CN219384784U - 一种氯碱副产氢联产高纯氢、动力氢和工业氢的生产装置 - Google Patents

一种氯碱副产氢联产高纯氢、动力氢和工业氢的生产装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型属于氢气生产装置技术领域，尤其涉及一种氯碱副产氢联产高纯氢、动力氢和工业氢的生产装置，包括预处理单元、PSA单元、TSA净化充装单元、氢气压缩充装单元，所述预处理单元的净化气出气口通过净化气输送管道与PSA单元连接，所述PSA单元的产品氢气出气口通过产品氢气输送管道与氢气压缩充装单元连接，所述PSA单元的解吸气出气口通过解吸气输送管道与TSA净化充装单元连接。与现有技术相比具有以下技术效果：均压次数多，氢气回收充分，PSA+TSA技术结合氢气零损失；本装置能同时适用于脱除原料气中除氢以外的全部杂质，满足三标；吸附循环周期短、吸附剂利用率高；本装置的自动切塔程序实现了对故障塔的不停车检修。

Description

一种氯碱副产氢联产高纯氢、动力氢和工业氢的生产装置
技术领域
本实用新型氢气生产装置技术领域，尤其涉及一种氯碱副产氢联产高纯氢、动力氢和工业氢的生产装置。
背景技术
目前现有技术中，氯碱副产氢气通过氢气气柜缓冲后，由氢气压缩机加压后经氢气分配台输送至下游用户。氢气净化装置采用TSA净化技术，生产满足GB/T37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料·氢气》质量标准的氢气，但是由于上游生产不稳定性及气柜内水中溶解氮富集等问题，造成了产品含氮超标不能满足客户需求。
实用新型内容
为了彻底解决因上游生产不稳定性和气柜水中溶解氮富集进而造成产品质量不达标的问题，为了进一步提升PSA装置解吸气(氢气)高附加值利用率，本专利采取了氢气PSA净化技术与氢气PSA净化技术融合，将PSA副产解吸气作为TSA原料气进一步提纯净化联产工业氢。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种氯碱副产氢联产高纯氢、动力氢和工业氢的生产装置，包括预处理单元、PSA单元、TSA净化充装单元、氢气压缩充装单元，所述预处理单元的净化气出气口通过净化气输送管道与PSA单元连接，所述PSA单元的产品氢气出气口通过产品氢气输送管道与氢气压缩充装单元连接，所述PSA单元的解吸气出气口通过解吸气输送管道与TSA净化充装单元连接。
优选的，所述预处理单元包括依次连接的低压活塞式氢气压缩机、脱氯塔、脱氧塔、原料气冷却器、原料气分液罐，所述低压活塞式氢气压缩机的进气口与原料气管道连接，所述低压活塞式氢气压缩机的出气口与脱氯塔塔顶的进气口连接，所述脱氯塔塔底的出气口与脱氧塔塔顶的进气口连接，所述脱氧塔塔底的出气口与原料气冷却器的进气口连接，所述原料气冷却器的出气口与原料气分液罐的进气口连接，所述原料气分液罐的净化气出气口通过净化气输送管道与PSA单元连接。
优选的，所述低压活塞式氢气压缩机最后一级不设置后冷器，脱氧催化剂在80～120℃时的效果好于常温。
优选的，所述PSA单元包括多个吸附塔，所述吸附塔塔底的进气口与所述预处理单元的净化气输送管道连接，所述吸附塔塔顶的出气口通过产品氢气输送管道依次与氢气缓冲罐、精密过滤器、隔膜式氢气压缩机、充装设施连接。
优选的，所述各个吸附塔的出气口与进气口均通过管道相互连接。
优选的，所述各个吸附塔的出气口顺着吸附方向通过管道与顺放气罐连接；所述各个吸附塔的进气口逆着吸附方向通过管道与解吸气混合罐连接；所述解吸气混合罐的出气口通过解吸气输送管道依次与解吸气风机、解吸气冷却器、解吸气分液罐、阻火器、TSA净化充装单元连接。
优选的，所述TSA净化充装单元包括与解吸气输送管道连接的无油润滑活塞压缩机，所述无油润滑活塞压缩机的出气口通过管道与TSA单元脱氯塔的进气口连接，所述TSA单元脱氯塔的出气口通过管道与蒸汽加热器的进气口连接，所述的蒸汽加热器的出气口通过管道与TSA单元脱氧塔的进气口连接，所述TSA单元脱氧塔的出气口通过管道与脱氧冷却器的进气口连接，脱氧冷却器的出气口通过管道与脱氧分液分离器的进气口连接，所述的脱氧分液分离器的出气口通过管道与TSA深度脱水系统的进气口连接，所述TSA深度脱水系统的出气口通过管道依次与脱氨塔、脱硫塔、氢气缓冲罐、精密过滤器、精密过滤后增加冷却器、隔膜压缩机的进气口连接，隔膜压缩机的出气口通过产品氢气输送管道与氢气压缩充装单元连接。
优选的，所述TSA深度脱水系统包含干燥塔出气口与进气口均通过管道相互连接。
优选的，所述的预干燥器的出气口通过管道与脱水氢气加热器的进气口连接，所述的脱水氢气加热器的出气口通过管道逆着吸附方向与干燥塔的出气口连接，干燥塔的进气口通过管道逆着吸附方向与脱水冷却器的进气口连接，脱水冷却器的出气口通过管道与脱水分液分离器的进气口连接，脱水分液分离器的出气口通过管道与干燥塔的进气口连接。
有益效果
本实用新型公开了一种氯碱副产氢联产高纯氢、动力氢和工业氢的生产装置，与现有技术相比具有以下技术效果：
1)均压次数多，氢气回收充分，PSA+TSA技术结合氢气零损失。
2)本装置能同时适用于脱除原料气中除氢以外的全部杂质，满足三标。
3)吸附循环周期短、吸附剂利用率高。
4)本装置可自动切塔，实现了对故障塔的不停车检修。
2022年6月该装置已顺利投产，产品通过了上海市计量测试技术研究研的质量鉴定，满足GB/T37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》和GB/T3634.2《纯氢、高纯氢、超纯氢》高纯氢质量标准；TSA净化产品氢也达到了GB/T3634.1《氢气》工业氢质量标准。产品多样化和装置能耗最低化提升了在氢气利用领域的核心竞争力，初步形成了以动力氢就近利用为主的多元化氢能供应体系，为氯碱企业的副产氢气提供成熟的解决方案。
附图说明
图1是本专利实施例1所述氯碱副产氢联产高纯氢、燃料电池车用动力氢和工业氢的生产装置的整体结构示意图；
图2是本专利实施例1所述预处理单元的结构示意图；
图3是本专利实施例1所述PSA单元的结构示意图；
图4是本专利实施例1所述TSA净化充装单元的结构示意图；
图中，1：低压活塞式氢气压缩机；2：脱氯塔；3：脱氧塔；4：原料气冷却器；5：原料气分液罐；6：吸附塔；6-1：吸附塔1；6-2：吸附塔2；6-3：吸附塔3；6-4：吸附塔4；6-5：吸附塔5；6-6：吸附塔6；6-7：吸附塔7；6-8：吸附塔8；7：顺放气罐；8：解吸气混合罐；9：氢气缓冲罐；10：解吸气分液罐；11：精密过滤器；12：隔膜式氢气压缩机；13：解吸气冷却器；14：阻火器；15：解吸气风机；16：无油润滑活塞压缩机；17：TSA单元脱氯塔；18：TSA单元脱氧塔；19：TSA单元脱氧冷却器；20：TSA单元隔膜压缩机；21：脱氨塔；22：脱硫塔；23：脱水分液分离器；24：干燥塔；25：顶干燥器；26：脱氧分液分离器；27：蒸汽加热器；29：脱水氢气加热器；30：脱水冷却器；31：精过滤后增加冷却器。
具体实施方式
以下，将详细地描述本实用新型。在进行描述之前，应当理解的是，在本说明书和所附的权利要求书中使用的术语不应解释为限制于一般含义和字典含义，而应当在允许发明人适当定义术语以进行最佳解释的原则的基础上，根据与本实用新型的技术方面相应的含义和概念进行解释。因此，这里提出的描述仅仅是出于举例说明目的的优选实例，并非意图限制本实用新型的范围，从而应当理解的是，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，可以由其获得其他等价方式或改进方式。
以下实施例仅是作为本实用新型的实施方案的例子列举，并不对本实用新型构成任何限制，本领域技术人员可以理解在不偏离本实用新型的实质和构思的范围内的修改均落入本实用新型的保护范围。
实施例1
如图1所示，一种氯碱副产氢联产高纯氢、动力氢和工业氢的生产装置，包括预处理单元、PSA单元、TSA净化充装单元、氢气压缩充装单元，所述预处理单元的净化气出气口通过净化气输送管道与PSA单元连接，所述PSA单元的产品氢气出气口通过产品氢气输送管道与氢气压缩充装单元连接，所述PSA单元的解吸气出气口通过解吸气输送管道与TSA净化充装单元连接。
如图2所示，所述预处理单元包括依次连接的低压活塞式氢气压缩机1、脱氯塔2、脱氧塔3、原料气冷却器4、原料气分液罐5，所述低压活塞式氢气压缩机1的进气口与原料气管道连接，所述低压活塞式氢气压缩机1的出气口与脱氯塔2塔顶的进气口连接，所述脱氯塔2塔底的出气口与脱氧塔3塔顶的进气口连接，所述脱氧塔3塔底的出气口与原料气冷却器4的进气口连接，所述原料气冷却器4的出气口与原料气分液罐5的进气口连接，所述原料气分液罐5的净化气出气口通过净化气输送管道与PSA单元连接。
所述低压活塞式氢气压缩机1最后一级不设置后冷器，脱氧催化剂在80～120℃时的效果好于常温。
如图3所示，所述PSA单元包括吸附塔6，所述吸附塔设置有8个：6-1～6-8，所述吸附塔塔底的进气口与所述预处理单元的净化气输送管道连接，所述吸附塔塔顶的出气口通过产品氢气输送管道依次与氢气缓冲罐9、精密过滤器11、隔膜式氢气压缩机12、充装设施连接。
所述各个吸附塔的出气口与进气口均通过管道相互连接。
所述各个吸附塔的出气口顺着吸附方向通过管道与顺放气罐7连接；所述各个吸附塔的进气口逆着吸附方向通过管道与解吸气混合罐8连接；所述解吸气混合罐的出气口通过解吸气输送管道依次与解吸气风机15、解吸气冷却器13、解吸气分液罐10、阻火器14、TSA净化充装单元连接。
解吸气如图4所示，所述TSA净化充装单元包括与解吸气输送管道连接的无油润滑活塞压缩机16，所述无油润滑活塞压缩机16的出气口通过管道与TSA单元脱氯塔17的进气口连接，所述TSA单元脱氯塔17的出气口通过管道与蒸汽加热器27的进气口连接，所述的蒸汽加热器27的出气口通过管道与TSA单元脱氧塔18的进气口连接，所述TSA单元脱氧塔18的出气口通过管道与脱氧冷却器19的进气口连接，脱氧冷却器19的出气口通过管道与脱氧分液分离器26的进气口连接，所述的脱氧分液分离器26的出气口通过管道与TSA深度脱水系统的进气口连接，所述TSA深度脱水系统的出气口通过管道依次与脱氨塔21、脱硫塔22、氢气缓冲罐9、精密过滤器11、精密过滤后增加冷却器31、隔膜压缩机20的进气口连接，隔膜压缩机20的出气口通过产品氢气输送管道与氢气压缩充装单元连接。
所述TSA深度脱水系统包含的干燥塔的出气口与进气口均通过管道相互连接。
所述的预干燥器25的出气口通过管道与脱水氢气加热器29的进气口连接，所述的脱水氢气加热器29的出气口通过管道逆着吸附方向与干燥塔24的出气口连接，干燥塔24的进气口通过管道逆着吸附方向与脱水冷却器30的进气口连接，脱水冷却器30的出气口通过管道与脱水分液分离器23的进气口连接，脱水分液分离器24的出气口通过管道与干燥塔24的进气口连接。
所述氯碱副产氢联产高纯氢、燃料电池车用动力氢和工业氢的生产装置的工作过程原理如下：
(1)预处理单元：自氯碱装置氢气分配台来的原料气经低压活塞式氢气压缩机1压缩。压缩原料气自塔顶进入脱氯塔2后再进入脱氧塔3，脱氧采用2H2+O2＝2H2O的原理，在升温的状态下，氢气中的微量氧气和氢气在脱氧催化剂作用下发生反应，进而达到脱氧目的。脱氧后的产品氢气从塔底流出，经原料气冷却器4冷却并经原料气分液罐5分液后，进入PSA单元；
(2)PSA单元：本单元采用8-1-3PSA工艺流程，即：装置的8个吸附塔6-1～6-8中始终有一个吸附塔处于进料吸附的状态；其工艺过程由吸附、连续3次均压降压、顺放、逆放、冲洗、连续3次均压升压和产品氢气最终升压步骤组成；
吸附塔的工作过程依次如下：
1)吸附过程
原料气经程控阀，自塔底进入PSA吸附塔6中正处于吸附状态的一台吸附塔，在多种吸附剂的依次选择吸附下，其中的CO、CO2等杂质被吸附下来，未被吸附的氢气从塔顶流出，经程控阀和吸附压力调节阀后送至充装设施。
2)均压降压过程
这是在吸附过程完成后，顺着吸附方向将塔内较高压力气体依次放入其它已完成再生的较低压力塔的过程，这一过程不仅是降压过程，而且也回收了吸附床层死空间内的氢气，本装置主流程共包括三次连续均压降压过程，分别称为：一均降(E1D)、二均降(E2D)、三均降(E3D)。
3)顺放过程
均压过程结束后，吸附塔压力仍有0.51MPa.G左右，而此时的杂质吸附前沿仍未到达床层顶部，故可通过顺放获得冲洗再生气源。顺放过程通过程控阀门及调节阀进行控制，顺放气进入顺放气罐7。
4)逆放过程
这是吸附塔在完成顺放过程后，逆着吸附方向将塔内压力降至0.03MPa.G的过程，此时被吸附的杂质开始从吸附剂中解吸出来。逆放解吸气经程控阀门及调节阀放入解吸气混合罐8。
5)冲洗过程
在这一过程中，用来自于顺放气罐7的氢气逆着吸附方向对吸附床冲洗，使吸附剂中的杂质得以完全解吸。冲洗解吸气进入解吸气混合罐8，输送至TSA净化充装单元。
6)均压升压过程
该过程与均压降压过程相对应。在这一过程中，分别利用其它吸附塔的均压降压气体依次从吸附塔顶部对吸附塔进行升压。本装置主流程共包括三次连续均压升压过程，依次称为：三均升(E3R)、二均升(E2R)和一均升(E1R)。
7)产品气升压过程
经过三次均压升压过程后，再用产品氢经调节阀HV2202将吸附塔压力升至吸附压力。经这一过程后，吸附塔便完成了整个再生过程，为下一次吸附做好了准备。
(3)TSA净化充装单元：自PSA单元解吸气混合罐8来的解吸气，经无油润滑活塞压缩机16压缩，升压后，进入TSA单元脱氯塔17脱氯，然后进入蒸汽加热器27，然后进入TSA单元脱氧塔18，通过催化反应脱除氢气中的氧气，脱氧后经脱氧冷却器19冷却后并经脱氧分液分离器26分液后进入TSA系统深度脱水。脱水合格的产品气依次经脱氨塔21、脱硫塔22、氢气缓冲罐9、精密过滤器11、精过滤器后增冷却器31，最后经隔膜压缩机20压缩，升压至22MPaG，送至充装工序。
TSA工作过程如下
1)吸附
原料气流量分成两部分，一部分作为再生气，剩余原料气直接经过四通阀KV1102的A-B流道自上而下进入干燥塔进行吸附，脱水氢气通过四通阀KV1103的A-D流道流出，经分析合格后去下一道工序脱氨脱硫。
吸附完毕后，KV1102在程序控制下旋转流通，使原料气由KV1102的A-D流道进入另一台干燥塔，同理产品气由KV1103的C-D流道流出。
2)升温再生
250Nm3/h-300Nm3/h左右的原料再生气经四通阀KV1101的A-B流道进入预干燥塔，经脱水氢气加热器缓慢加热，在经过四通阀KV1103的B-A流道自下而上进入需再生干燥塔对其再生，出塔气经四通阀KV1102的B-C流道，四通阀KV1101的D-C流道进入脱水冷却器冷却降温，经脱水分液分离器把水分离出来，剩余的气体进入工作中的干燥塔的原料气进口。
升温至再生完毕，KV1101在程序控制下旋转流道，使原料再生气经KV1101的A-D流道，KV1102的C-B流道自上而下对T1102的A进行冷吹。
3)降温冷却(L)
250Nm3/h-300Nm3/h左右的原料再生气经四通阀KV1101的A-D流道，KV1102的C-B流道自上而下进入干燥塔冷吹，再经KV1103的A-B流道进入脱水氢气加热器，气体被加热后，进入预干燥塔，对其再生加热，出预干燥塔的气体经KV1101的B-C流道进入脱水冷却器冷却，经脱水分液分离器分离后汇入原料进气管，完成一个闭环循环。
(4)氢气压缩充装单元：吸附塔出口产品氢气经氢气缓冲罐缓冲后由隔膜式氢气压缩机12压缩至22Mpa G送至储运部分进行充装。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种氯碱副产氢联产高纯氢、动力氢和工业氢的生产装置，其特征在于：包括预处理单元、PSA单元、TSA净化充装单元、氢气压缩充装单元，所述预处理单元的净化气出气口通过净化气输送管道与PSA单元连接，所述PSA单元的产品氢气出气口通过产品氢气输送管道与氢气压缩充装单元连接，所述PSA单元的解吸气出气口通过解吸气输送管道与TSA净化充装单元连接。
2.根据权利要求1所述的氯碱副产氢联产高纯氢、动力氢和工业氢的生产装置，其特征在于：所述预处理单元包括依次连接的低压活塞式氢气压缩机、脱氯塔、脱氧塔、原料气冷却器、原料气分液罐，所述低压活塞式氢气压缩机的进气口与原料气管道连接，所述低压活塞式氢气压缩机的出气口与脱氯塔塔顶的进气口连接，所述脱氯塔塔底的出气口与脱氧塔塔顶的进气口连接，所述脱氧塔塔底的出气口与原料气冷却器的进气口连接，所述原料气冷却器的出气口与原料气分液罐的进气口连接，所述原料气分液罐的净化气出气口通过净化气输送管道与PSA单元连接。
3.根据权利要求2所述的氯碱副产氢联产高纯氢、动力氢和工业氢的生产装置，其特征在于：所述低压活塞式氢气压缩机最后一级不设置后冷器。
4.根据权利要求1所述的氯碱副产氢联产高纯氢、动力氢和工业氢的生产装置，其特征在于：所述PSA单元包括多个吸附塔，所述吸附塔塔底的进气口与所述预处理单元的净化气输送管道连接，所述吸附塔塔顶的出气口通过产品氢气输送管道依次与氢气缓冲罐、精密过滤器、隔膜式氢气压缩机、充装设施连接。
5.根据权利要求4所述的氯碱副产氢联产高纯氢、动力氢和工业氢的生产装置，其特征在于：所述各个吸附塔的出气口与进气口均通过管道相互连接。
6.根据权利要求5所述的氯碱副产氢联产高纯氢、动力氢和工业氢的生产装置，其特征在于：所述各个吸附塔的出气口顺着吸附方向通过管道与顺放气罐连接；所述各个吸附塔的进气口逆着吸附方向通过管道与解吸气混合罐连接；所述解吸气混合罐的出气口通过解吸气输送管道依次与解吸气风机、解吸气冷却器、解吸气分液罐、阻火器、TSA净化充装单元连接。
7.根据权利要求1所述的氯碱副产氢联产高纯氢、动力氢和工业氢的生产装置，其特征在于：所述TSA净化充装单元包括与解吸气输送管道连接的无油润滑活塞压缩机，所述无油润滑活塞压缩机的出气口通过管道与TSA单元脱氯塔的进气口连接，所述TSA单元脱氯塔的出气口通过管道与蒸汽加热器的进气口连接，所述的蒸汽加热器的出气口通过管道与TSA单元脱氧塔的进气口连接，所述TSA单元脱氧塔的出气口通过管道与脱氧冷却器的进气口连接，脱氧冷却器的出气口通过管道与脱氧分液分离器的进气口连接，所述的脱氧分液分离器的出气口通过管道与TSA深度脱水系统的进气口连接，所述TSA深度脱水系统的出气口通过管道依次与脱氨塔、脱硫塔、氢气缓冲罐、精密过滤器、精密过滤后增加冷却器、隔膜压缩机的进气口连接，隔膜压缩机的出气口通过产品氢气输送管道与氢气压缩充装单元连接。
8.根据权利要求7所述的氯碱副产氢联产高纯氢、动力氢和工业氢的生产装置，其特征在于：所述TSA深度脱水系统包含干燥塔出气口与进气口均通过管道相互连接。
9.根据权利要求7所述的氯碱副产氢联产高纯氢、动力氢和工业氢的生产装置，其特征在于：预干燥器的出气口通过管道与脱水氢气加热器的进气口连接，所述的脱水氢气加热器的出气口通过管道逆着吸附方向与干燥塔的出气口连接，干燥塔的进气口通过管道逆着吸附方向与脱水冷却器的进气口连接，脱水冷却器的出气口通过管道与脱水分液分离器的进气口连接，脱水分液分离器的出气口通过管道与干燥塔的进气口连接。
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