一种氢气变温除杂工艺系统的制作方法

1.本实用新型属于氢气及燃料电池用氢等新兴绿色环保领域，特别涉及一种氢气变温除杂工艺系统。


背景技术：

2.当今，氢能利用被视作与化石燃料清洁低碳利用、可再生能源规模化利用相并行的一种可持续能源利用路径，氢能在能源转型过程中的角色价值日益凸显，化石能源、新能源及氢电二次能源网络的互联互动将成为一种长期应用场景。国际氢能委员会(the hydrogen council)认为：全球将从2030年开始大规模利用氢能，2040年氢能将承担全球终端能源消费量的18％，2050年氢能利用可以贡献全球二氧化碳减排量的20％。
3.氢气作为原料气体及工业气体的生产和使用规模都很庞大。规模最大的制氢方式是化石燃料制氢。通过煤气化制氢以及烃类蒸气转化制氢占据制氢产能的主要部分。每年焦炭、氯碱、甲醇和合成氨生产过程中副产大量氢气，也是氢气来源的重要组成部分。因此，寻找一种能够以煤化工和石油化工等化工产氢为原料，通过提纯工艺来实现燃料级氢气制备的工艺受到广泛关注。目前，在氢气提纯技术主要有psa(变压吸附，pressure swing adsorption)、tsa(变温吸附，temperature swing adsorption)和过渡金属膜分离等工艺。其中，tsa技术由于操作条件温和，投资较低和氢气回收率高等优点受到广泛关注。
4.现有技术普遍存在由于电加热的局限性，吸附纯化氢气设备及工艺仅适用于以撬装方式的小型纯化装置，无法在大型装置上使用。例如，当吸附尺寸增大后会引起吸附塔内温度分布不均，从而影响吸附和脱附效果，进而影响氢气提纯效果。


技术实现要素：

5.鉴于现有技术中存在的上述问题，本公开提供了一种适用于大型装置使用、能够快速解吸脱附和吸附纯化、减少操作周期且能够提高处理量的氢气变温除杂工艺系统。
6.为实现上述目的，本实用新型实施例采用的技术方案是：
7.提供一种氢气变温除杂工艺系统，其包括并行设置的一对吸附塔和与所述吸附塔连通的原料气路、纯净气路、氮气路和解吸气路；其中，在所述原料气路上设有原料气阀；在所述纯净气路上设有纯净气阀；在所述氮气路上沿介质流动的方向顺序设有氮气温控装置和氮气阀；其中，所述氮气温控装置包括并行设置的第一阀门和加热器装置；所述加热器装置包括沿介质流动方向顺序设置的加热器和第二阀门；在所述解吸气路上设有解吸气阀。
8.在本公开的一些实施例中，所述氢气变温除杂工艺系统还包括第三阀门；每条所述纯净气路在所述纯净气阀后汇集，并与所述第三阀门连通。
9.在本公开的一些实施例中，所述吸附塔设有气体进口和气体出口；所述气体进口与所述原料气阀和所述解吸气阀连通；所述气体出口与所述纯净气阀和所述氮气阀连通。
10.在本公开的一些实施例中，所述加热器构造为电加热器、蒸汽加热器或空气加热器。
11.在本公开的一些实施例中，所述电加热器的两端设有脱附载气进口和脱附载气出口，所述脱附载气进口与所述氮气路连通，所述脱附载气出口与所述吸附塔的气体出口连通。
12.在本公开的一些实施例中，所述蒸汽加热器和所述空气加热器的两端均设有脱附载气进口和脱附载气出口；还设有加热脱附载气进口和加热脱附载气出口；其中，所述脱附载气进口与所述氮气路连通，所述脱附载气出口与所述吸附塔的气体出口连通；所述加热脱附载气进口和所述加热脱附载气出口分别与对应的加热介质管道连通。
13.在本公开的一些实施例中，所述加热器构造为管壳式加热器、u型管式加热器或电加热器。
14.在本公开的一些实施例中，所述吸附塔内在靠近所述气体进口和所述气体出口的区域填充预设粒径的陶瓷球。
15.与现有技术相比较，本实用新型的有益效果在于：
16.本实用新型实施例的氢气变温除杂工艺系统，通过加热器装置、一对吸附塔、第一阀门和其他一系列阀门形成一种能够快速对两个吸附塔分别进行升温解吸和降温冷却的整体工艺系统，并由此实现吸附塔内气体的快速解吸脱附和吸附纯化，进而提高净化气的生产效率及处理量，减小操作周期。
17.此外，本实用新型实施例的氢气变温除杂工艺系统，在一吸附塔进行吸附的同时，另一吸附塔进行逆向放压、升温解吸、降温冷却和终充压等步骤，进而提高氢气变温除杂工艺系统的处理节奏。
附图说明
18.图1为本实用新型实施例的一种氢气变温除杂工艺系统的示意图；
19.图2为本实用新型实施例的一种氢气变温除杂工艺系统中吸附塔的结构示意图；
20.图3为本实用新型实施例的氢气变温除杂工艺的流程图。
21.附图标记说明
22.k1a、k1b-原料气阀；
23.k2a、k2b-解吸气阀；
24.k3a、k3b-氮气阀；
25.k4a、k4b-纯净气阀；
26.k2-第三阀门；k5-第一阀门；k6-第二阀门；
27.2-1-上分布器；2-2-上填充区；2-3-吸附区；
28.2-4-下填充区；2-5-下分布器；
29.2-a-气体进口；2-b-气体出口
具体实施方式
30.下面，结合附图对本实用新型的具体实施例进行详细的描述，但不作为本实用新型的限定。为使本领域技术人员更好的理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作详细说明。下面结合附图和具体实施例对本公开的实施例作进一步详细描述，但不作为对本公开的限定。
31.本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
32.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说明书的一部分。
33.关于本实用新型中使用的术语，例如，“原料气阀”、“纯净气阀”、“氮气阀”和“解吸气阀”，均为阀门，而将阀门附加不同限定名称的根本原因在于，本实用新型所涉及的管路及工艺过程相对复杂，将流经对应阀门的流动介质作为限定条件与该阀门形成组合的名称，既便于阅读，也便于识别。另外，需要说明的是，阀门自身并不参与任何物理的或化学的反应。
34.随着氢气及燃料电池用氢等新兴绿色环保领域对于氢气的需求，现有技术中用于吸附纯化氢气设备及工艺由于相关技术的限制，导致无法在大型装置上使用。为此，本实用新型提出一种解决方案，具体方案如下。
35.一方面，提供一种氢气变温除杂工艺系统。参见图1，所述氢气变温除杂工艺系统包括并行设置的一对吸附塔和与所述吸附塔连通的原料气路、纯净气路、氮气路和解吸气路；其中，在所述原料气路上设有原料气阀(k1a、k1b)；在所述纯净气路上设有纯净气阀(k4a、k4b)；在所述氮气路上沿介质流动的方向顺序设有氮气温控装置和氮气阀(k3a、k3b)；其中，所述氮气温控装置包括并行设置的第一阀门k5和加热器装置；所述加热器装置包括沿介质流动方向顺序设置的加热器和第二阀门k6；在所述解吸气路上设有解吸气阀(k2a、k2b)。通过上述设置方式，能够快速实现对两个吸附塔分别进行升温解吸和降温冷却，进而实现对两个吸附塔内气体的快速解吸脱附和吸附纯化，由此，提高净化气的生产效率及处理量，减小操作周期。
36.在一实施例中，参见图1，所述氢气变温除杂工艺系统还包括第三阀门k2；每条所述纯净气路在纯净气阀(k4a、k4b)后汇集，并与第三阀门k2连通。通过该设置方式，便于根据不同的需求以及不同的工艺处理阶段选择对应操作。
37.在一实施例中，结合图1和图2，所述吸附塔设有气体进口2-a和气体出口2-b；气体进口2-a与原料气阀(k1a、k1b)和解吸气阀(k2a、k2b)连通；气体出口2-b与纯净气阀(k4a、k4b)和氮气阀(k3a、k3b)连通。通过该设置方式，为在不同工艺阶段提供对应的通路。需要说明的是，在实用新型实施例中，气体进口2-a和气体出口2-b在不同的工艺阶段充当不同的角色。例如，气体进口2-a在开始的吸附阶段，原料气通过气体进口2-a进入吸附塔；相应地，在解吸附的过程中，经过脱附的解吸气通过气体进口2-a排出。而气体出口2-b在吸附阶段，充当出口，经过吸附的纯净气通过气体出口2-b排出，并进入下一工段；相应地，在解吸附的过程中，用于解吸附的脱附载气(在此为氮气)则通过气体出口2-b进入吸附塔。可见，气体进口2-a和气体出口2-b在本实施例中，其名称上并不能完全代表其所具备的功能，应结合实际工艺过程综合加以理解。
38.结合上述实施例，参见图2，进一步地，吸附塔包括：顺序连通的上分布器2-1、上填充区2-2、吸附区2-3、下填充区2-4和下分布器2-5；在吸附塔内，吸附区2-3为发生氢气吸附出杂和升温解吸的主要区域，吸附区2-3填充有吸附剂，承担分离的主要功能；进一步地，在
吸附区2-3还可以设置换热管装置，并通过与加热器装置协同作用，以提升温解吸和降温冷却效率，具体设置方式，在此不做进一步赘述；气体进口2-a和气体出口2-b分别对应设于上分布器2-1和下分布器2-5。在本实施例中，上分布器2-1、下分布器2-5主要作用是：在吸附、升温解吸和降温冷却时，使气体均匀分布，避免发生气体短路等情况，而造成塔内传热和传质不均。通过上述设置方式，最大程度地实现在吸附塔的壳程内气体均匀流动，在变温吸附过程中温度分布均匀和方便吸附过程中的气体均匀流动。
39.进一步地，所述吸附塔内在靠近气体进口2-a和气体出口2-b的区域填充预设粒径的陶瓷球；结合上述实施例，具体在上填充区2-2和下填充区2-4填充有陶瓷球，主要是防止吸附和解吸时气速过快导致吸附剂被吹出吸附塔。
40.在一实施例中，所述加热器构造为电加热器、蒸汽加热器或空气加热器，由此，能够克服现有技术中通常使用单一加热方式的问题，由此满足不同应用场景的需求。进一步地，所述加热器构造为管壳式加热器、u型管式加热器或电加热器。进一步地，在本实施例中，所述加热器包括换热管束或电加热棒、封头、筒体。通过利用电或气体加热介质对脱附载气进行间接加热，以实现脱附载气升温的目的，在本实施例中，脱附载气可以为氮气。进一步地，所述加热器根据类型不同分别包括2个或4个接口。例如，所述电加热器包括2个接口，所述电加热器的两端设有脱附载气进口和脱附载气出口；而所述蒸汽加热器和所述空气加热器分别包括4个接口，其中，所述蒸汽加热器和所述空气加热器的两端均设有脱附载气进口和脱附载气出口，相应地，所述蒸汽加热器和空气加热器的两端还设有加热脱附载气进口和加热脱附载气出口，并分别与对应的加热介质管道连通。
41.另一方面，提供一种氢气变温除杂工艺100，其用于所述氢气变温除杂系统；参见图3，所述氢气变温除杂工艺100包括：
42.s101一所述吸附塔与另一所述吸附塔交替进行的第一工序和第二工序；
43.s102所述第一工序包括：吸附；打开所述吸附塔对应的原料气阀(k1a、k1b)、氮气阀(k3a、k3b)、纯净气阀(k4a、k4b)和第一阀门k5，原料气通过原料气阀(k1a、k1b)进入所述吸附塔，原料气在被吸附脱除杂质后，作为净化气从纯净气阀(k4a、k4b)流出；
44.s103第二工序包括：逆向放压、升温解吸、降温、吹扫和终充压；
45.s104完成第一工序的吸附塔通过产生的净化气对另一吸附塔进行吹扫和终充压，以使另一吸附塔准备进入第一工序。
46.通过上述工艺方案，能够在一吸附塔进行吸附的同时，另一吸附塔进行逆向放压、升温解吸、降温冷却和终充压等步骤，进而提高氢气变温除杂工艺系统的处理节奏。在本实用新型实实施例的上述工艺的基础上，能够实现在一吸附塔进行吸附的同时，另一吸附塔进行逆向放压、升温解吸、降温冷却和终充压等步骤，由此，实现吸附塔内气体的快速解吸脱附和吸附纯化，进而带来提高氢气变温除杂工艺系统的处理节奏的有益效果。
47.进一步地，
48.逆向放压包括：当吸附预设时间后，吸附塔内的吸附剂接近吸附饱和，关闭吸附塔对应的原料气阀(k1a、k1b)和氮气阀(k3a、k3b)，打开所述吸附塔对应的解吸气阀(k2a、k2b)，对所述吸附塔进行逆向放压；
49.所述升温解吸包括：当所述吸附塔内的压力至常压后，打开所述吸附塔对应的氮气阀(k3a、k3b)，通过调节所述吸附塔对应的第一阀门k5和第二阀门k6流量开度的方式输
入氮气，并通过控制所述加热器装置的加热载气温度，以对所述吸附塔进行升温解吸；
50.所述降温包括：关闭第一阀门k5，打开第二阀门k6，并利用氮气对所述吸附塔进行降温冷却；
51.所述吹扫包括：用另一所述吸附塔产生的净化气吹扫去除所述吸附塔内的残余氮气；
52.所述终充压包括：冷却结束后，关闭所述吸附塔对应的第一阀门k5、第二阀门k6和解吸气阀(k2a、k2b)，并打开另一所述吸附塔对应的氮气阀(k3a、k3b)、纯净气阀(k4a、k4b)和所述吸附塔对应的净气阀，对所述吸附塔进行终充压，直至所述吸附塔达到吸附压力。
53.为了进一步详细了解本实用新型的设计构思，下面就实际应用过程做一解释说明。
54.运行时，来自前变压吸附工段的原料气送入变温吸附工段，吸附剂的再生用外部加热n2进行冲洗再生。本实用新型实施例的氢气变温除杂工艺系统采用两塔时序，每个吸附塔交替工作，从而达到连续提纯氢气的目的。
55.在一个周期中，每个吸附塔依次经历：吸附、逆向放压、升温解吸、降温、吹扫、终充压。下面以其中一吸附塔为例，介绍一下变温吸附的具体运行过程。
56.首先打开与吸附塔a对应的阀门原料气阀k1a，氮气阀k3a，纯净气阀k4a和第三阀门k2，来自变压吸附工段的原料气进入吸附塔a进行吸附，吸附杂质后的净化气将作为产品气被送出界外。当吸附一段时间后吸附塔a内吸附剂接近吸附饱和，关闭原料气阀k1a和氮气阀k3a，打开解吸气阀k2a，对吸附塔a进行逆向放压。当压力将至常压后，打开氮气阀k3a，同时调节第一阀门k5和第二阀门k6的开度，控制加热载气温度对吸附塔a进行升温解吸；当升温解吸完成后，迅速关闭第一阀门k5，打开第二阀门k6，利用从第二阀门k6经过的氮气对吸附塔a进行降温冷却；冷却结束后，关闭第一阀门k5，第二阀门k6和解吸气阀k2a，打开与吸附塔b对应的氮气阀k3b，纯净气阀k4b和与吸附塔a对应的纯净气阀k4a对吸附塔a进行终充压，直至吸附塔a达到吸附压力，至此吸附塔a完成变温吸附一个循环。
57.进一步地，还可以根据气体条件和吸附剂的不同，对以上各步骤持续的时间进行调节。
58.下面以3000nm3/h的氢气提纯除杂项目为例，对氢气变温除杂工艺100做进一步地描述。
59.经过简单预处理的3030nm3/h的纯度为99％的氢气，首先进入吸附塔a进行吸附提纯，经过提纯后脱除co、n2、ar等杂质气体后，产生大约3000nm3/h的满足燃料电池用氢标准的净化气作为产品。在吸附塔a进行吸附的同时，吸附塔b进行逆向放压、升温解吸、降温冷却、吹扫和终充压。然后，吸附塔b进行吸附，吸附塔a进行逆向放压，放压之后a塔在大约在300nm3/h、180℃的氮气作用下进行脱附，并产生大约30nm3/h的杂质气体，从而形成330nm3/h的解吸气，随后送入火炬。之后利用冷却氮气对吸附塔a进行冷却，最后利用吸附塔b净化气对吸附塔a进行吹扫和终充压，从而完成一个操作循环。相应地，吸附塔b同样经历相同的工艺过程，在此补充进一步赘述。
60.本实用新型实施例，除了适用于氢气及燃料电池用氢绿色环保技术领域，同样还适用于煤化工、石油化工氢气提纯技术领域，通过自煤化工、石油化工和氯碱工业副产氢提纯至满足燃料电池用氢，从而实现为燃料电池汽车等新兴产业提供绿色、低碳、环保和廉价
的燃料的目的。
61.此外，尽管在此描述了说明性的实施例，但是范围包括具有基于本公开的等效要素、修改、省略、组合(例如，跨各种实施例的方案的组合)、调整或变更的任何和所有实施例。权利要求中的要素将基于权利要求中使用的语言进行宽泛地解释，而不限于本说明书中或在本技术的存续期间描述的示例。此外，所公开的方法的步骤可以以任何方式进行修改，包括通过重新排序步骤或插入或删除步骤。因此，意图仅仅将描述视为例子，真正的范围由以下权利要求及其全部等同范围表示。
62.以上描述旨在是说明性的而非限制性的。例如，上述示例(或其一个或多个方面)可以彼此组合使用。在阅读以上描述之后，例如本领域普通技术人员可以使用其他实施例。而且，在以上详细描述中，可以将各种特征组合在一起以简化本公开。这不应被解释为意图未请求保护的公开特征对于任何权利要求是必不可少的。因此，以下权利要求作为示例或实施例结合到具体实施方式中，其中每个权利要求自身作为单独的实施例，并且可以预期这些实施例可以以各种组合或置换彼此组合。应参考所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定本实用新型的范围。