氢气纯化系统的制作方法

1.本技术涉及氢气回收技术领域，具体而言，涉及一种氢气纯化系统。


背景技术：

2.电解水制氢系统，通常包括：原料水纯化单元、电解单元、氢纯化单元、氢压缩单元、氢预冷单元、氢膨胀液化单元。
3.目前的电解水制氢系统，尚且存在氢气纯度低的问题，为此，通常的采用变温吸附工艺(tsa吸附工艺)，对电解水制氢系统输出的粗氢气(简称原料气)进行提纯，然而，变温吸附工艺中，干燥塔中吸附剂再生过程中，再生气中的能量得不到利用，造成能量浪费。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种氢气纯化系统，能够合理地利用再生气的能量，降低氢气纯化的能耗。
5.为实现上述目的，本技术提供了以下技术方案：
6.本技术提供了一种氢气纯化系统，包括换热器、原料气加热器、脱氧塔、冷却器、气液分离器、多个干燥塔以及再生气单元；所述换热器的冷媒出口连接所述原料气加热器，用于加热原料气；所述原料气加热器与脱氧塔连接，以去除原料气中的氧气；所述脱氧塔通过换热管道与所述换热器的热媒进口连接，以实现所述换热器的换热；所述换热器的热媒出口与所述冷却器连接，所述冷却器与所述气液分离器连接；所述气液分离器的气体出口与所述多个干燥塔和所述再生气单元连接；所述多个干燥塔中的每个所述干燥塔并联设置，分别用于干燥氢气；所述再生气单元的出口被配置用于为任一个所述干燥塔提供再生气，以使得所述干燥塔内的吸附剂再生；所述多个干燥塔中的每一个所述干燥塔分别连接所述换热管道，用于将所述再生气通过所述换热管道输送至所述换热器。
7.上述方案中，原料气可以以1.6mpa、氧含量≤0.2％(v/v)温度常温状态进入氢气纯化系统。首先通过换热器以及原料气加热器加温至80℃-100℃，进入脱氧塔中脱除氧气，在专用脱氧催化剂作用下，氧气与氢气反应生成水，从而脱除原料气中的氧气，此反应为放热过程，反应最大温升约为30℃，脱氧出口气温度约110℃，经换热器与原料气换热后，再经过冷却器降温至20℃，随后进入气液分离器中进行气液分离，水则排出，气体则通入干燥塔和再生气单元。
8.气体进入干燥塔中，干燥塔中的吸附剂会将气体中的水分吸附下来，使得氢气干燥，以提纯氢气，提出后的氢气则排出收集；
9.由于干燥塔的吸附剂的吸附能力有限，设置多个并联的干燥塔，已在其中一个干燥塔无法干燥时，剩余的干燥塔继续干燥；而该其中一个干燥塔无法干燥时，需要通过再生单元对其吸附剂再生，使得其能够再次吸附水分：
10.由气液分离器排出的部分气体进入再生气单元中，对其加热使其成为再生气并输送至待再生的干燥塔内，对其内部的吸附剂进行蒸发进而带走吸附剂内的水分(此具有水
分的再生气成为蒸发气)，蒸发气则可以通过换热管道进入换热器中，其内部存留的热量足矣与原料气换热，且能够通过冷却器、气液分离器析出其水分。
11.由于合理利用再生气的热量，故能够有效地降低氢气纯化系统的能耗。
12.根据本技术的一些实施例，所述再生气单元包括预干燥塔和再生气加热器，所述气液分离器的气体出口与所述预干燥塔连接，所述预干燥塔与所述再生气加热器的加热进口连接，所述再生气加热器的加热出口与任一个所述干燥塔连接。
13.根据本技术的一些实施例，所述干燥塔内的吸附剂的质量为预干燥塔中吸附剂的质量的三至六倍。
14.根据本技术的一些实施例，所述干燥塔的数量为两个，两个所述干燥塔并联设置；
15.所述再生气单元被配置为可选择地为其中一个所述干燥塔提供再生气。
16.根据本技术的一些实施例，所述氢气纯化系统还包括第一阀门以及产品氢气缓冲罐；
17.两个所述干燥塔的出口通过所述第一阀门连接所述氢气缓冲罐；
18.所述再生气加热器的加热出口通过所述第一阀门与任一所述干燥塔的出口连接。
19.根据本技术的一些实施例，所述氢气纯化系统还包括第二阀门，所述预干燥塔的进口和每个所述干燥塔的进口分别连接所述第二阀门；
20.所述气液分离器的气体出口通过管道与所述第二阀门连接，用于向所述预干燥塔和/或任一个所述干燥塔通入气体。
21.根据本技术的一些实施例，所述第二阀门和所述预干燥塔之间设置有第三阀门，所述第三阀门用于连通任一所述干燥塔的进口和所述换热管道。
22.根据本技术的一些实施例，所述脱氧塔和所述换热管道之间设置有单向阀。
23.根据本技术的一些实施例，所述氢气纯化系统还包括电解水单元，所述电解水单元与所述换热器连接，用于将原料气输送至所述换热器。
24.根据本技术的一些实施例，所述电解水单元配置有纯化单元。
25.本实用新型与现有技术相比的有益效果是：
26.通过将每一个所述干燥塔与换热管道连接，以将由干燥塔排出的再生气通过换热管道输送至换热器，从而合理利用再生气中的热量，在换热器中与原料气发生热交换，进而能够降低原料气加热器的负荷，降低氢气纯化系统的能耗。
附图说明
27.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
28.图1为本技术一些实施例中氢气纯化系统的示意图；
29.图2为本技术一些实施例中再生气单元的示意图；
30.图3为本技术另一些实施例中氢气纯化系统的示意图。
31.图标：10-换热器；10a-电解水单元；10b-纯化单元；11-原料气加热器；11a-换热管道；12-脱氧塔；13-冷却器；14-气液分离器；15-干燥塔；16-再生气单元；160-预干燥塔；
161-再生气加热器；17-第一阀门；18-产品氢气缓冲罐；19-第二阀门；20-第三阀门；21-单向阀。
具体实施方式
32.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
33.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
34.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定义和解释。
35.在本技术实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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技术的限制。
36.在本技术实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
37.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.请参见图1和图2，图1为本技术一些实施例中氢气纯化系统的示意图，图2为本技术一些实施例中再生气单元16的示意图。
39.氢气纯化系统，包括换热器10、原料气加热器11、脱氧塔12、冷却器13、气液分离器14、多个干燥塔15以及再生气单元16；换热器10的冷媒出口连接原料气加热器11，用于加热原料气；原料气加热器11与脱氧塔12连接，以去除原料气中的氧气；脱氧塔12通过换热管道11a与换热器10的热媒进口连接，以实现换热器10的换热；换热器10的热媒出口与冷却器13连接，冷却器13与气液分离器14连接；气液分离器14的气体出口与多个干燥塔15和再生气单元16连接；多个干燥塔15中的每个干燥塔15并联设置，分别用于干燥氢气；再生气单元16的出口被配置用于为任一个干燥塔15提供再生气，以使得干燥塔15内的吸附剂再生；多个干燥塔15中的每一个干燥塔15分别连接换热管道11a，用于将再生气通过换热管道11a输送至换热器10。
40.上述方案中，原料气可以以1.6mpa、氧含量≤0.2％(v/v)温度常温状态进入氢气纯化系统。首先通过换热器10以及原料气加热器11加温至80℃-100℃，进入脱氧塔12中脱
除氧气，在专用脱氧催化剂作用下，氧气与氢气反应生成水，从而脱除原料气中的氧气，此反应为放热过程，反应最大温升约为30℃，脱氧出口气温度约110℃，经换热器10与原料气换热后，再经过冷却器13降温至20℃，随后进入气液分离器14中进行气液分离，水则排出，气体则通入干燥塔15和再生气单元16。
41.气体进入干燥塔15中，干燥塔15中的吸附剂会将气体中的水分吸附下来，使得氢气干燥，以提纯氢气，提出后的氢气则排出收集；
42.由于干燥塔15的吸附剂的吸附能力有限，设置多个并联的干燥塔15，已在其中一个干燥塔15无法干燥时，剩余的干燥塔15继续干燥；而该其中一个干燥塔15无法干燥时，需要通过再生单元对其吸附剂再生，使得其能够再次吸附水分：
43.由气液分离器14排出的部分气体进入再生气单元16中，对其加热使其成为再生气并输送至待再生的干燥塔15内，对其内部的吸附剂进行蒸发进而带走吸附剂内的水分(此具有水分的再生气成为蒸发气)，蒸发气则可以通过换热管道11a进入换热器10中，其内部存留的热量足矣与原料气换热，且能够通过冷却器13、气液分离器14析出其水分。
44.由于合理利用再生气的热量，故能够有效地降低氢气纯化系统的能耗。
45.其中，现有技术中，会额外配置有再生气冷却器13和再生气气液分离器14，以冷却蒸发气，并获得气液分离后的气体，该气体再次通入干燥塔15内干燥，为此，其蒸发气的热量无法得到利用，且增加了额外的装置成本(再生气冷却器13和再生气气液分离器14)，而本技术中，不仅合理利用了蒸发气的热量，且可以取消再生气冷却器13和再生气气液分离器14，达到节约能耗，降低成本的效果。
46.根据本技术的一些实施例，再生气单元16包括预干燥塔160和再生气加热器161，气液分离器14的气体出口与预干燥塔160连接，预干燥塔160与再生气加热器161的加热进口连接，再生气加热器161的加热出口与任一个干燥塔15连接。
47.其中，需要说明的是，并联的多个干燥塔15交替运行，以保证能够持续地对原料气进行干燥，未运行的干燥塔15中的吸附剂可以为待再生的吸附剂，以能够被再生气单元16作用，进行再生。
48.预干燥塔160为能对原料气进行干燥的部件，然后经过简单干燥的原料气会在再生气加热器161中加热至120℃-240℃，作为再生气输送至待再生的干燥塔15中。
49.再生，指120℃-240℃的再生气能够被输送至未运行的干燥塔15中，干燥塔15的吸附剂大约从120℃开始，湿气从吸附剂的微孔开始蒸发，由于水蒸发消耗一部分热量，吸附剂比较缓慢地升温到140℃，大部分水分被解析出来，继续加热到240℃，吸附剂得到彻底的再生，以能够再次吸附水分。
50.需要说明的是，在一些实施例中，当吸附剂中的水分被蒸发后，可关闭再生气加热器161，使得经过预干燥塔160干燥的气体作用于已被再生的吸附剂，使其冷却。
51.根据本技术的一些实施例，干燥塔15内的吸附剂的质量为预干燥塔160中吸附剂的质量的三至六倍。
52.根据本技术的一些实施例，如图1，干燥塔15的数量为两个，两个干燥塔15并联设置。再生气单元16被配置为可选择地为其中一个干燥塔15提供再生气。
53.根据本技术的一些实施例，氢气纯化系统还包括第一阀门17以及产品氢气缓冲罐18。两个干燥塔15的出口通过第一阀门17连接氢气缓冲罐。再生气加热器161的加热出口通
过第一阀门17与任一干燥塔15的出口连接。
54.在一些实施例中，第一阀门17可以为四通阀，能够选择性地导通任意两个出口，以使得经过任一个干燥塔15干燥的氢气排向产品氢气缓冲罐18，或者使得由再生气加热器161的加热出口排出的再生气排向任一干燥塔15内，以对该干燥塔15内的吸附剂进行再生。
55.根据本技术的一些实施例，如图1，氢气纯化系统还包括第二阀门19，预干燥塔160的进口和每个干燥塔15的进口分别连接第二阀门19；气液分离器14的气体出口通过管道与第二阀门19连接，用于向预干燥塔160和/或任一个干燥塔15通入气体。
56.上述实施例中，第二阀门19可以为现有技术中的电磁阀，其具有以下工作状态：
57.由气液分离器14的气体出口排出的原料气，通过第二阀门19能够通入任意一个干燥塔15进行干燥；或者通入预干燥塔160内进行预干燥；或者一部分通入其中一个干燥塔15，另一部分通入预干燥塔160。
58.根据本技术的一些实施例，如图1，第二阀门19和预干燥塔160之间设置有第三阀门20，第三阀门20用于连通任一干燥塔15的进口和换热管道11a。
59.上述实施例中，通过设置第三阀门20，能够使得再生气在对任意一个干燥塔15中的吸附剂作用以生产蒸发气时，蒸发气能够通过第三阀门20进入换热管道11a。
60.根据本技术的一些实施例，脱氧塔12和换热管道11a之间设置有单向阀21。
61.为避免带有水分的蒸发气进入脱氧塔12内，故设置有单向阀21。
62.根据本技术的一些实施例，请参见图3，图3为本技术另一些实施例中氢气纯化系统的示意图。
63.氢气纯化系统还包括电解水单元10a，电解水单元与换热器10连接，用于将原料气输送至换热器10。电解水单元10a用于电解水，以生产原料气。电解水单元10a为现有技术中常见的电解水设备，通过电解水的方式制备氢气。
64.根据本技术的一些实施例，电解水单元配置有纯化单元10b。纯化单元10b为用于纯化待电解水的原料水，提高电解水的效率。其中纯化单元10b可以为现有技术中常用的纯化设备，例如水蒸馏设备或者反渗透纯化设备。
65.其中，市政用水可以先通过纯化单元10b纯化取出杂质后，再通入电解水单元10a中电解出原料气(氢气)，原料气再进入换热器10等设备中纯化，最终得到高纯度的氢气。
66.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。