CN219091579U - 一种自带干燥功能的psa变压吸附提纯制氢装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种自带干燥功能的PSA变压吸附提纯制氢装置，通过在工作缸和再生缸的出口侧的连通管路上设置热管换热器，将热管换热器的冷风口连接在连通管路上，将热管换热器的热风口通过管路与电解槽的出氢管路连接，由此以利用电解槽输出氢气上的余热来加热再生缸输出的干燥氢气，使得干燥氢气再吹扫再生缸的同时，能够对再生缸进行加热，加速再生缸内吸附剂重干燥的效率，减少吹扫再生缸的而产生的废气量。

Description

一种自带干燥功能的PSA变压吸附提纯制氢装置

技术领域

本实用新型涉及电解水制氢的技术领域，尤其涉及一种自带干燥功能的PSA变压吸附提纯制氢装置。

背景技术

在PEM纯水电解制氢工艺中，只需要除去氢气中水蒸气就能够得到高纯度氢气。目前，从氢气中脱除水蒸气的方式主要以汽水分离器干燥+PSA变压吸附提纯结合来实现。PSA变压吸附提纯是利用微孔吸附材料在气液或气体中的一种或几种组分上的选择性吸附原理，将水蒸气从氢气中进一步分离出来，以达到对氢气的纯化目的。一般情况下，吸附床中的吸附剂的吸引比化学分子小，所以升高温度或降低吸附物的局部压力都可能使吸附物（即水蒸气）消失。利用这一特性，可以使得吸附物与吸附剂分离，使得吸附剂得以再生。因此，PSA变压吸附提纯装置通常采用两缸（A缸和B缸）或者多缸并联交替循环工作，能够实现对氢气的持续提纯作业。

目前，一种较为简便的方式是利用工作缸提纯后的氢气作为清洁气体来对再生缸内的吸附剂进行吹扫，从而实现吸附剂再生。这种方式结构简单，且不会对再生缸造成二次污染，仅需再A、B缸的出气侧设置连通管路，使得工作缸提纯的少量氢气能够通过连通管路进入再生缸，这样，当工作缸提纯的同时，也能够对再生缸的进行反向吹扫，两缸交替工作，就能实现对氢气的持续干燥提纯。

由于进入干燥缸内的氢气是经过汽水分离器的冷却干燥处理，因此，氢气的温度比较低，这部分氢气在进入再生缸时，其温度也是低温状态，在冲洗过程中，只能依靠氢气反向流动将吸附剂吸收的水蒸气吹散，耗气量较大，有必要对PSA吸附提纯部分做出进一步改进。

实用新型内容

本实用新型提供一种自带干燥功能的PSA变压吸附提纯制氢装置，能够有效利用电解槽输出氢气上的余热来加热再生缸输出的干燥氢气，使得干燥氢气再吹扫再生缸的同时，能够对再生缸进行加热，加速再生缸内吸附剂重干燥的效率，减少吹扫再生缸的而产生的废气量。

本实用新型的技术方案如下：

一种自带干燥功能的PSA变压吸附提纯制氢装置，应用于PEM纯水电解制氢系统中，包括电解槽、汽水分离器以及PSA变压吸附子系统，电解槽的氢气出口通过管路依次与汽水分离器、PSA变压吸附子系统连通，所述PSA变压吸附子系统包括内部填充有用于吸附水蒸气的吸附剂的A缸和B缸，所述A缸和B缸的进气端分别通过第一管路和第二管路与氢气输入管路连接，所述A缸和B缸的出气端分别通过第三管路和第四管路与氢气输出管路连接；

所述第三管路和第四管路之间通过第五管路连通，所述第五管路上设置有第一精度调节阀、热管换热器、第二精度调节阀，所述热管换热器的冷风口连接在第五管路上，所述热管换热器的热风口通过管路与电解槽的出氢管路连接。

可选地，所述热管换热器的两端分别设置第一温度传感器和第二温度传感器。

可选地，所述第三管路和第四管路上分别设置有第一压力传感器和第二压力传感器。

可选地，所述第一管路、第二管路、第三管路以及第四管路上分别设置第一T型过滤器、第二T型过滤器、第三T型过滤器以及第四T型过滤器。

可选地，所述第一管路和第二管路与氢气输入管路之间设置有进气排气阀组，所述进气排气阀组的进气端与氢气输入管路连通，其出气端与所述第三管路和第四管路连通，其排气端通过排气管路与水封连通。

可选地，所述进气排气阀组包括A缸进气阀、A缸排气阀、B缸进气阀以及B缸排气阀，所述A缸进气阀的第一端和B缸进气阀的第一端与氢气输入管路连接，所述A缸进气阀的第二端和A缸排气阀的第一端与第一管路连接，所述B缸进气阀的第二端和B缸排气阀的第一端与第二管路连接。

根据本实用新型提供的自带干燥功能的PSA变压吸附提纯制氢装置，能够有效利用电解槽输出氢气上的余热来加热再生缸输出的干燥氢气，使得干燥氢气再吹扫再生缸的同时，能够对再生缸进行加热，加速再生缸内吸附剂重干燥的效率，减少吹扫再生缸的而产生的废气量。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本实用新型进行详细说明。

本实用新型提供的自带干燥功能的PSA变压吸附提纯制氢装置，应用于PEM纯水电解制氢装置中，包括电解槽200、汽水分离器300以及PSA变压吸附子系统100，电解槽的氢气出口通过管路依次与汽水分离器、PSA变压吸附子系统连通。在本实施例中，主要改进在于PSA变压吸附子系统，通过在工作缸和再生缸的出口侧的连通管路上设置热管换热器，将热管换热器的冷风口连接在连通管路上，将热管换热器的热风口通过管路与电解槽的出氢管路连接，由此以利用电解槽输出氢气上的余热来加热再生缸输出的干燥氢气，使得干燥氢气再吹扫再生缸的同时，能够对再生缸进行加热，加速再生缸内吸附剂重干燥的效率，减少吹扫再生缸的而产生的废气量。

具体地，如图1所示，该PSA变压吸附子系统包括主要由A缸16和B缸11组成，A缸和B缸内设置有用于吸附水蒸气用的吸附剂，吸附剂具体可以为分子筛、活性氧化铝、活性炭、硅胶、沸石等固体吸湿颗粒，这些颗粒能够在经过氢气经过时从氢气中吸附残留水蒸气。当A缸提纯时A缸既为工作缸，此时B缸为再生缸，反之同理。

A缸和B缸的进气端分别通过第一管路和第二管路与氢气输入管路连接，两者的出气端分别设置由第三管路和第四管路与氢气输出管路连接。在第一管路和第二管路与氢气输入管路之间设置有进气排气阀组，进气排气阀组的进气端与氢气输入管路连通，其出气端与所述第一管路和第二管路连通。具体地，进气排气阀组包括A缸进气阀2、A缸排气阀4、B缸进气阀3以及B缸排气阀5，A缸进气阀的第一端和B缸进气阀的第一端与氢气输入管路连接，A缸进气阀的第二端和A缸排气阀的第一端与第一管路连接，B缸进气阀的第二端和B缸排气阀的第一端与第二管路连接。当A缸工作时，A缸进气阀打开、B缸进气阀关闭，氢气进入A缸内提纯；当B缸工作时，B缸进气阀打开、A缸进气阀关闭，氢气进入B缸内提纯。

在第三管路和第四管路之间通过第五管路连通，当A缸工作时，可释放少量干燥氢气来反向吹扫B缸内吸附剂颗粒，将吸附剂上吸附的水蒸气脱离出去，使得吸附剂再生，脱离出来的水蒸气随氢气一起，从B缸排气阀排出；同时，当B缸工作时，可释放少量干燥氢气来反向吹扫A缸内吸附剂颗粒，使得吸附剂再生，脱离出来的水蒸气随氢气一起，从A缸排气阀排出。

由于单纯的氢气吹扫对吸附剂的干燥效果欠佳，为此，本实用新型在第五管路上增设第一精度调节阀12、热管换热器29、第二精度调节阀30，热管换热器的冷风口连接在第五管路上，热管换热器的热风口通过管路与电解槽的出氢管路连接。如图1所示，当A缸工作时，A缸进气阀、B缸排气阀以及第一精度调节阀、第二精度调节阀打开，氢气自氢气输出管路进入PSA变压吸附子系统后，经A缸进气阀进入A缸提纯；提纯后的氢气大部分进入氢气输出管路向外输出，少部分通过第一精度调节阀、热管换热器以及第二精度调节阀反向吹扫B缸，对B缸内吸附剂进行吹扫同时，由于氢气经过热管换热器加热，因此，形成具有一定温度的热氢气来加热B缸内的吸附剂，达到吹扫和加热双重干燥效果，提升对B缸内吸附剂的再生效率。

并且，加热后吸附剂的再生效率和干燥效果都能够得到一定提升，并减少对氢气的需求。

并且，还可通过控制第一精度调节阀和第二精度调节阀来控制热管换热器的进出气比例，使得热管换热器内的氢气膨胀升压，输出高压且具有一定温度的气体给到再生缸，进一步提升对再生缸的再生速度。

另外，在热管换热器的两端还分别设置第一温度传感器31和第二温度传感器32，以测定热管换热器加热后输出的氢气温度。由于氢气的加热源来自于电解槽输出的氢水混合气体，其温度并未恒定的，因此，热管换热器对干燥氢气的加热效果时的动态变化的，通过设置温度传感器，方便监测换热后干燥氢气的温度，从而根据这个温度来调节干燥氢气对B缸的吹扫时间。

另外，在第三管路和第四管路上还分别设置有第一压力传感器14和第二压力传感器9。热管换热器的两个冷风口于第三管路和第四管路连接，因此第一压力传感器和第二压力传感器能够监测到经过热管换热器加热后的氢气膨胀后的压力，以避免系统过压。

另外，在第一管路、第二管路、第三管路以及第四管路上分别设置第一T型过滤器7、第二T型过滤器6、第三T型过滤器15以及第四T型过滤器10。其中，第一T型过滤器能够对进入A缸的氢气进行过滤，滤掉氢气中携带的微型颗粒杂质，以避免这些微型颗粒杂质堵塞A缸内吸附剂颗粒上的微孔结构，避免长时间的干燥提纯后影响缸内吸附剂的透气性能，从而导致提纯子系统不能稳定持续的运行。第三T型过滤器则是用于对A缸输出的氢气进行过滤，避免缸体内流入出氢气将部分吸附颗粒的微型碎屑带出，影响到输出氢气的纯度，第二T型过滤器和第四T型过滤器的作用同理，用于避免B缸堵塞，以及将B缸内的微型碎屑带出，影响到输出氢气的纯度。

另外，在提纯子系统内还增设一个水封28，将A缸排气阀的第二端和B缸排气阀的第二端通过第六管路与水封连接。水封的作用主要是排气，当A缸/B缸工作时，释放吹扫彼此的废气（不被收集的氢气）通过水封排放到外界。另外，当整个系统内有堵塞、阀门失效导致管道内气压过高，为保护整个系统管路，水封能够作为排出管内过量气体的通道。

另外，在氢气输入管路与水封之间设置第七管路连通，第七管路上设置有并联的排空阀27和比例卸荷阀26，排空阀的第一端和比例卸荷阀的第一端与氢气输入管路连通，排空阀的第二端和比例卸荷阀的第二端与水封连通。当进入提纯子系统的氢气压力超过子系统的入口压力时，可通过比例卸荷阀进行卸压，卸压废气通过水封排放到外界，以此避免氢气输入压力多大而影响提纯子系统的稳定性。在结束提纯工作时，可通过排空阀将管路内残留的氢气放空，避免影响子系统的下次提纯。

另外，在氢气输入管路上设置第三压力传感器1，用于监测氢气的输入压力，以在输入压力异常时进行告警，为系统提供保证。

另外，在第三T型过滤器和第四T型过滤器的出气侧分别设置有第一单向阀13和第二单向阀8，避免氢气输出管内的氢气逆流。

另外，在氢气输出管路上沿氢气输出方向依次设置背压阀17、第一调压阀18、第四压力传感器19、第三精度调节阀20以及第三单向阀21，以此来保证提纯子系统的出氢压力稳定；另外，可通过调节背压阀，调节用户出气压力的大小。

另外，在该提纯子系统还增设一个与氢气输出管路并联的取样管路，该取样管路的与氢气输出管路平行设置，其左端为取样口，右端为卸荷端，管路上设置连接点，取样口与氢气出口同侧引出，卸荷端与水封连接。连接点通过第八管路与氢气输出管路的连通，连接点与取样端之间的管路上沿氢气取样方向依次设置第二调压阀23、流量计24以及露点检测仪25，连接点与卸荷端之间的管路上设置有卸荷阀22。当经过A缸或者B缸输出的进入氢气输出管路后，可先关闭氢气输出管路上的控制阀门，使得提纯氢气进入取样管路。氢气进入取样管路后，在卸荷阀的作用下会卸去多余的压力，然后通过调压阀调压至露点检测仪能够承受的气压，最后由露点检测仪对提纯氢气的含水率进行测定。流量计用于检测氢气流量是否在露点检测仪的设计范围内，以保证露点检测仪测量结果的准确性。通过上述取样回路设计，能够精准检测干燥提纯后氢气的湿度，误差小，保证对氢气纯度的检测的准确性和精度。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种自带干燥功能的PSA变压吸附提纯制氢装置，应用于PEM纯水电解制氢系统中，包括电解槽、汽水分离器以及PSA变压吸附子系统，电解槽的氢气出口通过管路依次与汽水分离器、PSA变压吸附子系统连通，其特征在于，所述PSA变压吸附子系统包括内部填充有用于吸附水蒸气的吸附剂的A缸和B缸，所述A缸和B缸的进气端分别通过第一管路和第二管路与氢气输入管路连接，所述A缸和B缸的出气端分别通过第三管路和第四管路与氢气输出管路连接；

所述第三管路和第四管路之间通过第五管路连通，所述第五管路上设置有第一精度调节阀、热管换热器、第二精度调节阀，所述热管换热器的冷风口连接在第五管路上，所述热管换热器的热风口通过管路与电解槽的出氢管路连接。

2.根据权利要求1所述的自带干燥功能的PSA变压吸附提纯制氢装置，其特征在于，所述热管换热器的两端分别设置第一温度传感器和第二温度传感器。

3.根据权利要求1所述的自带干燥功能的PSA变压吸附提纯制氢装置，其特征在于，所述第三管路和第四管路上分别设置有第一压力传感器和第二压力传感器。

4.根据权利要求1所述的自带干燥功能的PSA变压吸附提纯制氢装置，其特征在于，所述第一管路、第二管路、第三管路以及第四管路上分别设置第一T型过滤器、第二T型过滤器、第三T型过滤器以及第四T型过滤器。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的自带干燥功能的PSA变压吸附提纯制氢装置，其特征在于，所述第一管路和第二管路与氢气输入管路之间设置有进气排气阀组，所述进气排气阀组的进气端与氢气输入管路连通，其出气端与所述第三管路和第四管路连通，其排气端通过排气管路与水封连通。

6.根据权利要求5所述的自带干燥功能的PSA变压吸附提纯制氢装置，其特征在于，所述进气排气阀组包括A缸进气阀、A缸排气阀、B缸进气阀以及B缸排气阀，所述A缸进气阀的第一端和B缸进气阀的第一端与氢气输入管路连接，所述A缸进气阀的第二端和A缸排气阀的第一端与第一管路连接，所述B缸进气阀的第二端和B缸排气阀的第一端与第二管路连接，所述A缸排气阀的第二端和B缸排气阀的第二端通过第六管路与水封连接。

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