CN220737003U - 用于可再生能源制氢的氢气干燥系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于可再生能源制氢的氢气干燥系统，其中，两个吸附器并联设置，两个吸附器交替进行吸附过程和脱附过程，吸附器的吸附流量随输入的可再生能源的波动而变化，氢气流量计用于计量吸附器输出的氢气；预吸附器与其中一个吸附器串联，用于协助脱附过程；脱附过程通过氢气自循环装置循环预吸附器或吸附器内的氢气。本方案中吸附过程和脱附过程相互独立，原料气进入吸附器内吸附完成后全部输出，脱附过程采用氢气自循环装置循环预吸附器或吸附器内的氢气实现氢气再生，有效解决原料氢气流量波动导致脱附中断导致的脱附不彻底的问题，特别地匹配间歇性和波动性可再生能源制氢。

Description

用于可再生能源制氢的氢气干燥系统

技术领域

本实用新型涉及电解水制氢技术领域，具体而言，涉及一种用于可再生能源制氢的氢气干燥系统。

背景技术

氢能已成为未来我国能源体系的重要组成部分，可再生能源制氢是未来主要发展方向，氢能广泛应用于储能、冶金、化工、交通等领域。现有可再生能源制氢原料氢气中一般采用变温吸附形式干燥氢气，为避免再生氢气损耗，一般采用3塔式吸附器循环吸附。

现有技术中大多数氢气干燥设备需连续供应原料氢气，以保证吸附器中的吸附剂可以连续进行高温脱附，至脱附彻底后进入下一吸附周期。吸附器中吸附剂脱附时对原料气的流量大小有一定要求，流量过小将导致脱附不彻底。在匹配可再生能源制氢时，一旦前端电源不稳定将导致原料氢气的制取产生间歇性或较大范围波动，原料氢气波动或中断将难以保证吸附器内部吸附剂能够彻底脱附，造成进入下一吸附周期后无法输出干燥氢气。并且现有技术中的吸附器大多为定时切换，匹配可再生能源制氢时，吸附器未吸附饱和就进行再生，一定程度上导致脱附阶段频繁加热脱附，造成能量损失。因此，需设计一种适用于间歇性和波动性的氢气干燥系统。

实用新型内容

本实用新型提供了一种用于可再生能源制氢的氢气干燥系统，以减小加热脱附频率，降低能耗，并且保证脱附和干燥效果。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种用于可再生能源制氢的氢气干燥系统，包括两个吸附器、预吸附器、氢气自循环装置、脱附加热器、脱附冷却器、脱附气水分离器和氢气流量计；其中，两个吸附器并联设置，两个吸附器交替进行吸附过程和脱附过程，吸附器的吸附流量随输入的可再生能源的波动而变化，氢气流量计用于计量吸附器输出的氢气；预吸附器与其中一个吸附器串联，用于协助脱附过程；脱附过程通过氢气自循环装置循环预吸附器或吸附器内的氢气，并与吸附过程相互独立，吸附过程结束后直接输出干燥氢气；脱附加热器与氢气自循环装置的出口连接，以加热氢气自循环装置输出的氢气；脱附冷却器的进口连接吸附器或预吸附器，出口连接脱附气水分离器，用于冷凝脱附过程的氢气中夹带的水汽，并通过脱附气水分离器分离氢气和液态水，脱附气水分离器的氢气出口与吸附器或预吸附器连接。

进一步地，两个吸附器分别为第一吸附器和第二吸附器，第一吸附器的入口通过第一吸附进气自动阀和原料氢入口连接，第一吸附器的入口通过依次设置的第一脱附出气自动阀、预吸附进气自动阀和预吸附器连接，第一吸附器的出口连接有用于排出氢气的第一吸附出气自动阀，第一吸附器的出口通过依次设置的第一脱附进气自动阀、第一预吸附出气自动阀，与氢气自循环装置、预吸附器连接；第二吸附器的入口通过第二吸附进气自动阀和原料氢入口连接，第二吸附器的入口通过依次设置的第二脱附出气自动阀、吸附器脱附出气自动切换阀和脱附冷却器连接，第二吸附器的出口连接有用于排出氢气的第二吸附出气自动阀，第二吸附器的出口通过依次设置的第二脱附进气自动阀、吸附器脱附进气自动切换阀与脱附加热器。

进一步地，一个预吸附进气自动阀可选择地与两个吸附器中的任一个连通，一个预吸附出气自动阀可选择地与两个吸附器中的任一个连通，一个吸附器脱附进气自动切换阀可选择地与两个吸附器中的任一个连通，一个吸附器脱附出气自动切换阀可选择地与两个吸附器中的任一个连通。

进一步地，第一吸附器的出口连接第一压力变送器，第二吸附器的出口连接第二压力变送器。

进一步地，预吸附器的入口通过预吸附进气自动切换阀和预吸附进气自动阀连接，预吸附器的入口通过脱附出气自动切换阀和脱附冷却器连接，预吸附器的出口通过脱附进气自动切换阀和外充压入口连接，预吸附器的出口通过预吸附出气自动切换阀和氢气自循环装置、预吸附出气自动阀连接。

进一步地，预吸附器的出口连接第三压力变送器。

进一步地，氢气自循环装置的入口与预吸附器或吸附器相连，氢气自循环装置包括多套自循环单元，在单套自循环单元的工作流量不满足脱附流量需求时由多套自循环单元并联运行。

进一步地，每套自循环单元包含依次连接的自循环入口关断阀、自循环设备、自循环出口止回阀和自循环出口关断阀。

进一步地，用于可再生能源制氢的氢气干燥系统还包括原料氢入口、产品氢出口、氢气放空口、冷却水出口、冷却水入口、排污口、外充压入口和集水器；其中，原料氢入口和吸附器的入口连接，产品氢出口通过产品氢自动阀和吸附器的出口连接，氢气放空口通过氢气放空自动阀和吸附器的出口连接，在吸附器连接至产品氢出口的管路上，设置有自力式压力调节阀、氢气流量计和氢气露点仪，冷却水入口、冷却水出口均和脱附冷却器连接，外充压入口通过外充压自动阀和吸附器、预吸附器连接，脱附气水分离器的液体出口通过液体出口自动阀和集水器的入口连接，集水器的出口通过排污自动阀和排污口连接。

进一步地，脱附过程包括充压阶段、脱附阶段、预吸附阶段、等待阶段和补压阶段，预吸附器的预吸附过程包括充压阶段、预吸附阶段、脱附阶段、补压阶段和等待阶段；两个吸附器分别为第一吸附器和第二吸附器，第一吸附器为吸附过程A1，则第二吸附器为脱附过程D，此为A1D；第二吸附器为吸附过程A2，则第一吸附器为脱附过程D，此为A2D；吸附器的充压阶段对应预吸附器的充压阶段，此为D1阶段；吸附器的脱附阶段对应预吸附器预的吸附阶段，此为D2阶段；吸附器的预吸附阶段对应预吸附器的脱附阶段，此为D3阶段；吸附器的补压阶段对应预吸附器的补压阶段，此为D4阶段；吸附器的等待阶段对应预吸附器的等待阶段，此为D5阶段；两个吸附器和预吸附器的工作状态组合分为A1D1、A1D2、A1D3、A1D4、A1D5、A2D1、A2D2、A2D3、A2D4、A2D5状态，由多个自动阀开关状态变化来实现各状态切换。

应用本实用新型的技术方案，提供了一种用于可再生能源制氢的氢气干燥系统，包括两个吸附器、预吸附器、氢气自循环装置、脱附加热器、脱附冷却器、脱附气水分离器和氢气流量计；其中，两个吸附器并联设置，两个吸附器交替进行吸附过程和脱附过程，吸附器的吸附流量随输入的可再生能源的波动而变化，氢气流量计用于计量吸附器输出的氢气；预吸附器与其中一个吸附器串联，用于协助脱附过程；脱附过程通过氢气自循环装置循环预吸附器或吸附器内的氢气，并与吸附过程相互独立，吸附过程结束后直接输出干燥氢气；脱附加热器与氢气自循环装置的出口连接，以加热氢气自循环装置输出的氢气；脱附冷却器的进口连接吸附器或预吸附器，出口连接脱附气水分离器，用于冷凝脱附过程的氢气中夹带的水汽，并通过脱附气水分离器分离氢气和液态水，脱附气水分离器的氢气出口与吸附器或预吸附器连接。本方案中吸附过程和脱附过程相互独立，原料气进入吸附器内吸附完成后全部输出，脱附过程采用氢气自循环装置循环预吸附器或吸附器内的氢气实现氢气再生，有效解决原料氢气流量波动导致脱附中断导致的脱附不彻底的问题，特别地匹配间歇性和波动性可再生能源制氢。本方案创新性地优化设计，系统运行满足可再生能源制氢负荷0-100％要求。

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实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了本实用新型提供的用于可再生能源制氢的氢气干燥系统的示意图；

图2为本实用新型的A1D1状态中第一吸附器吸附，第二吸附器充压、预吸附器充压时的示意图；

图3为本实用新型的A1D2状态中第一吸附器吸附，第二吸附器脱附、预吸附器预吸附时的示意图；

图4为本实用新型的A1D3状态中第一吸附器吸附，第二吸附器预吸附、预吸附器脱附时的示意图；

图5为本实用新型的A2D1状态中第二吸附器吸附，第一吸附器充压、预吸附器充压时的示意图；

图6为本实用新型的A2D2状态中第二吸附器吸附，第一吸附器脱附、预吸附器预吸附时的示意图；

图7为本实用新型的A2D3状态中第二吸附器吸附，第一吸附器预吸附、预吸附器脱附时的示意图；

图8为图1中的氢气自循环装置中的自循环单元示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

01、原料氢入口；02、产品氢出口；03、氢气放空口；04、冷却水出口；05、冷却水入口；06、排污口；07、外充压入口；

1、第一吸附器；11、第一吸附进气自动阀；12、第一吸附出气自动阀；13、第一脱附出气自动阀；14、第一脱附进气自动阀；15、预吸附进气自动阀；16、预吸附出气自动阀；17、第一压力变送器；

2、第二吸附器；21、第二吸附进气自动阀；22、第二吸附出气自动阀；23、第二脱附出气自动阀；24、第二脱附进气自动阀；25、吸附器脱附出气自动切换阀；26、吸附器脱附进气自动切换阀；27、第二压力变送器；

3、预吸附器；31、预吸附进气自动切换阀；32、脱附进气自动切换阀；33、脱附出气自动切换阀；34、预吸附出气自动切换阀；35、第三压力变送器；

4、氢气自循环装置；41、第一自循环单元；42、第二自循环单元；43、第三自循环单元；411、第一入口关断阀；412、第一自循环设备；413、第一出口止回阀；414、第一出口关断阀；421、第二入口关断阀；422、第二自循环设备；423、第二出口止回阀；424、第二出口关断阀；431、第三入口关断阀；432、第三自循环设备；433、第三出口止回阀；434、第三出口关断阀；

5、脱附加热器；

6、脱附冷却器；

7、脱附气水分离器； 71、液体出口自动阀；

8、集水器； 81、排污自动阀；

91、自力式压力调节阀；92、氢气流量计；93、氢气露点仪；94、产品氢自动阀；95、氢气放空自动阀；96、外充压自动阀。

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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1至图8所示，本实用新型的实施例提供了一种用于可再生能源制氢的氢气干燥系统，包括两个吸附器、预吸附器3、氢气自循环装置4、脱附加热器5、脱附冷却器6、脱附气水分离器7和氢气流量计92；其中，两个吸附器并联设置，两个吸附器交替进行吸附过程和脱附过程，吸附器的吸附流量随输入的可再生能源的波动而变化，氢气流量计92用于计量吸附器输出的氢气；预吸附器3与其中一个吸附器串联，用于协助脱附过程；脱附过程通过氢气自循环装置4循环预吸附器3或吸附器内的氢气，并与吸附过程相互独立，吸附过程结束后直接输出干燥氢气；脱附加热器5与氢气自循环装置4的出口连接，以加热氢气自循环装置4输出的氢气；脱附冷却器6的进口连接吸附器或预吸附器3，出口连接脱附气水分离器7，用于冷凝脱附过程的氢气中夹带的水汽，并通过脱附气水分离器7分离氢气和液态水，脱附气水分离器7的氢气出口与吸附器或预吸附器3连接。

本方案中吸附过程和脱附过程相互独立，原料气进入吸附器内吸附完成后全部输出，脱附过程采用氢气自循环装置4循环预吸附器3或吸附器内的氢气实现氢气再生，有效解决原料氢气流量波动导致脱附中断导致的脱附不彻底的问题，特别地匹配间歇性和波动性可再生能源制氢；并且，本方案中通过氢气流量计92累积吸附器单次吸附过程处理氢气流量，以此切换吸附器的工作状态，而不是定时切换吸附器的工作状态。本方案创新性地优化设计，系统运行满足可再生能源制氢负荷0-100％要求，并且避免了吸附器未吸附饱和就进行再生，加热脱附频率，降低能耗，保证脱附和干燥效果。

其中，脱附过程又具体分为充压、脱附、预吸附、补压、等待阶段，各工作阶段由程序智能控制自动阀开关状态来实现。预吸附过程又分为充压、预吸附、脱附、补压、等待阶段，各工作阶段由程序智能控制自动阀开关状态来实现。脱附加热器5由内部电加热芯和容器构成，用于加热氢气自循环装置4输出的氢气供吸附器内吸附剂脱附使用。

两个吸附器分别为第一吸附器1和第二吸附器2，第一吸附器1的入口通过第一吸附进气自动阀11和原料氢入口01连接，第一吸附器1的入口通过依次设置的第一脱附出气自动阀13、预吸附进气自动阀15和预吸附器3连接，第一吸附器1的出口连接有用于排出氢气的第一吸附出气自动阀12，第一吸附器1的出口通过依次设置的第一脱附进气自动阀14、第一预吸附出气自动阀16，与氢气自循环装置4、预吸附器3连接；第二吸附器2的入口通过第二吸附进气自动阀21和原料氢入口01连接，第二吸附器2的入口通过依次设置的第二脱附出气自动阀23、吸附器脱附出气自动切换阀25和脱附冷却器6连接，第二吸附器2的出口连接有用于排出氢气的第二吸附出气自动阀22，第二吸附器2的出口通过依次设置的第二脱附进气自动阀24、吸附器脱附进气自动切换阀26与脱附加热器5。

其中，一个预吸附进气自动阀15可选择地与两个吸附器中的任一个连通，一个预吸附出气自动阀16可选择地与两个吸附器中的任一个连通，一个吸附器脱附进气自动切换阀26可选择地与两个吸附器中的任一个连通，一个吸附器脱附出气自动切换阀25可选择地与两个吸附器中的任一个连通。第一吸附器1的出口连接第一压力变送器17，第二吸附器2的出口连接第二压力变送器27，以检测压力。

如图1所示，预吸附器3的入口通过预吸附进气自动切换阀31和预吸附进气自动阀15连接，预吸附器3的入口通过脱附出气自动切换阀33和脱附冷却器6连接，预吸附器3的出口通过脱附进气自动切换阀32和外充压入口07连接，预吸附器3的出口通过预吸附出气自动切换阀34和氢气自循环装置4、预吸附出气自动阀16连接。预吸附器3的出口连接第三压力变送器35，以检测压力。

氢气自循环装置4的入口与预吸附器3或吸附器相连，氢气自循环装置4包括多套自循环单元，在单套自循环单元的工作流量不满足脱附流量需求时由多套自循环单元并联运行。经过氢气自循环装置后增压ΔP MPa，优选ΔP为0.2MPa。出口止回阀可有效避免脱附加热器5中热气回流影响自循环设备的使用寿命。自循环设备优选为气驱氢气增压泵，但不限于氢气循环泵、隔膜式压缩机、增压阀等。

其中，每套自循环单元包含依次连接的自循环入口关断阀、自循环设备、自循环出口止回阀和自循环出口关断阀。如图8所示，多套自循环单元包括第一自循环单元41、第二自循环单元42和第三自循环单元43，第一自循环单元41包括依次连接的第一入口关断阀411、第一自循环设备412、第一出口止回阀413、第一出口关断阀414；第二自循环单元42包括依次连接的第二入口关断阀421、第二自循环设备422、第二出口止回阀423、第二出口关断阀424；第三自循环单元43包括依次连接的第三入口关断阀431、第三自循环设备432、第三出口止回阀433、第三出口关断阀434。

在本方案中，用于可再生能源制氢的氢气干燥系统还包括原料氢入口01、产品氢出口02、氢气放空口03、冷却水出口04、冷却水入口05、排污口06、外充压入口07和集水器8；其中，原料氢入口01和吸附器的入口连接，产品氢出口02通过产品氢自动阀94和吸附器的出口连接，氢气放空口03通过氢气放空自动阀95和吸附器的出口连接，在吸附器连接至产品氢出口02的管路上，设置有自力式压力调节阀91、氢气流量计92和氢气露点仪93，冷却水入口05、冷却水出口04均和脱附冷却器6连接，外充压入口07通过外充压自动阀96和吸附器、预吸附器3连接，脱附气水分离器7的液体出口通过液体出口自动阀71和集水器8的入口连接，集水器8的出口通过排污自动阀81和排污口06连接。

干燥氢气经自力式压力调节阀91调压后，由氢气露点仪93取样分析后经智能控制系统判断，若露点合格经产品氢自动阀94输出，若露点不合格经氢气放空自动阀95放空。

在该用于可再生能源制氢的氢气干燥系统中，脱附过程包括充压阶段、脱附阶段、预吸附阶段、等待阶段和补压阶段，预吸附器3的预吸附过程包括充压阶段、预吸附阶段、脱附阶段、补压阶段和等待阶段；两个吸附器分别为第一吸附器1和第二吸附器2，第一吸附器1为吸附过程A1，则第二吸附器2为脱附过程D，此为A1D；第二吸附器2为吸附过程A2，则第一吸附器1为脱附过程D，此为A2D；吸附器的充压阶段对应预吸附器3的充压阶段，此为D1阶段；吸附器的脱附阶段对应预吸附器3预的吸附阶段，此为D2阶段；吸附器的预吸附阶段对应预吸附器3的脱附阶段，此为D3阶段；吸附器的补压阶段对应预吸附器3的补压阶段，此为D4阶段；吸附器的等待阶段对应预吸附器3的等待阶段，此为D5阶段；两个吸附器和预吸附器3的工作状态组合分为A1D1、A1D2、A1D3、A1D4、A1D5、A2D1、A2D2、A2D3、A2D4、A2D5状态，由多个自动阀开关状态变化来实现各状态切换。

本方案中，吸附器吸附流量随可再生能源波动变化，控制系统通过累积吸附器单次吸附过程处理氢气流量来切换吸附器的工作状态，可有效避免吸附器未吸附饱和就频繁进行加热脱附，造成能量损失。吸附器每小时额定吸附氢气量为X1 Nm³，额定吸附时间为N小时，吸附器单次氢气吸附量为Y1＝N*X1 Nm³；吸附器出口的氢气流量计92单次吸附开始的初始累计流量为Y0 Nm³，吸附器实际吸附氢气流量为额定值的0-100％，当吸附器出口氢气流量计92累计流量达到Y2 Nm³时，Y2＝Y0+Y1，自动切换吸附过程至脱附过程，即由A1D切换至A2D或由A2D切换至A1D。

D1至D3阶段按照顺序进行，脱附过程总时长为W，在D1阶段，处于脱附过程的吸附器和预吸附器3内进行充压，预吸附器3出口的第三压力变送器35反馈压力达P1MPa，D1阶段时长W1且为非定值；启动氢气自循环装置4和脱附加热器5，自循环氢气量为X2 Nm³/h，预吸附器3内吸附剂预吸附，吸附器内吸附剂脱附，D2阶段时长W2且为定值；D2阶段结束后，进入D3阶段，氢气自循环装置4和脱附加热器5继续运行，自循环氢气量仍为X2 Nm³/h，吸附器内吸附剂预吸附，预吸附器3内吸附剂脱附，D3阶段时长W3且为定值；D3阶段结束后，进入D5阶段，停止氢气自循环装置4和脱附加热器5，处于脱附过程的吸附器和预吸附器3均进行等待，D5阶段时长W5且为非定值；其中，在D2和D3阶段，若预吸附器3出口的第三压力变送器35反馈压力低于P2MPa，关闭氢气自循环装置4和脱附加热器5，对应阶段的计时停止，进入D4阶段，D4阶段时长W4且为非定值，补压至第三压力变送器35反馈压力达P1MPa后，自动启动氢气自循环装置4和脱附加热器5，继续相应阶段工作；其中，处于吸附过程的吸附器实际单次吸附时间为Z，Z＝W，Z-W5＝W1+W2+W3+W4≤N，0＜P2＜P1，0＜X2≤X1。

其中，第一吸附器1和第二吸附器2内的吸附剂量按单次吸附氢气量Y1填充，预吸附器3内的吸附剂量按单次预吸附氢气量Y3＝W2*X2 Nm³填充，第一吸附器1、第二吸附器2的有效容积大于预吸附器3的有效容积。第一吸附器1和第二吸附器2吸附剂填充量相同，预吸附器3吸附剂填充量小于第一吸附器1和第二吸附器2，即第一吸附器1和第二吸附器2有效容积大于预吸附器3。

脱附气水分离器7的液体出口通过液体出口自动阀71和集水器8的入口连接，集水器8的出口通过排污自动阀81和排污口06连接，集水器8的有效容积为V，吸附器单次吸附Y1Nm³氢气中总水量为V1，其中V1＝1/2V，可保证单个脱附周期内不会出现集水器8内液位超高；当处于脱附过程的吸附器和预吸附器3刚进入D5阶段，打开排污自动阀81，每次排污时间为T1；液体出口自动阀71为常开状态，为避免排污过程中预吸附器3和吸附器内压力产生波动，在排污自动阀81打开前T2时间关闭液体出口自动阀71，待排污自动阀81关闭时间后T2时间，打开液体出口自动阀71。

如图2所示，在A1D1状态，第一吸附器1为吸附过程，氢气由原料氢入口01经第一吸附进气自动阀11进入第一吸附器1进行吸附干燥，干燥后的氢气由第一吸附出气自动阀12流出，大部分产品氢经自力式压力调节阀91调压至P1MPa后输出。充压方式又分为内充压和外充压，优选内充压。第二吸附器2为脱附过程中的充压阶段，预吸附器3为预吸附过程的充压阶段；当原料氢入口01有氢气输入，即吸附器出口氢气流量计瞬时流量不为0，内充压气源为第一吸附器1输出的小部分产品氢，经第二吸附出气自动阀22、第二吸附器2、第二脱附出气自动阀23、吸附器脱附出气自动切换阀25、脱附冷却器6、脱附气水分离器7、预吸附进气自动切换阀31、预吸附器3、预吸附出气自动切换阀34、氢气自循环装置4、脱附加热器5、吸附器脱附进气自动切换阀26、第二脱附进气自动阀24及相连的管道充压，至预吸附器3出口的第三压力变送器35压力达P1MPa；当原料氢入口01无氢气输入，即吸附器出口氢气流量计92瞬时流量为0，可选择等待第一吸附器1氢气输入时内充压且阀门状态保持原位，或选择外充压，第二吸附器2的第二吸附出气自动阀22关闭，由外充压入口07经外充压自动阀96输入的外界高纯氢或高纯氮，经吸附器脱附进气自动切换阀26、第二脱附进气自动阀24、第二吸附器2、第二脱附出气自动阀23、吸附器脱附出气自动切换阀25、脱附冷却器6、脱附气水分离器7、预吸附进气自动切换阀31、预吸附器3、预吸附出气自动切换阀34、氢气自循环装置4、脱附加热器5及内部相连的管道充压，预吸附器3出口的第三压力变送器35压力达P1MPa。

如图3所示，在A1D2状态，第一吸附器1为吸附过程，第二吸附器2为脱附过程脱附阶段，预吸附器3为预吸附过程预吸附阶段。第一吸附器1干燥后全部产品氢经自力式压力调节阀91调压至P1MPa后输出；第二吸附器2为脱附过程的脱附阶段，预吸附器3为预吸附过程的预吸附阶段，启动氢气自循环装置4和脱附加热器5，预吸附器3内压力为P1MPa的气体经预吸附出气自动切换阀34、氢气自循环装置4、脱附加热器5后，再经吸附器脱附进气自动切换阀26、第二脱附进气自动阀24进入第二吸附器2对内部吸附剂进行加热脱附，最后经第二脱附出气自动阀23、吸附器脱附出气自动切换阀25、脱附冷却器6冷却、脱附气水分离器7气水分离后自循环至预吸附器3，自循环时长为W2。

如图4所示，在A1D3状态，第一吸附器1为吸附过程，第二吸附器2为脱附过程吸附阶段，预吸附器3为预吸附过程脱附阶段。第一吸附器1干燥后全部产品氢经自力式压力调节阀91调压至P1MPa后输出；第二吸附器2为脱附过程吸附阶段，预吸附器3为预吸附过程的脱附阶段，氢气自循环装置4和脱附加热器5运行，第二吸附器2内压力为P1MPa的气体经第二脱附进气自动阀24、预吸附出气自动阀16、氢气自循环装置4、脱附加热器5加热后，再经脱附进气自动切换阀32进入预吸附器3对内部吸附剂进行加热脱附，最后经脱附出气自动切换阀33、脱附冷却器6冷却、脱附气水分离器7气水分离后、经预吸附进气自动阀15、第二脱附出气自动阀23自循环至第二吸附器2，自循环时长为W3。

在A1D4状态，参照图3和图4，第一吸附器1为吸附过程，第二吸附器2为脱附过程补压阶段，预吸附器3为预吸附过程补压阶段。第一吸附器1干燥后全部产品氢经自力式压力调节阀91调压至P1MPa后输出；第二吸附器2为脱附过程的补压阶段，预吸附器3为预吸附过程的补压阶段；在D2和D3阶段，若第三压力变送器35反馈压力低于P2MPa，关闭氢气自循环装置4和脱附加热器5，对应阶段的计时停止，打开第二吸附出气自动阀22或外充压自动阀96进行补压，其它阀门状态保持原位，补压至第三压力变送器35反馈压力达P1MPa后，关闭第二吸附出气自动阀22或外充压自动阀96，并自动启动氢气自循环装置4和脱附加热器5继续工作。

在A1D5状态，参照图4，第一吸附器1为吸附过程，第二吸附器2为脱附过程等待阶段，预吸附器3为预吸附过程等待阶段。第一吸附器1干燥后全部产品氢经自力式压力调节阀91调压至P1MPa后输出；第二吸附器2为脱附过程的等待阶段，预吸附器3为预吸附过程的等待阶段，停止氢气自循环装置4和脱附加热器5，阀门状态保持原位，等待时长为W5。

如图5所示，在A2D1状态，第二吸附器2为吸附过程，氢气由原料氢入口01，经第二吸附进气自动阀21进入第二吸附器2进行吸附干燥，干燥后的氢气由第二吸附出气自动阀22流出，大部分产品氢经自力式压力调节阀91调压至P1 MPa后输出；第一吸附器1为脱附过程的充压阶段，预吸附器3为预吸附过程的充压阶段；充压方式又分为内充压和外充压，优选内充压。当原料氢入口01有氢气输入，即吸附器出口氢气流量计92瞬时流量不为0，内充压气源为第二吸附器2输出的小部分产品氢，经第一吸附出气自动阀12、第一吸附器1、第一脱附出气自动阀13、吸附器脱附出气自动切换阀25、脱附冷却器6、脱附气水分离器7、预吸附进气自动切换阀31、预吸附器3、预吸附出气自动切换阀34、氢气自循环装置4、脱附加热器5、吸附器脱附进气自动切换阀26、第一脱附进气自动阀14及相连的管道充压，至预吸附器3出口的第三压力变送器35压力达P1MPa；当原料氢入口01无氢气输入，即吸附器出口氢气流量计92瞬时流量为0，可选择等待第二吸附器2氢气输入时内充压且阀门状态保持原位，或选择外充压，第一吸附器1的第一吸附出气自动阀12关闭，由外充压入口07经外充压自动阀96输入的外界高纯氢或高纯氮，经吸附器脱附进气自动切换阀26、第一脱附进气自动阀14、第一吸附器1、第一脱附出气自动阀13、吸附器脱附出气自动切换阀25、脱附冷却器6、脱附气水分离器7、预吸附进气自动切换阀31、预吸附器3、预吸附出气自动切换阀34、氢气自循环装置4、脱附加热器5及内部相连的管道充压，预吸附器3出口的第三压力变送器35压力达P1MPa。

如图6所示，在A2D2状态，第二吸附器2为吸附过程，第一吸附器1为脱附过程脱附阶段，预吸附器3为预吸附过程预吸附阶段。第二吸附器2干燥后全部产品氢经自力式压力调节阀91调压至P1MPa后输出；第一吸附器1为脱附过程的脱附阶段，预吸附器3为预吸附过程的预吸附阶段，启动氢气自循环装置4和脱附加热器5，预吸附器3内压力为P1MPa的气体经预吸附出气自动切换阀34、氢气自循环装置4、脱附加热器5后，再经吸附器脱附进气自动切换阀26、第一脱附进气自动阀14进入第一吸附器1对内部吸附剂进行加热脱附，最后经第一脱附出气自动阀13、吸附器脱附出气自动切换阀25、脱附冷却器6冷却、脱附气水分离器7气水分离后自循环至预吸附器3，自循环时长为W2。

如图7所示，在A2D3状态，第二吸附器2为吸附过程，第一吸附器1为脱附过程吸附阶段，预吸附器3为预吸附过程脱附阶段。第二吸附器2干燥后全部产品氢经自力式压力调节阀91调压至P1MPa后输出；第一吸附器1为脱附过程吸附阶段，预吸附器3为预吸附过程的脱附阶段，氢气自循环装置4和脱附加热器5运行，第一吸附器1内压力为P1MPa的气体经第一脱附进气自动阀14、预吸附出气自动阀16、氢气自循环装置4、脱附加热器5加热后，再经脱附进气自动切换阀32进入预吸附器3对内部吸附剂进行加热脱附，最后经脱附出气自动切换阀33、脱附冷却器6冷却、脱附气水分离器7气水分离后、经预吸附进气自动阀15、第一脱附出气自动阀13自循环至第一吸附器1，自循环时长为W3。

在A2D4状态，参照图6和图7，第二吸附器2为吸附过程，第一吸附器1为脱附过程补压阶段，预吸附器3为预吸附过程补压阶段。第二吸附器2干燥后全部产品氢经自力式压力调节阀91调压至P1MPa后输出；第一吸附器1为脱附过程的补压阶段，预吸附器3为预吸附过程的补压阶段；在D2和D3阶段，若第三压力变送器35反馈压力低于P2MPa，关闭氢气自循环装置4和脱附加热器5，对应阶段的计时停止，打开第一吸附出气自动阀12或外充压自动阀96进行补压，其它阀门状态保持原位，补压至第三压力变送器35反馈压力达P1MPa后，关闭第一吸附出气自动阀12或外充压自动阀96，并自动启动氢气自循环装置4和脱附加热器5继续工作。

在A2D5状态，参照图7，第二吸附器2为吸附过程，第一吸附器1为脱附过程等待阶段，预吸附器3为预吸附过程等待阶段。第二吸附器2干燥后全部产品氢经自力式压力调节阀91调压至P1MPa后输出；第一吸附器1为脱附过程的等待阶段，预吸附器3为预吸附过程的等待阶段，停止氢气自循环装置4和脱附加热器5，阀门状态保持原位，等待时长为W5。

本方案中，吸附过程与脱附过程相互独立，进入吸附器内的原料氢气流量大小不影响脱附过程，采用氢气自循环装置4循环预吸附器3和处于脱附过程的吸附器内P1MPa气体经进行脱附，可有效解决原料氢气流量波动或中断对脱附效果的影响，特别地匹配间歇性和波动性可再生能源制氢，满足设备运行负荷0-100％要求。

在一现有技术中，针对解决可再生能源制氢波动性难以满足再生流量需求问题，采用不同阶段变流量再生脱附，但前端可再生能源制氢间歇运行时，会出现无原料氢气供再生脱附使用，造成脱附不彻底，影响下一周期吸附效果。干燥装置仍有最低再生流量要求，一旦再生流量持续低于下限时，也会造成脱附不彻底。即使引入储氢区氢气用于再生，储在通过高压氢气压缩机将氢气回流至储氢区，也会造成氢气从高压减压至低压，再压缩至高压，压缩机的压缩比较大，造成系统整体能耗较高。因此，该技术无法做到运行负荷0-100％，难以满足可再生能源制氢间歇性要求。

在另一现有技术中，针对解决可再生能源制氢波动性难以满足再生流量需求问题采用多个纯化干燥单元并联使用解决，但干燥单元数量过多，此外还需考虑每个干燥单元的流量分配问题。设备成本较高，干燥装置仍有最低再生流量要求，无法做到运行负荷0-100％，难以满足可再生能源制氢间歇性要求。

在本方案中，采用智能控制方式，控制系统通过累积吸附器单次吸附氢气量来切换工作状态，可有效避免吸附器未吸附饱和就进行加热脱附，最大限度发挥吸附器的吸附能力，减小加热脱附频率，降低能耗。

本实用新型创新性地工艺流程设计，吸附和脱附过程相互独立，原料气进入吸附器内吸附完成后全部输出干燥装置，脱附过程采用氢气自循环装置循环预吸附器或吸附器内氢气再生，有效解决原料氢气流量波动导致脱附中断的造成脱附不彻底的问题，特别地匹配间歇性和波动性可再生能源制氢。氢气干燥装置运行满足可再生能源制氢负荷0-100％要求。

氢气自循环装置对氢气循环后的纯度无影响，自循环装置内由至少1套自循环单元组成，当单套自循环单元工作流量受限无法满足脱附流量需求时可由多套单元并联运行。每套单元出口止回阀可有效避免脱附加热器中热气回流影响自循环设备使用寿命。

基于以上特点，本实用新型通过对氢气干燥装置优化设计，特别地匹配间歇性和波动性可再生能源制氢，满足设备运行负荷0-100％要求。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。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、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

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实用新型的范围。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。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

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实用新型保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种用于可再生能源制氢的氢气干燥系统，其特征在于，包括两个吸附器、预吸附器(3)、氢气自循环装置(4)、脱附加热器(5)、脱附冷却器(6)、脱附气水分离器(7)和氢气流量计(92)；其中，两个所述吸附器并联设置，两个所述吸附器交替进行吸附过程和脱附过程，所述吸附器的吸附流量随输入的可再生能源的波动而变化，所述氢气流量计(92)用于计量所述吸附器输出的氢气；所述预吸附器(3)与其中一个所述吸附器串联，用于协助所述脱附过程；所述脱附过程通过所述氢气自循环装置(4)循环所述预吸附器(3)或所述吸附器内的氢气，并与所述吸附过程相互独立，所述吸附过程结束后直接输出干燥氢气；所述脱附加热器(5)与所述氢气自循环装置(4)的出口连接，以加热所述氢气自循环装置(4)输出的氢气；所述脱附冷却器(6)的进口连接所述吸附器或所述预吸附器(3)，出口连接所述脱附气水分离器(7)，用于冷凝所述脱附过程的氢气中夹带的水汽，并通过所述脱附气水分离器(7)分离氢气和液态水，所述脱附气水分离器(7)的氢气出口与所述吸附器或所述预吸附器(3)连接。

2.根据权利要求1所述的用于可再生能源制氢的氢气干燥系统，其特征在于，两个所述吸附器分别为第一吸附器(1)和第二吸附器(2)，所述第一吸附器(1)的入口通过第一吸附进气自动阀(11)和原料氢入口(01)连接，所述第一吸附器(1)的入口通过依次设置的第一脱附出气自动阀(13)、预吸附进气自动阀(15)和所述预吸附器(3)连接，所述第一吸附器(1)的出口连接有用于排出氢气的第一吸附出气自动阀(12)，所述第一吸附器(1)的出口通过依次设置的第一脱附进气自动阀(14)、第一预吸附出气自动阀(16)，与所述氢气自循环装置(4)、所述预吸附器(3)连接；所述第二吸附器(2)的入口通过第二吸附进气自动阀(21)和所述原料氢入口(01)连接，所述第二吸附器(2)的入口通过依次设置的第二脱附出气自动阀(23)、吸附器脱附出气自动切换阀(25)和所述脱附冷却器(6)连接，所述第二吸附器(2)的出口连接有用于排出氢气的第二吸附出气自动阀(22)，所述第二吸附器(2)的出口通过依次设置的第二脱附进气自动阀(24)、吸附器脱附进气自动切换阀(26)与所述脱附加热器(5)。

3.根据权利要求2所述的用于可再生能源制氢的氢气干燥系统，其特征在于，一个所述预吸附进气自动阀(15)可选择地与两个所述吸附器中的任一个连通，一个所述预吸附出气自动阀(16)可选择地与两个所述吸附器中的任一个连通，一个所述吸附器脱附进气自动切换阀(26)可选择地与两个所述吸附器中的任一个连通，一个所述吸附器脱附出气自动切换阀(25)可选择地与两个所述吸附器中的任一个连通。

4.根据权利要求2所述的用于可再生能源制氢的氢气干燥系统，其特征在于，所述第一吸附器(1)的出口连接第一压力变送器(17)，所述第二吸附器(2)的出口连接第二压力变送器(27)。

5.根据权利要求2所述的用于可再生能源制氢的氢气干燥系统，其特征在于，所述预吸附器(3)的入口通过预吸附进气自动切换阀(31)和所述预吸附进气自动阀(15)连接，所述预吸附器(3)的入口通过脱附出气自动切换阀(33)和所述脱附冷却器(6)连接，所述预吸附器(3)的出口通过脱附进气自动切换阀(32)和外充压入口(07)连接，所述预吸附器(3)的出口通过预吸附出气自动切换阀(34)和所述氢气自循环装置(4)、所述预吸附出气自动阀(16)连接。

6.根据权利要求5所述的用于可再生能源制氢的氢气干燥系统，其特征在于，所述预吸附器(3)的出口连接第三压力变送器(35)。

7.根据权利要求1所述的用于可再生能源制氢的氢气干燥系统，其特征在于，所述氢气自循环装置(4)的入口与所述预吸附器(3)或所述吸附器相连，所述氢气自循环装置(4)包括多套自循环单元，在单套所述自循环单元的工作流量不满足脱附流量需求时由多套所述自循环单元并联运行。

8.根据权利要求7所述的用于可再生能源制氢的氢气干燥系统，其特征在于，每套所述自循环单元包含依次连接的自循环入口关断阀、自循环设备、自循环出口止回阀和自循环出口关断阀。

9.根据权利要求1所述的用于可再生能源制氢的氢气干燥系统，其特征在于，所述用于可再生能源制氢的氢气干燥系统还包括原料氢入口(01)、产品氢出口(02)、氢气放空口(03)、冷却水出口(04)、冷却水入口(05)、排污口(06)、外充压入口(07)和集水器(8)；其中，所述原料氢入口(01)和所述吸附器的入口连接，所述产品氢出口(02)通过产品氢自动阀(94)和所述吸附器的出口连接，所述氢气放空口(03)通过氢气放空自动阀(95)和所述吸附器的出口连接，在所述吸附器连接至所述产品氢出口(02)的管路上，设置有自力式压力调节阀(91)、所述氢气流量计(92)和氢气露点仪(93)，所述冷却水入口(05)、所述冷却水出口(04)均和所述脱附冷却器(6)连接，所述外充压入口(07)通过外充压自动阀(96)和所述吸附器、所述预吸附器(3)连接，所述脱附气水分离器(7)的液体出口通过液体出口自动阀(71)和所述集水器(8)的入口连接，所述集水器(8)的出口通过排污自动阀(81)和所述排污口(06)连接。

10.根据权利要求1所述的用于可再生能源制氢的氢气干燥系统，其特征在于，所述脱附过程包括充压阶段、脱附阶段、预吸附阶段、等待阶段和补压阶段，所述预吸附器(3)的预吸附过程包括充压阶段、预吸附阶段、脱附阶段、补压阶段和等待阶段；两个所述吸附器分别为第一吸附器(1)和第二吸附器(2)，所述第一吸附器(1)为吸附过程A1，则所述第二吸附器(2)为脱附过程D，此为A1D；所述第二吸附器(2)为吸附过程A2，则所述第一吸附器(1)为脱附过程D，此为A2D；所述吸附器的充压阶段对应所述预吸附器(3)的充压阶段，此为D1阶段；所述吸附器的脱附阶段对应所述预吸附器(3)预的吸附阶段，此为D2阶段；所述吸附器的预吸附阶段对应所述预吸附器(3)的脱附阶段，此为D3阶段；所述吸附器的补压阶段对应所述预吸附器(3)的补压阶段，此为D4阶段；所述吸附器的等待阶段对应所述预吸附器(3)的等待阶段，此为D5阶段；两个所述吸附器和所述预吸附器(3)的工作状态组合分为A1D1、A1D2、A1D3、A1D4、A1D5、A2D1、A2D2、A2D3、A2D4、A2D5状态，由多个自动阀开关状态变化来实现各状态切换。