利用煤制工业氢气生产高纯氢气的装置的制作方法

1.本发明属于氢气提纯设备技术领域，更具体地说，是涉及一种利用煤制工业氢气生产高纯氢气的装置。


背景技术：

2.随着人们环保意识的增加，氢燃料电池越来越受到人们的追捧，氢燃料电池是一种将氢燃料的化学能转化为电能的装置，能量生产过程中不产生任何碳质排放物，正逐步在交通及分布式建筑一体领域得到广泛应用，以氢燃料电池为动力来源的氢能公交、重卡、环卫车、钗车、短倒车及氢能船舶、发电基站等应用场景不断丰富。
3.除作为能源或能源载体，氢也是最重要的基础化工原料，广泛应用于化工、医药、航天、军工、电子、检测、检验等众多领域，产业链长面广。
4.无论是用于氢燃料电池发电还是作为其他应用的原料，需要使用的一般都是高纯氢气，高纯氢气是指氢含量大于99.999％的氢气，除对氢的总含量有严格要求外，不同应用中对杂质种类也有严格的针对性限制。
5.目前，大部分的氢气来自煤化、焦化、炼化等工业过程，成分复杂，必须经过提纯才能应用于氢燃料电池及电子、医药等精细化领域。煤制工业氢气主要是来自合成氨、焦化厂等工业过程，受煤炭原料的影响，其杂质特点是硫、磷、碳氧化物和烃类较多。
6.在对煤制工业产生的氢气进行提纯时，往往会用到氢气提纯设备，然而，现有的氢气提纯设备在使用时虽然能够对原料气中的大部分氢气进行提纯，但是仍有部分氢气随尾气被处理掉，造成了原料氢气的浪费。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种利用煤制工业氢气生产高纯氢气的装置，以解决现有氢气提纯设备对原料气提纯后会有部分氢气浪费的问题。
8.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种利用煤制工业氢气生产高纯氢气的装置，包括缓冲罐、变压吸附机构、变温吸附机构、膜吸附机构、杂气处理机构、第一调节机构和第二调节机构，其中缓冲罐具有第一进气口、第一出气口和第二出气口，所述第一进气口与原料气管道连接，所述第一出气口与工业氢气存储机构连接；变压吸附机构具有第二进气口、变压成品出口和第三出气口，所述第二进气口与所述第二出气口连接，所述变压成品出口与高纯氢气存储机构连接；变温吸附机构具有第三进气口，变温成品出口和第四出气口，所述第三进气口与所述第三出气口连接，所述变温成品出口与高纯氢气存储机构连接；膜吸附机构具有第四进气口、膜成品出口和杂气出口，所述第四进气口与所述第四出气口连接，所述膜成品出口与所述第一进气口连接；杂气处理机构具有第五进气口，所述第五进气口与所述杂气出口连接；第一调节机构设于所述原料气管道上；第二调节机构设于所述第二进气口与所述第二出气口之间的管道上。
9.在一种可能的实现方式中，还包括在线检测机构和控制机构，所述在线检测机构
设于所述第二进气口和所述第二出气口之间的管道上，所述控制机构与所述在线检测机构连接，所述控制机构与所述变压吸附机构连接，所述控制机构能够接收所述在线检测机构的检测信号，并根据所述检测信号对所述变压吸附机构的工作状态进行调节。
10.在一种可能的实现方式中，还包括增压机构，所述增压机构设于所述第三进气口与所述第三出气口之间的管道上，以对进入所述变温吸附机构的气体进行增压。
11.在一种可能的实现方式中，所述杂气处理机构包括燃烧箱、换热箱和吸收箱，所述第五进气口设于所述燃烧箱上，所述吸收箱设于所述燃烧箱的出气管上，所述换热箱将所述燃烧箱罩设在内，所述换热箱内设有水，所述换热箱上设有蒸汽导管，所述蒸汽导管的末端与所述变温吸附机构的增温组件连接。
12.在一种可能的实现方式中，所述燃烧箱与所述换热箱之间设有连接管，所述连接管的一端设于所述换热箱的内壁上，所述连接管的另一端设于所述燃烧箱的外壁上，且所述连接管与所述燃烧箱的内部导通。
13.在一种可能的实现方式中，所述第五进气口设置为进料管，所述进料管上设有多个出料孔；所述燃烧箱上设有空气导管，所述空气导管上设有多个空气出孔，所述空气导管环所述进料管螺旋设置。
14.在一种可能的实现方式中，所述换热箱内还设有液位计，所述液位计与电控柜连接，所述电控柜与所述换热箱的供水机构连接，所述电控柜能够接收所述液位计的液位信号，并根据所述液位信号打开或者关闭所述供水机构。
15.在一种可能的实现方式中，所述蒸汽导管包括依次连接设置的第一导管、第二导管和第三导管，所述第一导管与所述换热箱连接，所述第二导管设于所述燃烧箱内，所述第三导管与所述变温吸附机构的增温组件连接。
16.在一种可能的实现方式中，所述出气管向所述变温吸附机构延伸，所述第三导管设于所述出气管内；所述第一导管的外部以及所述蒸汽导管的设于所述换热箱内的部分上设有保温层。
17.在一种可能的实现方式中，所述第五进气口与所述杂气出口连接的管道上设有单向阀。
18.本发明提供的利用煤制工业氢气生产高纯氢气的装置的有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过设置依次连接的变压吸附机构、变温吸附机构和膜吸附机构，先将原料气通入变压吸附机构，对原料气进行第一次提纯，然后将变压吸附排出的解吸气通入到变温吸附机构内，进行第二次提纯，提纯出的高纯氢气进入高纯氢气存储机构，变温吸附机构的解吸气在经过膜吸附机构的提纯，将一氧化碳等杂气过滤出来，通过膜过滤的气体再次汇入到缓冲罐内，随新的原料气进行提纯，防止氢气浪费；又通过设置第一调节机构和第二调节机构，可对原料气的流量进行调节，以便于调节出事宜流量，从而便于氢气的提纯。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例提供的利用煤制工业氢气生产高纯氢气的装置的结构框图；
21.图2为本发明实施例提供的杂气处理机构的结构示意图；
22.图3为本发明实施例提供的杂气处理机构的刨面图。
23.其中，图中各附图标记如下：
24.1、缓冲罐；2、变压吸附机构；3、变温吸附机构；4、膜吸附机构；5、杂气处理机构；6、第一流量调节机构；7、第二流量调节机构；8、在线检测机构；9、增压机构；
25.101、工业氢气存储机构；
26.201、高纯氢气存储机构；
27.501、燃烧箱；502、换热箱；503、吸收箱；504、连接管；505、第一导管；506、第二导管；507、第三导管；508、隔热层；509、进水管；510、进料管；511、空气导管；512、风机；513、出气管；
28.801、控制机构。
具体实施方式
29.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.需要进一步说明的是，本发明的附图和实施方式主要对本发明的构思进行描述说明，在该构思的基础上，一些连接关系、位置关系、动力机构、供电系统、液压系统及控制系统等的具体形式和设置可能并未没有描述完全，但是在本领域技术人员理解本发明的构思的前提下，本领域技术人员可以采用熟知的方式对上述的具体形式和设置予以实现。
31.当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
32.术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
33.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
34.现对本发明提供的利用煤制工业氢气生产高纯氢气的装置进行说明。
35.请一并参阅图1及图3，所述利用煤制工业氢气生产高纯氢气的装置，包括缓冲罐1、变压吸附机构2、变温吸附机构3、膜吸附机构4、杂气处理机构5、第一调节机构和第二调节机构，其中缓冲罐1具有第一进气口、第一出气口和第二出气口，所述第一进气口与原料气管道连接，所述第一出气口与工业氢气存储机构101连接；变压吸附机构2具有第二进气口、变压成品出口和第三出气口，所述第二进气口与所述第二出气口连接，所述变压成品出口与高纯氢气存储机构201连接；变温吸附机构3具有第三进气口，变温成品出口和第四出
气口，所述第三进气口与所述第三出气口连接，所述变温成品出口与高纯氢气存储机构201连接；膜吸附机构4具有第四进气口、膜成品出口和杂气出口，所述第四进气口与所述第四出气口连接，所述膜成品出口与所述第一进气口连接；杂气处理机构5具有第五进气口，所述第五进气口与所述杂气出口连接；第一调节机构设于所述原料气管道上；第二调节机构设于所述第二进气口与所述第二出气口之间的管道上。
36.本实施例提供的利用煤制工业氢气生产高纯氢气的装置的有益效果是：与现有技术相比，本实施例提供的利用煤制工业氢气生产高纯氢气的装置，通过设置依次连接的变压吸附机构2、变温吸附机构3和膜吸附机构4，先将原料气通入变压吸附机构2，对原料气进行第一次提纯，然后将变压吸附排出的解吸气通入到变温吸附机构3内，进行第二次提纯，提纯出的高纯氢气进入高纯氢气存储机构201，变温吸附机构3的解吸气在经过膜吸附机构4的提纯，将一氧化碳等杂气过滤出来，通过膜过滤的气体再次汇入到缓冲罐1内，随新的原料气进行提纯，防止氢气浪费；又通过设置第一调节机构和第二调节机构，可对原料气的流量进行调节，以便于调节出事宜流量，从而便于氢气的提纯。
37.基于以上设计思想，本发明还包括在线检测机构8和控制机构801，在线检测机构8设于第二进气口和第二出气口之间的管道上，控制机构801与在线检测机构8连接，控制机构801与变压吸附机构2连接，控制机构801能够接收在线检测机构8机构的检测信号，并根据检测信号对变压吸附机构2的工作状态进行调节。
38.在线检测机构8主要检测原料气中的总氢和氧含量。本实施例中，变压吸附机构2为成熟在用技术，其核心设备为一种电驱动旋转阀，该旋转阀内部通道与变压吸附机构2的第二进气口、变压成品出口和第三出气口连接，旋转阀不同的旋转角度分别对应第二进气口、变压成品出口和第三出气口的开闭以及变压吸附塔吸附、均压、吹扫等不同工作状态，从而可以达到通过控制旋转阀转速实现对吸附塔工作状态的控制和调节的效果。
39.在控制机构801上设置流量、压力、氧含量等指标上下限，通过设置旋转阀转速与原料气检测指标之间的对应关系，实现旋转阀转变速及变压吸附装置工作状态与原料气指标的关联和自动调节。当原料气流量、压力、氧含量、总硫等指标触及限值时，第一流量调节机构6和第二流量调节结构关闭，以达到保护吸附剂等作用。此外，第二流量调节机构7还能够对进入变压吸附机构2的原料气的流量进行调节。
40.如图1所示，在一种具体的实施方式中，还包括增压机构9，增压机构9设于第三进气口与第三出气口之间的管道上，以对进入所述变温吸附机构3的气体进行增压。
41.由于变温吸附机构3的进气压力的设定与装置工作效率、质量有关。根据其工作原理，变压吸附后的解吸气压力通常较进气压力大幅降低，为保证后续工序工作效果，本实施例中采用增压装置对变压吸附后的解吸气进行增压，将该解吸气压力由0.01mpa增压至1.7-2.2mpa，该增压机构9的进气压力低于变压吸附机构2的解吸析气的压力，出气压力高于上游原料气来气压力，以保证变温吸附装置设计进气要求，并保证变温吸附装置的产品气正常汇入变压吸附产品气，还可以保证经化学吸附后的气流正常汇入原料气缓冲罐1。本实施例中，增压机构9选用为往复活塞式压缩机。
42.回收热量后的燃烧废气，经安全处理，吸收有害成份后，安全排放。具体而言，结合图2和图3所示，杂气处理机构5包括燃烧箱501、换热箱502和吸收箱503，第五进气口设于燃烧箱501上，吸收箱503设于燃烧箱501的出气管513上。吸收箱503内装填有氧化物，用以吸
收燃烧后产生的氧化硫等废气，防止污染环境，而被吸收后剩余的废气，通过出气管进行安全排放。
43.换热箱502将燃烧箱501罩设在内，换热箱502内设有水，换热箱502上设有蒸汽导管，蒸汽导管的末端与变温吸附机构3的增温组件连接。换热箱502的设置，一方面可对燃烧箱501降温，防止燃烧箱501损坏，另一方面也可以将废气燃烧产生的热量进行回收，供给给变温吸附机构3的升温组件，降低对变温吸附机构3升温的能耗。
44.本实施例中，燃烧箱501与换热箱502之间设有连接管504，连接管504的一端设于换热箱502的内壁上，连接管504的另一端设于燃烧箱501的外壁上，且连接管504与燃烧箱501的内部导通。连接管504的设置，一方面可便于燃烧箱501与换热箱502之间的固定，另一方面由于连接管504内部与燃烧箱501内部导通，燃烧箱501内的热空气能够进入到连接管504内，便于燃烧箱501与换热箱502内的水进行换热。
45.为了进一步的便于燃烧箱501与换热箱502内的水进行换热，燃烧箱501的顶部设为锥形，使得燃烧箱501的顶部倾斜布置，增大了燃烧箱501的箱体与换热箱502内的水的接触面积，进而提高换热效果。
46.此外，所述第五进气口设置为进料管510，进料管510上设有多个出料孔，以便于杂质气体均匀地进入到燃烧箱501内。燃烧箱501上设有空气导管511，空气导管511上设有多个空气出孔，空气导管511环进料管510螺旋设置，且空气导管511的外侧一端设置有风机512，便于将进入燃烧箱501的杂质气体和空气混合均匀，进而便于杂质气体的燃烧，使的杂质气体燃烧得更为彻底。
47.如图3所示，换热箱502上设有进水管509，进水管509于外部的供水机构连接，换热箱502内还设有液位计，液位计与外部的电控柜连接，电控柜与换热箱502的供水机构连接，电控柜能够接收所述液位计的液位信号，并根据液位信号打开或者关闭所述供水机构，当换热箱502内的水量因产生蒸汽而下降时，电控柜会控制供水机构进行供水，当换热箱502内的水量达到预设值时，电控柜关闭供水机构。
48.值得注意的是，变温吸附机构3在升温脱附时，其温度大概为240度，使得蒸汽导管内的蒸汽温度要在240度之上才能保证对变温吸附机构3进行供热。而为了提高换热箱502内产生的蒸汽的温度，在本实施例中，蒸汽导管包括依次连接设置的第一导管505、第二导管506和第三导管507，第一导管505与换热箱502连接，第二导管506设于燃烧箱501内，第三导管507与变温吸附机构3的增温组件连接，第二导管506的设置，使得燃烧室可对蒸汽导管内的蒸汽进行加温。
49.此外，由于燃烧后的废气为高温气体，直接排放造成浪费，出气管513向变温吸附机构3延伸，第三导管507设于出气管513内，一方面可以防止蒸汽导管内的蒸汽温度降低，起到保温效果，另一方面废气中蕴含的高温可以对蒸汽导管内的蒸汽进行加热，提高热量的利用率。
50.此外，第一导管505的外部设有保温层508，放啊之蒸汽在第一导管505内流动时，热量散失。同时，蒸汽导管的设于换热箱502内的部分上也设有保温层508，防止蒸汽的热量被换热箱502内的水吸收。
51.最后，第五进气口与杂气出口连接的管道上设有单向阀，防止燃烧箱501内的废气回流。
52.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。