加热装置，通过加热装置对熔融镁液进行加热使熔融镁液蒸发并产生镁蒸气，镁蒸气通过镁蒸气管进入氢气通入管中并与氢气混合；恒温室上的出气口连接冷却除尘模块。本实用新型通过镁蒸气实现了对氢气的提纯，镁蒸气能够除去氢气中的CO、CO2、NH3、H2S、N2、O2、水蒸汽等杂质气体，从而获得高纯度的氢气；本实用新型的装置结构简单，装置造价低，工艺简单，不消耗昂贵的材料，大大降低了氢气提纯处理的成本，适合大规模的氢气提纯。

Description

金属镁蒸气净化提纯氢气装置

技术领域

本实用新型涉及氢气提纯技术领域,特别涉及一种金属镁蒸气净化提纯氢气装置。

背景技术

氢气在应用于燃料电池发电或者某些应用场景如作为半导体工业特气时，需要很高的纯净度。传统工业方法制取的粗氢中含有CO、CO2、NH3、H2S、N2、O2、水蒸汽等杂质气体，需要将其彻底脱除；即使在传统的合成氨、甲醇合成、炼厂用氢、冶金陶瓷玻璃等工业，也对氢气的纯净度有一定的要求。

现在技术手段中，通常采用多种手段复合的方法来脱除氢气中不同种类的杂质，例如通过甲烷化反应去除CO、变压吸附、聚合物膜分离、低温深冷分离、钯膜等多种技术手段进行组合，针对性地除去氢气中的各种杂质，以获得高纯氢气。

但是现有的氢气提纯手段，是多种手段梯级组合协同进行的，工艺和装置复杂，装置造价高，处理成本高，不适合大规模生产。

发明内容

本实用新型的目的是解决现有技术中的不足之处，提供一种金属镁蒸气净化提纯氢气装置。

本实用新型的目的是通过如下技术方案实现的：一种金属镁蒸气净化提纯氢气装置，包括镁液室、恒温室、冷却除尘模块，恒温室的进气口连接氢气通入管，镁液室中装有熔融镁液，镁液室上设有镁蒸气管，镁蒸气管与氢气通入管相连；镁液室的外侧设有加热装置，通过加热装置对熔融镁液进行加热使熔融镁液蒸发并产生镁蒸气，镁蒸气通过镁蒸气管进入氢气通入管中并与氢气混合；恒温室上的出气口连接冷却除尘模块。

作为优选，所述氢气通入管依次包括主氢气进气管、拉瓦尔喷管、等径混合管，等径混合管与恒温室上的进气口相连；拉瓦尔喷管依次包括渐缩管、喉口管、扩张管，镁蒸气管与拉瓦尔喷管上的扩张管连通。

作为优选，所述氢气通入管上连接有氢气支管，氢气支管上设有氢气分流阀，氢气支管的一端与氢气通入管上的主氢气进气管连通，氢气支管的另一端伸入镁液室中的熔融镁液中。

作为优选，氢气支管伸入熔融镁液的一端设有多孔分布板。

作为优选，恒温室中设有加热器，恒温室的下端设有恒温室排灰阀，恒温室排灰阀的下方设有恒温室灰斗。

作为优选，所述加热器的加热温度为350-550摄氏度。

作为优选，所述加热装置为设置在镁液室外侧的加热室，加热室的一侧设有燃气进口和助燃空气进口，加热室的另一侧设有排气口；加热室内设置有设有折流板，折流板交错布置并使加热室内形成迂回的燃烧通道。

作为优选，所述冷却除尘模块包括第一冷却室和第二冷却室，第一冷却室上的进气口与氢气排出通道相连，第一冷却室上的出气口与第二冷却室上的进气口之间通过连接管相连；第一冷却室和第二冷却室的外侧分别设有第一冷水套和第二冷水套，第一冷却室和第二冷却室内分别设有第一冷却换热器和第二冷却换热器。

作为优选，所述冷却除尘模块还包括精除尘器，第二冷却室上的出气口与精除尘器上的进气口相连。

作为优选，所述第一冷却室的下端设有第一排灰阀，第一排灰阀的下方设有第一灰斗；所述第二冷却室的下端设有第二排灰阀，第二排灰阀的下方设有第二灰斗。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过镁蒸气实现了对氢气的提纯，镁蒸气能够除去氢气中的CO、CO2、NH3、H2S、N2、O2、水蒸汽等杂质气体，从而获得高纯度的氢气。金属镁为常见金属，易获得，价格低。本实用新型的装置结构简单，装置造价低，工艺简单，不消耗昂贵的材料，大大降低了氢气提纯处理的成本，适合大规模的氢气提纯。

附图说明

图1为本实用新型实施例2的结构示意图。

图2为本实用新型实施例1的结构示意图。

图3为冷却除尘模块的结构示意图。

图中：101、镁液室，102、熔融镁液，103、加热室，104、燃气进口，105、助燃空气进口，106、排气口，107、折流板，201、主氢气进气管，202、拉瓦尔喷管，203、等径混合管，204、恒温室，205、加热器，206、恒温室排灰阀，207、恒温室积灰，208、恒温室灰斗，210、氢气分流阀，211、氢气支管，212、多孔分布板，213、镁蒸气管，301、第一冷却室，302、第一冷水套，303、第一进水口，304、第一出水口，305、第一冷却换热器，306、第一排灰阀，307、第一积灰，308、第一灰斗，311、第二冷却室，312、第二冷水套，313、第二进水口，314、第二出水口，315、第二冷却换热器，316、第二排灰阀，317、第二积灰，318，第二灰斗，401、精除尘器，402、氢气压缩机，403、高压储氢罐。

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所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本领域技术人员应理解的是，在本实用新型的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其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、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本实用新型的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

实施例1

如图2-3所示，一种金属镁蒸气净化提纯氢气装置，包括镁液室101、恒温室204、冷却除尘模块。镁液室101为一个封闭容器，镁液室101中装有熔融镁液102，镁液室101的外侧设有加热装置，加热装置用于对镁液室101中的熔融镁液进行加热，使熔融镁液102的温度保持在700-900摄氏度之间。

其中，加热装置为设置在镁液室101外侧的加热室103，加热室103的一侧设有燃气进口104和助燃空气进口105，加热室103的另一侧设有排气口106；加热室103内设置有设有折流板107，折流板107交错布置并使加热室103内形成迂回的燃烧通道。燃气和助燃空气分别从燃气进口104和助燃空气进口105通入加热室103中，燃气和助燃空气在加热室中燃烧，从而对镁液室101内的熔融镁液102进行加热，维持熔融镁液的温度；燃烧气体通过迂回的燃烧通道后从排气口106排出。迂回的燃烧通道能够提高燃烧气体在加热室内的停留时间，提高加热效率。

恒温室204的进气口连接氢气通入管。镁液室101上设有镁蒸气管213，镁蒸气管213与氢气通入管相连；通过加热装置对熔融镁液102进行加热使熔融镁液蒸发并产生镁蒸气，镁蒸气通过镁蒸气管213进入氢气通入管中并与氢气混合。

具体的，氢气通入管依次包括主氢气进气管201、拉瓦尔喷管202、等径混合管203，等径混合管203与恒温室204上的进气口相连。拉瓦尔喷管202依次包括渐缩管、喉口管、扩张管，镁蒸气管213与拉瓦尔喷管202上的扩张管连通。粗氢气以一定压力进入到主氢气进气管201，依次经过拉瓦尔喷管202的渐缩管、喉口、扩张管发生等熵膨胀，温度、压力降低，速度增大，从而在拉瓦尔喷管202的扩张管内形成局部真空，真空传递给镁蒸气管213中的管道空间，促使得熔融镁液102液面之上的加速蒸发，并在真空作用下，镁蒸气通过镁蒸气管213进入到拉瓦尔喷管202202中，与粗氢气混合，并持续在203中进行动量传递，镁蒸气与粗氢气中杂质发生气相之间的化学反应。

镁蒸气与粗氢气的混合气体进入恒温室204中。恒温室204中设有加热器205，加热器205采用现有技术，加热器205采用电加热或者燃气加热的方式，通过加热器205的外壁辐射热量使恒温室204内的温度保持在350-550摄氏度。混合气体在恒温室204中的停留时间较长，因此会在恒温室中充分发生反应。镁蒸气会与粗氢气中的CO、CO2、NH3、H2S、N2、O2、水蒸汽等杂质气体发生以下反应：

一氧化碳CO与金属镁蒸气发生如下反应并产成氧化镁和碳：

Mg+CO＝MgO+C

硫化氢H2S与金属镁蒸气发生如下反应并产成硫化镁和氢气：

Mg+H₂S＝MgS+H₂↑

氨气NH3与金属镁蒸气发生如下反应并产生氮化镁和氢气：

3Mg+2NH₃＝Mg₃N₂+3H₂↑

氮气N2与金属镁蒸气发生如下反应并产生氮化镁：

3Mg+N₂＝Mg₃N₂

水蒸气与金属镁蒸气发生如下反应并产生氧化镁和氢气：

Mg+H₂O＝MgO+H₂↑

二氧化碳CO2与金属镁蒸气发生如下反应并产生氧化镁和碳：

2Mg+CO₂＝2MgO+C

氧气与高温的金属镁蒸气反应并产生氧化镁：

2Mg+O₂＝2MgO

粗氢气中的上述杂质气体与镁蒸气反应后产生的MgO、MgS、Mg^3N2等均为固体，会在恒温室204中实现初步沉降，沉降后在恒温室204内的底部形成恒温室积灰207。在恒温室204的下端设有恒温室排灰阀206，恒温室排灰阀206的下方设有恒温室灰斗208；通过定期打开恒温室排灰阀206，将恒温室204底部的恒温室积灰207排出到恒温室灰斗208中。

粗氢气中的上述杂质气体与镁蒸气发生反应后，杂质气体与镁蒸气反应，产物固体经过沉降后，气相中只留下高纯度氢气。

恒温室204上的出气口连接冷却除尘模块。冷却除尘模块包括第一冷却室301、第二冷却室311、精除尘器401，第一冷却室301和第二冷却室311均为钢制容器，第一冷却室301上的进气口与氢气排出通道相连，第一冷却室301上的出气口与第二冷却室311上的进气口之间通过连接管相连，第二冷却室311上的出气口与精除尘器401上的进气口相连。第一冷却室201和第二冷却室311的外侧分别设有第一冷水套302和第二冷水套312。其中，第一冷水套302套在第一冷却室301的外侧，与第一冷却室301的外侧之间形成冷却水腔，第一冷水套301上设有第一进水口303和第一排水口304，冷却水通过第一进水口303通入冷却水腔中，并通过第一排水口304排出，通过冷却水对第一冷却室的外壁进行冷却。第二冷水套312与第二冷却室311的外侧之间形成冷却水腔，第二冷水套312上设有第二进水口313和第二排水口314；冷却水通过第二进水口313通入冷却水腔中，并通过第二排水口314排出，通过冷却水对第二冷却室的外壁进行冷却。第一冷却室301和第二冷却室311内分别设有第一冷却换热器305和第二冷却换热器315。第一冷却换热器305和第二冷却换热器315均为现有技术，第一冷却换热器305和第二冷却换热器315分别用于对第一冷却室和第二冷却室内的气体进行冷却。第一冷却室301的下端设有第一排灰阀306，第一排灰阀306的下方设有第一灰斗308；第二冷却室311的下端设有第二排灰阀316，第二排灰阀316的下方设有第二灰斗318。

高温的高纯度氢气会先进入第一冷却室301中，高纯度氢气304会在第一冷却室204中进行一次冷却和除尘，气体通入第一冷却室中后，气体中夹杂的镁蒸气冷却后形成镁微粉，镁微粉与其余的固体粉尘在第一冷却室中进行一次沉降，沉降后并在第一冷却室301内的底部形成第一积灰307；通过定期打开第一排灰阀306，使得第一冷却室301底部的第一积灰落入第一灰斗308中。

进过一次冷却和除尘后的高纯度氢气继续通入第二冷却室311中，高纯度氢气在第二冷却室311中进行二次冷却和除尘，过程与第一冷却室301中的过程相同；在第二冷却室311内的底部形成第二积灰317，通过定期打开第一排灰阀316，使得第二冷却室311底部的第二积灰落入第二灰斗318中。由于第一积灰317和第二积灰318主要成分是镁蒸气冷却后形成的镁微粉，在收集第一积灰317和第二积灰318后，所获得第一积灰317和第二积灰318中的镁微粉，镁微粉能够进行重新利用，例如重新补充到熔融镁液102中。

高纯度氢气在经过第一冷却室301和第二冷却室311后，会进入精除尘器401，精除尘器401再次对高纯度氢气进行高效率除尘，精除尘器401中含有多层的滤袋，能够对高纯度氢气进行多重过滤除尘，从而获得纯净氢气210。纯净氢气210经过氢气压缩机402的加压后，进入高压储氢罐403中进行储存。

本实用新型通过镁蒸气实现了对氢气的提纯，镁蒸气能够除去氢气中的CO、CO2、NH3、H2S、N2、O2、水蒸汽等杂质气体，从而获得高纯度的氢气。金属镁为常见金属，易获得，价格低。本实用新型的装置结构简单，装置造价低，工艺简单，不消耗昂贵的材料，大大降低了氢气提纯处理的成本，适合大规模的氢气提纯。

实施例2：

如图1所示，实施例2与实施例1的区别在于：实施例2中，氢气通入管上连接有氢气支管211，氢气支管211上设有氢气分流阀210，氢气支管211的一端与氢气通入管上的主氢气进气管201连通，氢气支管211的另一端伸入镁液室101中的熔融镁液102中。氢气支管211伸入熔融镁液102的一端设有多孔分布板212。多孔分布板212上遍布细小的孔洞。

粗氢气在通入主氢气进气管201后，一部分粗氢气会分流至氢气支管211中，并通过氢气支管211通入熔融镁液102中，再与镁蒸气一起通过镁蒸气管213返回至氢气通入管中；粗氢气在通入熔融镁液102的过程中，会在熔融镁液中产生气泡，在气泡的作用下使熔融镁液翻腾，促进熔融镁液的蒸发以及镁蒸气的生成。

实施例2的其余结构均与实施例1相同。

本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属镁蒸气净化提纯氢气装置，其特征在于，包括镁液室、恒温室、冷却除尘模块，恒温室的进气口连接氢气通入管，镁液室中装有熔融镁液，镁液室上设有镁蒸气管，镁蒸气管与氢气通入管相连；镁液室的外侧设有加热装置，通过加热装置对熔融镁液进行加热使熔融镁液蒸发并产生镁蒸气，镁蒸气通过镁蒸气管进入氢气通入管中并与氢气混合；恒温室上的出气口连接冷却除尘模块。

2.根据权利要求1所述的金属镁蒸气净化提纯氢气装置，其特征在于，所述氢气通入管依次包括主氢气进气管、拉瓦尔喷管、等径混合管，等径混合管与恒温室上的进气口相连；拉瓦尔喷管依次包括渐缩管、喉口管、扩张管，镁蒸气管与拉瓦尔喷管上的扩张管连通。

3.根据权利要求2所述的金属镁蒸气净化提纯氢气装置，其特征在于，所述氢气通入管上连接有氢气支管，氢气支管上设有氢气分流阀，氢气支管的一端与氢气通入管上的主氢气进气管连通，氢气支管的另一端伸入镁液室中的熔融镁液中。

4.根据权利要求3所述的金属镁蒸气净化提纯氢气装置，其特征在于，氢气支管伸入熔融镁液的一端设有多孔分布板。

5.根据权利要求1所述的金属镁蒸气净化提纯氢气装置，其特征在于，恒温室中设有加热器，恒温室的下端设有恒温室排灰阀，恒温室排灰阀的下方设有恒温室灰斗。

6.根据权利要求5所述的金属镁蒸气净化提纯氢气装置，其特征在于，所述加热器的加热温度为350-550摄氏度。

7.根据权利要求1所述的金属镁蒸气净化提纯氢气装置，其特征在于，所述加热装置为设置在镁液室外侧的加热室，加热室的一侧设有燃气进口和助燃空气进口，加热室的另一侧设有排气口；加热室内设置有设有折流板，折流板交错布置并使加热室内形成迂回的燃烧通道。

8.根据权利要求1所述的金属镁蒸气净化提纯氢气装置，其特征在于，所述冷却除尘模块包括第一冷却室和第二冷却室，第一冷却室上的进气口与氢气排出通道相连，第一冷却室上的出气口与第二冷却室上的进气口之间通过连接管相连；第一冷却室和第二冷却室的外侧分别设有第一冷水套和第二冷水套，第一冷却室和第二冷却室内分别设有第一冷却换热器和第二冷却换热器。

9.根据权利要求8所述的金属镁蒸气净化提纯氢气装置，其特征在于，所述冷却除尘模块还包括精除尘器，第二冷却室上的出气口与精除尘器上的进气口相连。

10.根据权利要求8所述的金属镁蒸气净化提纯氢气装置，其特征在于，所述第一冷却室的下端设有第一排灰阀，第一排灰阀的下方设有第一灰斗；所述第二冷却室的下端设有第二排灰阀，第二排灰阀的下方设有第二灰斗。

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