CN219308384U - 基于合金吸附的富氢气体连续分离纯化系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于合金吸附的富氢气体连续分离纯化系统。该系统包括：脱除装置，用于脱除输入的原料气体中的杂质气体，所述杂质气体包括一氧化碳、氨气、或氯气；储氢合金装置，与所述脱除装置连接，用于吸附经过脱除处理后的所述原料气体中的氢气，以将所述氢气分离出来。本申请解决了现有技术中氢气纯化率比较低的技术问题。

Description

基于合金吸附的富氢气体连续分离纯化系统

技术领域

本申请涉及能源技术领域，具体而言，涉及一种基于合金吸附的富氢气体连续分离纯化系统。

背景技术

传统化石能源利用过程中不可避免产生大量碳排放和污染物排放，能源利用效率较低，还存在大量的NOX排放。在全球气候变暖和节能减排的大背景下，减少高碳化石能源的利用和发展替代能源是势在必行的选择。当前，氢能以其高能量密度、来源广泛、灵活可再生性以及零碳排放等优点，有望成为重要的能源形式。

目前，制氢方式主要包括化石能源制氢(煤炭与天然气)、工业副产氢、电解水制氢以及氢基燃料(甲醇、甲酸、氨)制氢，除了电解水制氢技术路线以外，其他几种路线制氢产物中包含二氧化碳、一氧化碳、等杂质。

氢气的主要利用途径是通过氢燃料电池将氢气转化为电能和热能，目前燃料电池的能量转化效率约为40％～60％，若实现热电联供，燃料的总利用率可高达80％以上。氢气中的杂质物质会降低燃料电池的性能，甚至损坏燃料电池，例如，二氧化碳会阻碍氢气与阳极催化剂的接触，降低燃料电池的输出功率；一氧化碳会导致阳极催化剂失活，导致燃料电池性能衰减。因此，氢气的分离提纯前提是氢气利用的必要前提。

目前，氢气中二氧化碳的分离技术主要有钯膜分离、变压吸附(PSA)、固态胺吸附三种，氢气中一氧化碳的分离技术主要有一氧化碳选择性甲烷化技术和一氧化碳优先氧化(CO-PROX)技术。

然而，钯膜分离技术成本高，钯膜容易失活，且钯膜分离的温度压力较高变压吸附技术要消耗大量能量，固态胺吸附方式需要定期更换吸附剂，不适合长期连续运行的制氢系统，一氧化碳选择性甲烷化技术缺乏性能优异的催化剂，一氧化碳优先氧化技术成熟度相对较高，

目前有大量研究报道利用CO优先氧化技术去除氢气中的一氧化碳。主流制氢技术产物主要包括大量氢气、大量二氧化碳与少量一氧化碳，且制氢产物与现有的二氧化碳分离技术的参数匹配性较差，亟需发展一种参数匹配性好、纯化率高、适合连续系统的氢气纯化方法。

实用新型内容

本申请的主要目的在于提供一种基于合金吸附的富氢气体连续分离纯化系统，以解决现有技术中的氢气纯化率比较低的问题。

为了实现上述目的，本申请提供了一种基于合金吸附的富氢气体连续分离纯化系统，包括：脱除装置，用于脱除输入的原料气体中的杂质气体，所述杂质气体包括一氧化碳、氨气、或氯气；储氢合金装置，与所述脱除装置连接，用于吸附经过脱除处理后的所述原料气体中的氢气，以将所述氢气分离出来。

应用本申请的技术方案，解决了现有技术中氢气纯化率比较低的技术问题，具有提高氢气纯化率的有益效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请实施例公开的一种基于合金吸附的富氢气体连续分离纯化系统的结构示意图；

图2是本申请实施例公开的另一种基于合金吸附的富氢气体连续分离纯化系统的结构示意图；

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、气体泵；2、脱除装置；3、换热器；4、储热罐；5、干燥器；6、储氢合金装置；7、制冷机；8、储氢罐；9、氢催化燃烧器；10、高压氢气罐；11、减压阀；12、球阀；13、氢气泵；14、热泵；15、氢燃料电池；61、第一储氢合金；62、第二储氢合金。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

现有碳基燃料制氢技术路线中产物含有一氧化碳、甲烷和二氧化碳等杂质气体，一般经过水气变换反应和甲烷重整反应对富氢产物进行第一步净化处理后，产物包含大量氢气、二氧化碳以及少量一氧化碳，如果直接将这些气体通入PEM燃料电池，二氧化碳和一氧化碳会影响PEM燃料电池的性能，因此，当前的氢气分离技术路线难以满足氢气提纯需求；另外，第一步净化后的富氢气体的温度、压力参数很难与当前的氢气提纯技术路线相匹配。

本申请将一氧化碳优先氧化技术与储氢合金脱除二氧化碳技术相结合，对富氢原料气体中杂质气体的组分比例和气体温度范围具有很高的适应性，另外，采用一氧化碳、二氧化碳梯级脱除的方式，避免一氧化碳对储氢合金的损害；将优先氧化反应热量与残氢燃烧释热用于储氢合金释氢过程，提高能源利用率和系统的经济性。

实施例1

图1是根据本申请实施例的基于合金吸附的富氢气体连续分离纯化系统的结构示意图，如图1所示，该系统包括气体泵1、脱除装置2、换热器3、储热罐4、干燥器5、储氢合金装置6、制冷机7、储氢罐8、氢催化燃烧器9、高压氢气罐10，减压阀11、氢气泵13、以及多个球阀12。

脱除装置2用于脱除输入的原料气体中的杂质气体，所述杂质气体包括一氧化碳、氨气、或氯气；储氢合金装置6，与所述脱除装置2连接，用于吸附经过脱除处理后的所述原料气体中的氢气，以将所述氢气分离出来。

在所述原料气体为富氢原料气体的情况下，所述脱除装置2为CO优先氧化反应器，用于利用催化一氧化碳优先氧化反应将所述富氢原料气体中的所述一氧化碳转化为二氧化碳；在所述原料气体为氨气分解产气的情况下，所述脱除装置2为残氨脱除装置2，用于脱除所述氨气分解产气中的氨气；在所述原料气体为工业副产氢的情况下，所述脱除装置2为残氯脱除装置2，用于脱除所述工业副产氢中的氯气。本实施例以CO优先氧化反应器为例。

换热器3与所述脱除装置2连接，用于对经过脱除处理后的所述原料气体进行降温处理；储热罐，与所述换热器3连接，用于存储所述换热器3对所述原料气体进行降温处理后所产生的热量。

干燥器5与所述换热器3连接，用于对经过降温处理后的所述原料气体进行干燥处理，去除经过干燥处理后的所述原料气体中的水分。

所述储氢合金装置6包括第一储氢合金61和第二储氢合金62。第一储氢合金61，用于吸附经过脱除处理后的所述原料气体中的氢气；阀门控制装置，与所述第一储氢合金61连接，用于在所述第一储氢合金61吸附氢气达到饱和状态的情况下，控制阀门打开，以将所述第一储氢合金61吸附后余下的所述原料气体通入到第二储氢合金62中；所述第二储氢合金62，与所述阀门控制装置连接，用于再次吸附余下的所述原料气体中的氢气。

高压氢气罐10通过减压阀11和球阀12与所述第一储氢合金61和所述第二储氢合金62连接，用于以高压的方式排出氢气，来清扫出所述第一储氢合金61和所述第二储氢合金62中的二氧化碳；储氢罐8，与所述第一储氢合金61和所述第二储氢合金62连接，用于在所述吹扫结束后，存储所述第一储氢合金61和所述第二储氢合金62在所述储热罐中的热量加热的作用下而释放出来的氢气。

制冷机7用于在所述第一储氢合金61和所述第二储氢合金62中的氢气全部释放出来后，将所述第一储氢合金61和所述第二储氢合金62冷却到常温状态。

氢催化燃烧器9与所述第一储氢合金61和所述第二储氢合金62连接，用于催化燃烧所吹扫出的二氧化碳，并将催化燃烧过程中释放出的热量存储在所述储热罐中。

氢气泵13连接在所述储氢罐8和所述高压氢气罐10之间，用于将所述储氢罐8中的氢气定期补充到所述高压氢气罐10中。

气体泵1与所述脱除装置2连接，用于将所述原料气体泵1送至所述脱除装置2。

下面将详细描述基于合金吸附的富氢气体连续分离纯化系统的工作流程。

利用气体泵1将从制氢系统产生的富氢气体(H2/CO/CO2)送入CO优先氧化反应器，利用催化CO优先氧化反应将其中的CO转化为CO2。从CO优先氧化反应器流出的混合气体(H2/H2O/CO2)经过换热器3降温后，通入干燥器5去除其中的水分，混合气体(H2/H2O/CO2)中的热量被储存在储热罐中。

从干燥器5出来的气体为H2/CO2混合气体，将H2/CO2混合气体通入低温条件下的第一储氢合金61中，当第一储氢合金61吸附饱和后，通过阀门控制将H2/CO2混合气体通入到第二储氢合金62中，同时利用高压氢气罐10中的氢气吹扫出第一储氢合金61中的CO2。在吹扫结束后，利用储热罐中的热量加热第一储氢合金61，将其中的氢气释放出来储存到储氢罐8中。

当氢气全部释放出来后，利用制冷机7将第一储氢合金61冷却到常温状态，等待下一个氢气分离过程。

从储氢合金中排出的CO2含有少量的氢气，将其通入氢催化燃烧器9内进行催化燃烧释放热量，释放的热量储存在储热罐中。储氢罐8中的氢气通过氢气泵13定期补充到高压氢气罐10中，系统中的储氢合金组件数量根据系统处理富氢气体的流量相应增加，保证整个系统连续稳定运行。

所述的富氢原料气体也可以是氨气分解产气或者工业副产氢，只要将CO优先氧化反应器替换为相应的残氨或者残氯脱除装置2即可。

所述的干燥器5也可以设置为多个干燥器5并联，保证干燥剂吸附饱和以后，通过切换干燥剂的方法保证系统连续运行。

本申请利用储氢合金对氢气的选择性吸附原理，提出了一种基于合金吸附的富氢气体连续分离纯化系统。该系统将一氧化碳优先氧化技术与储氢合金吸附技术相结合，高效脱除制氢产物中的一氧化碳与二氧化碳。并且，将一氧化碳优先氧化反应器出口产物中热量通过储热罐储存起来，并将该部分热量用于储氢合金的氢气脱除，从而提高系统的能量利用率；并且根据入口混合气体的流量设置两个或者多个并联储氢合金装置6，通过阀门切换保证整个系统可以连续获得高纯氢气。此外，还利用高纯氢气吹扫储氢合金，去除储氢合金中的杂质气体。这样，对原料适应性较好。

实施例2

图2是根据本申请实施例的另一种基于合金吸附的富氢气体连续分离纯化系统的结构示意图，如图2所示，该系统包括气体泵1、脱除装置2、换热器3、储热罐4、干燥器5、储氢合金装置6、热泵14、储氢罐8、氢催化燃烧器9、高压氢气罐10，减压阀11、氢气泵13、氢燃料电池15以及多个球阀12。

图2中的富氢气体连续分离纯化系统和实施例1中的富氢气体连续分离纯化系统结构类似，不同之处在于，本实施中利用热泵14制冷代替实施例1中的制冷机7，这样减少了系统消耗外部输入电量。并且，还在系统中安装了氢燃料电池15，为系统中的气体泵1、氢气泵13以及阀门等控制部件提供电量。

本实施例可用于分布式制氢供氢站，利用CO优先氧化反应器与储氢合金梯次去除原料气体中的CO与CO2，获得高纯度氢气；利用储热罐将系统中的热量储存起来，并用于加热储氢合金释放氢气；利用氢气催化燃烧器燃烧排出CO2中的残氢，充分利用氢能，提高系统的热效率与经济性。

本实施例中的其他部件和图1中的部件结构和功能相似，此处不再赘述。

本实施例中的富氢气体连续分离纯化系统具有以下有益效果：

将一氧化碳优先氧化技术与储氢合金技术相结合，梯次去除氢气中的一氧化碳和二氧化碳，避免一氧化碳引起储氢合金的失活效应；对入口富氢气体原料的杂质含量与温度范围的适应性较高；合理利用系统中的热量，提高系统的热量利用率；通过阀门的切换控制，实现富氢原料气体的连续稳定提纯；将二氧化碳中的残氢进行燃烧释热，充分提高氢气的利用率，提高系统的经济性优势。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于合金吸附的富氢气体连续分离纯化系统，其特征在于，包括：

脱除装置，用于脱除输入的原料气体中的杂质气体，所述杂质气体包括一氧化碳、氨气、或氯气；

储氢合金装置，与所述脱除装置连接，用于吸附经过脱除处理后的所述原料气体中的氢气，以将所述氢气分离出来。

2.根据权利要求1所述的分离纯化系统，其特征在于，

在所述原料气体为富氢原料气体的情况下，所述脱除装置为CO优先氧化反应器，用于利用催化一氧化碳优先氧化反应将所述富氢原料气体中的所述一氧化碳转化为二氧化碳；

在所述原料气体为氨气分解产气的情况下，所述脱除装置为残氨脱除装置，用于脱除所述氨气分解产气中的氨气；

在所述原料气体为工业副产氢的情况下，所述脱除装置为残氯脱除装置，用于脱除所述工业副产氢中的氯气。

3.根据权利要求2所述的分离纯化系统，其特征在于，所述分离纯化系统还包括：

换热器，与所述脱除装置连接，用于对经过脱除处理后的所述原料气体进行降温处理；

储热罐，与所述换热器连接，用于存储所述换热器对所述原料气体进行降温处理后所产生的热量。

4.根据权利要求3所述的分离纯化系统，其特征在于，所述分离纯化系统还包括：

干燥器，与所述换热器连接，用于对经过降温处理后的所述原料气体进行干燥处理，去除经过干燥处理后的所述原料气体中的水分。

5.根据权利要求3所述的分离纯化系统，其特征在于，所述储氢合金装置包括：

第一储氢合金，用于吸附经过脱除处理后的所述原料气体中的氢气；

阀门控制装置，与所述第一储氢合金连接，用于在所述第一储氢合金吸附氢气达到饱和状态的情况下，控制阀门打开，以将所述第一储氢合金吸附后余下的所述原料气体通入到第二储氢合金中；

所述第二储氢合金，与所述阀门控制装置连接，用于再次吸附余下的所述原料气体中的氢气。

6.根据权利要求5所述的分离纯化系统，其特征在于，所述分离纯化系统还包括：

高压氢气罐，通过减压阀和球阀与所述第一储氢合金和所述第二储氢合金连接，用于以高压的方式排出氢气，来吹扫出所述第一储氢合金和所述第二储氢合金中的二氧化碳；

储氢罐，与所述第一储氢合金和所述第二储氢合金连接，用于在所述吹扫结束后，存储所述第一储氢合金和所述第二储氢合金在所述储热罐中的热量加热的作用下而释放出来的氢气。

7.根据权利要求6所述的分离纯化系统，其特征在于，所述分离纯化系统还包括制冷机，用于在所述第一储氢合金和所述第二储氢合金中的氢气全部释放出来后，将所述第一储氢合金和所述第二储氢合金冷却到常温状态。

8.根据权利要求6所述的分离纯化系统，其特征在于，所述分离纯化系统还包括氢催化燃烧器，与所述第一储氢合金和所述第二储氢合金连接，用于催化燃烧所吹扫出的二氧化碳，并将催化燃烧过程中释放出的热量存储在所述储热罐中。

9.根据权利要求6所述的分离纯化系统，其特征在于，所述分离纯化系统还包括氢气泵，连接在所述储氢罐和所述高压氢气罐之间，用于将所述储氢罐中的氢气定期补充到所述高压氢气罐中。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的分离纯化系统，其特征在于，所述分离纯化系统还包括气体泵，与所述脱除装置连接，用于将所述原料气体泵送至所述脱除装置。

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