一种高效节能的氢气纯化系统的制作方法

1.本发明属于电解水氢气及燃料电池用氢等新兴绿色环保，特别涉及一种高效节能的氢气纯化系统。


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.目前工业化制氢方法有多钟，包括天然气蒸汽重整制氢、甲醇重整制氢、水煤气制氢和水电解制氢，其中水电解制氢的原料水取之不尽却经过能源使用后的反应产物又是水，同时电解水的电能可通过风能、太阳能和核能这些环境友好型能源，因此，水电解制氢具有良好的社会性和经济性。
4.现有电解水制氢纯化工艺多采用催化脱氧，冷却分离和干燥吸附的流程。根据干燥塔数量不同可以分为两塔工艺和三塔工艺。两种工艺各有优缺点。例如，两塔工艺虽然具有工艺流程简单、控制容易、阀门和管道少等优点；但采用该方法再生吸附塔的氢气直接排放，会造成大约10％的氢气浪费。三塔工艺虽然工艺流和控制更为复杂，阀门和管道也更多，但该方法的产品气收率为100％，氢气的利用率更高。
5.虽然两塔工艺和三塔工艺各有优点，但在纯化过程中氢气首先在脱氧和再生制氢需要加热到200℃而后又冷却到10-15℃，能量没有的到充分利用，在加热和冷却过程中浪费大量的电能和冷冻水，存在能效利用率低、浪费严重等问题。


技术实现要素：

6.鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种利用自换热的方式、100％的氢气收率及安装工艺简洁的高效节能的氢气纯化系统。
7.为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案是：
8.一方面，本公开提供一种高效节能的氢气纯化系统，其特征在于，其包括相互连通的原料气脱氧管路和再生气干燥管路；所述再生气干燥管路包括三路再生气干燥支路，分别为：第一再生气干燥支路、第二再生气干燥支路和第三再生气干燥支路；所述原料气脱氧管路分布有：氢气预冷却器、脱氧器和氢气预分离器；所述氢气预冷却器通过其壳程的氢气出口与所述脱氧器的进口连通；所述氢气预冷却器通过其管程的进口与所述脱氧器的出口连通；所述氢气预冷却器通过其管程的出口与所述氢气预分离器的气液进口连通；所述再生气干燥支路分布有：干燥器、氢气冷却器和氢气分离器；所述氢气冷却器通过其壳程的氢气出口与所述干燥器的进口连通；所述氢气冷却器通过其管程的进口与所述干燥器的出口连通；所述氢气冷却器通过其管程的出口与所述氢气分离器的气液进口连通；所述氢气预
分离器通过其氢气出口与所述氢气分离器的氢气进口连通。
9.在本公开的一些实施例中，所述氢气预冷却器和所述氢气冷却器均包括：封闭的壳体、中间隔板及换热管；
10.所述中间隔板靠近所述壳体的中间位置，将所述壳体的内腔分隔为彼此隔离的上、下两部分腔室，对应形成上壳程和下壳程；
11.所述换热管位于所述壳体的内腔，穿过所述中间隔板，并对应形成管程。
12.在本公开的一些实施例中，所述壳体由从上至下顺序连接的上封头、上管板、筒体、下管板和下封头构成。
13.在本公开的一些实施例中，
14.所述氢气预冷却器还包括：
15.设于所述筒体上的所述氢气预冷却器的冷冻水进口(a)、所述氢气预冷却器的冷冻水出口(b)、原料氢气进口(c)和原料氢气出口(d)；所述氢气预冷却器的所述冷冻水进口靠近所述筒体的下端；所述氢气预冷却器的所述冷冻水出口和所述原料氢气进口靠近所述筒体的中段，分别对应位于所述中间隔板的下方和上方；所述原料氢气出口靠近所述筒体的上端；
16.设于所述上封头的脱氧氢气进口(e)；
17.设于所述下封头的脱氧氢气出口(f)；
18.所述氢气冷却器还包括：
19.设于所述筒体上的所述氢气冷却器的冷冻水进口、所述氢气冷却器的冷冻水出口、纯化氢气进口和纯化氢气出口；所述氢气冷却器的所述冷冻水进口靠近所述筒体的下端；所述氢气冷却器的所述冷冻水出口和所述纯化氢气进口靠近所述筒体的中段；所述纯化氢气出口靠近所述筒体的上端；
20.设于所述上封头的再生氢气进口(e)；
21.设于所述下封头的再生氢气出口(f)。
22.在本公开的一些实施例中，所述脱氧器和所述干燥器均包括：具有环腔的塔体和u型电加热器；所述u型电加热器设于所述塔体的中心；所述环腔靠近所述塔体的内壁环绕设置。
23.在本公开的一些实施例中，所述脱氧器的环腔内填充有催化剂或吸附剂。
24.在本公开的一些实施例中，所述氢气预分离器包括：氢气出口、气液进口和冷凝液出口，分别对应设于所述氢气预分离器的顶部、侧面和底部。
25.在本公开的一些实施例中，所述氢气分离器包括：第一氢气进出口、第二氢气进出口和脱氧冷凝液出口，分别对应设于所述氢气分离器的顶部、侧面和底部；所述氢气预分离器的氢气出口通过管路与所述氢气分离器的第一氢气进出口连通。
26.另一方面，本公开提供一种高效节能的氢气纯化的工艺方法，其用于所述高效节能的氢气纯化系统，根据第一再生气干燥支路的第一干燥器、第二再生气干燥支路的第二干燥器和第三再生气干燥支路的第三干燥器的状态，采用如下氢气纯化的方法：
27.在状态一的情况下，方法包括：所述第一干燥器处于吸附状态，所述第二干燥器处于干燥状态，所述第三干燥器处于再生状态；在所述第三干燥器的加热时间达到预设时间后，判断所述第三干燥器的再生结果，当判断结果为是时，对所述第三干燥器进行冷吹，结
束当前状态；在状态二的情况下，方法包括：所述第一干燥器处于干燥状态，所述第二干燥器处于再生状态，所述第三干燥器处于吸附状态；在所述第二干燥器的加热时间达到预设时间后，判断所述第二干燥器的再生结果，当判断结果为是时，对所述第二干燥器进行冷吹，结束当前状态；
28.在状态三的情况下，方法包括：所述第一干燥器处于再生状态，所述第二干燥器处于吸附状态，所述第三干燥器处于干燥状态；在所述第一干燥器的加热时间达到预设时间后，判断所述第一干燥器的再生结果，当判断结果为是时，对所述第一干燥器进行冷吹，结束当前状态。
29.在本公开的一些实施例中，所述工艺方法还包括：
30.原料气进入所述氢气预冷却器的上壳程；
31.原料气经过所述氢气预冷却器的上壳程的出口和所述脱氧器的进口进入所述脱氧器；
32.冷却水进入所述氢气预冷却器的下壳程；
33.所述原料气经脱氧升温后形成高温的氢气，并通过所述脱氧器的出口与所述氢气预冷却器通过其管程的进口进入所述氢气预冷却器的管程；
34.管程内的高温氢气在所述氢气预分离器的下壳程经过管壳式换热后，形成低温氢气，走壳程上部，冷冻水走壳程下部的多流股管壳式换热。
35.与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：
36.能够将自风电、光伏产发电后电解产生的粗氢气提纯至满足燃料电池用氢产品标准的纯化氢气，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。
37.通过设置氢气冷却器和干燥器，同时实现氢气的自换热和低温冷却，保证了管程氢气的连续冷却和冷凝液的排出；还减少了设备数量，提高了设备投资、提高了设备利用效率，减小了冷冻水和电能等资源的消耗。
附图说明
38.在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有字母后缀或不同字母后缀的相同附图标记可以表示相似部件的不同实例。附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所公开的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。
39.图1为本发明实施例的一种高效节能的氢气纯化系统的结构示意图；
40.图2为本发明实施例的一种高效节能的氢气纯化系统的干燥器的结构示意图；
41.图3为图2中局部放大图i；
42.图4为图2中局部放大图ii；
43.图5为本发明实施例的高效节能的氢气纯化的工艺方法的流程图。
44.附图标记说明
45.1-上封头；
46.2-上管板；
47.3-筒体；
48.4-换热管；
49.5-中间隔板；
50.6-下管板；
51.7-下封头；
52.a-冷冻水进口；
53.b-冷冻水出口；
54.c-原料氢气进口/纯化氢气进口；
55.d-原料氢气出口/纯化氢气出口；
56.e-脱氧氢气进口/再生氢气进口；
57.f-脱氧氢气出口/再生氢气出口
具体实施方式
58.为了使得本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例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公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
59.除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
60.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。
61.为了将来自将自风电、光伏产发电后电解产生的粗氢气提纯至满足燃料电池用氢产品标准的纯化氢气，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。本发明提供如下解决方案：
62.一方面，本公开提供一种高效节能的氢气纯化系统，其特征在于，其包括相互连通的原料气脱氧管路和再生气干燥管路；所述再生气干燥管路包括三路再生气干燥支路，分别为：第一再生气干燥支路、第二再生气干燥支路和第三再生气干燥支路；所述原料气脱氧管路分布有：氢气预冷却器、脱氧器和氢气预分离器；所述氢气预冷却器通过其壳程的氢气出口与所述脱氧器的进口连通；所述氢气预冷却器通过其管程的进口与所述脱氧器的出口连通；所述氢气预冷却器通过其管程的出口与所述氢气预分离器的气液进口连通；所述再生气干燥支路均分布有：干燥器、氢气冷却器和氢气分离器；所述氢气冷却器通过其壳程的氢气出口与所述干燥器的进口连通；所述氢气冷却器通过其管程的进口与所述干燥器的出口连通；所述氢气冷却器通过其管程的出口与所述氢气分离器的气液进口连通；所述氢气
预分离器通过其氢气出口与所述氢气分离器的氢气进口连通。在此，氢气分离器的作用是对冷凝水和氢气进行分离。
63.在本实施例中，结合图2至图4，所述氢气预冷却器和所述氢气冷却器均包括：封闭的壳体、中间隔板5及换热管4；所述中间隔板5靠近所述壳体的中间位置，将所述壳体的内腔分隔为彼此隔离的上、下两部分腔室，对应形成上壳程和下壳程，其中，上壳程内为原料氢(电解产生的粗氢气)或纯化氢气；下壳程内为冷冻水；所述换热管4位于所述壳体的内腔，穿过所述中间隔板5，并对应形成管程，管程内为脱氧后的高温氢气或再生后的高温氢气；所述氢气预冷却器的该设置方式方便高温氢气的冷却和冷凝水的排出。进一步地，所述壳体由从上至下顺序连接的上封头1、上管板2、筒体3、下管板6和下封头7构成。从脱氧器流出的反应后的气体进入多流股的氢气预冷却器的管程，首先，与上壳程内的电解粗氢气进行换热冷却，同时，对电解粗氢气进行加热；随后，管程内的氢气接续与下部壳程的冷冻水进行换热冷却。管程的氢气在冷却降温的同时，氢气中的水蒸气冷凝为冷凝水，并随氢气一起排出进入氢气预分离器。
64.在本实施例中，结合图2至图4，所述氢气预冷却器还包括：设于所述筒体3上的所述氢气预冷却器的冷冻水进口(a)、所述氢气预冷却器的冷冻水出口(b)、原料氢气进口(c)和原料氢气出口(d)；所述氢气预冷却器的所述冷冻水进口靠近所述筒体3的下端；所述氢气预冷却器的所述冷冻水出口和所述原料氢气进口靠近所述筒体3的中段，分别对应位于所述中间隔板5的下方和上方；所述原料氢气出口靠近所述筒体3的上端；设于所述上封头1的脱氧氢气进口(e)；设于所述下封头7的脱氧氢气出口(f)；
65.所述氢气冷却器还包括：设于所述筒体3上的所述氢气冷却器的冷冻水进口、所述氢气冷却器的冷冻水出口、纯化氢气进口和纯化氢气出口；所述氢气冷却器的所述冷冻水进口靠近所述筒体3的下端；所述氢气冷却器的所述冷冻水出口和所述纯化氢气进口靠近所述筒体3的中段；所述纯化氢气出口靠近所述筒体3的上端；设于所述上封头1的再生氢气进口(e)；设于所述下封头7的再生氢气出口(f)。
66.在实际运行过程中，10000nm3/h原料氢(电解粗氢气)首先通过氢气预冷却器上壳程与来自所述脱氧器的并进入到氢气预冷却器的管程内的脱氧氢气进行换热，原料氢在加热到70℃左右后进入到所述脱氧器。在所述脱氧器内通过电加热器加热至100℃后，进入催化剂床层进行反应，反应后的气体重新进入氢气预冷却器的管程与上壳程内的原料氢进行换热，并在冷却至50℃后继续与氢气预冷却器的下壳程内60t/h冷冻水进行换热，在冷却至15℃后，进入氢气预分离器进行气液分离。至此实现原料氢的初步分离或纯化。
67.在本实施例中，所述氢气预分离器和所述氢气分离器都是对冷凝水和氢气进行分离，可以是重力分离器也可以是丝网分离器。其中，氢气与冷凝水在所述氢气预分离器内进行分离，分离后的冷凝水在底部排出；根据所述第一干燥器、所述第二干燥器和所述第三干燥器各自对应状态的具体情况，氢气选择进入三路再生气干燥支路上氢气分离器中的一个。
68.在本实施例中，所述脱氧器和所述干燥器均包括：具有环腔的塔体和u型电加热器；所述u型电加热器设于所述塔体的中心；所述环腔靠近所述塔体的内壁环绕设置。进一步地，所述脱氧器的环腔内填充有催化剂或吸附剂。进入脱氧器的原料氢在中心电加热器的加热下升温到100℃左右，而后在催化剂的作用下微量的氧气与氢气反应生成水。在此，
电加热器对原料氢或纯化氢气进行加热，已达到反应或再生的温度，而后，进入环腔内的床层内进行反应或再生，脱氧氢气和再生氢气自顶部侧面的出口排出。
69.在本实施例中，所述氢气预分离器包括：氢气出口、气液进口和冷凝液出口，分别对应设于所述氢气预分离器的顶部、侧面和底部。
70.在本公开的一些实施例中，所述氢气分离器包括：第一氢气进出口、第二氢气进出口和脱氧冷凝液出口，分别对应设于所述氢气分离器的顶部、侧面和底部；所述氢气预分离器的氢气出口通过管路与所述氢气分离器的第一氢气进出口连通。
71.另一方面，本发明还提供一种高效节能的氢气纯化的工艺方法，参见图5，其用于所述高效节能的氢气纯化系统，根据第一再生气干燥支路的第一干燥器、第二再生气干燥支路的第二干燥器和第三再生气干燥支路的第三干燥器的状态，采用如下氢气纯化的方法：
72.在状态一的情况下，所述工艺方法包括：所述第一干燥器处于吸附状态，所述第二干燥器处于干燥状态，所述第三干燥器处于再生状态；在所述第三干燥器的加热时间达到预设时间后，判断所述第三干燥器的再生结果，当判断结果为是时，对所述第三干燥器进行冷吹，结束当前状态；
73.在状态二的情况下，所述工艺方法包括：所述第一干燥器处于干燥状态，所述第二干燥器处于再生状态，所述第三干燥器处于吸附状态；在所述第二干燥器的加热时间达到预设时间后，判断所述第二干燥器的再生结果，当判断结果为是时，对所述第二干燥器进行冷吹，结束当前状态；
74.在状态三的情况下，所述工艺方法包括：所述第一干燥器处于再生状态，所述第二干燥器处于吸附状态，所述第三干燥器处于干燥状态；在所述第一干燥器的加热时间达到预设时间后，判断所述第一干燥器的再生结果，当判断结果为是时，对所述第一干燥器进行冷吹，结束当前状态。
75.从上述工艺方法的叙述中能够发现，第一干燥器、第二干燥器和第三干燥器都分别经历吸附、再生、干燥三个不同的阶段，从而实现氢气的连续纯化和再生过程，同时，通过氢气冷却器回收再生氢气的部分热量，而再生氢气大约占纯化氢气的10％-20％。
76.在本公开的一些实施例中，所述工艺方法还包括：原料气进入所述氢气预冷却器的上壳程；原料气经过所述氢气预冷却器的上壳程的出口和所述脱氧器的进口进入所述脱氧器；冷却水进入所述氢气预冷却器的下壳程；所述原料气经脱氧升温后形成高温的氢气，并通过所述脱氧器的出口与所述氢气预冷却器通过其管程的进口进入所述氢气预冷却器的管程；管程内的高温氢气在所述氢气预分离器的下壳程经过管壳式换热后，形成低温氢气，走壳程上部，冷冻水走壳程下部的多流股管壳式换热。
77.为了进一步理解本发明的高效节能的氢气纯化系统的结构特征及应用于该高效节能的氢气纯化系统的工艺方法，现对氢气纯化的完整过程做一简要叙述。
78.原料氢经过脱氧后，形成高温氢气，并在氢气预冷却器的上壳程内进行换热冷却，随后进入脱氧器，在此，原料氢经过催化脱氧后重新进入氢气预冷却器的管程，并接续在下壳程进行换热；随后，进入氢气预分离器，在此经过冷却后，基于所述第一干燥器、所述第二干燥器和所述第三干燥器各自对应的状态，采用对应的氢气纯化的方法，氢气进入第一氢气分离器、第二氢气分离器和第三氢气分离器中对应的一个，由此正是开启氢气纯化工艺
过程。
79.由于所述第一干燥器、第二干燥器和第三干燥器中每个干燥器在同一过程中，各自经历吸附、再生、干燥三个阶段中的一个阶段，最终实现氢气的连续纯化和再生。具体工艺过程如下：
80.当所述第一干燥器处于吸附状态，所述第二干燥器处于干燥状态，所述第三干燥器处于再生状态时，氢气进入位于所述第一再生气干燥支路的氢气分离器。
81.参见图1，此时，阀门(k1a，k7a，k5c，k3c，k2c，k6b)打开，氢气进入位于所述第一再生气干燥支路的氢气分离器中，并在进行分离后，顺序经过位于所述第一再生气干燥支路上的氢气冷却器和第一干燥器；随后，在顺序经过位于第三再生气干燥支路的第三干燥器、氢气冷却器和氢气分离器；继续向前，顺序经过位于第二再生气干燥支路的氢气分离器、氢气冷却器和第二干燥器，氢气在第二干燥器中进行干燥处理；并在所述第三干燥器的加热时间达到预设时间后，判断所述第三干燥器的再生结果，当判断结果为是时，停止所述第三干燥器继续加热，开始对所述第三干燥器进行冷吹，结束当前状态，此时，阀门(k1a，k7a，k4c，k2c，k6b)打开，产品氢从阀门k6b流出，进入到下游工序。
82.需要说明的是，从上述工艺过程中，除了干燥器、分离器、冷却器之外，还包括若干用于控制和调节的阀门，关于阀门的种类结构，在此不做赘述，可根据工艺的需求进行选择；另外，在本技术的氢气纯化工艺的叙述中，凡未提及或限定阀门当前状态的，均理解为处于关闭状态，下同。
83.当所述第一干燥器处于干燥状态，所述第二干燥器处于再生状态，所述第三干燥器处于吸附状态时，氢气进入第一氢气分离器；
84.参见图1，此时，阀门(k1c，k7c，k5b，k3b，k2a，k6a)打开，氢气进入位于所述第三再生气干燥支路的氢气分离器中，并在进行分离后，顺序经过位于所述第三再生气干燥支路上的氢气冷却器和第三干燥器；随后，在顺序经过位于第二再生气干燥支路的第二干燥器、氢气冷却器和氢气分离器；继续向前，顺序经过位于第一再生气干燥支路的氢气分离器、氢气冷却器和第一干燥器，氢气在第一干燥器中进行干燥处理；并在所述第二干燥器的加热时间达到预设时间后，判断所述第二干燥器的再生结果，当判断结果为是时，停止所述第二干燥器继续加热，开始对所述第二干燥器进行冷吹，结束当前状态，此时，阀门(k1c，k7c，k4b，k2a，k6a)打开，产品氢从阀门k6a流出，进入到下游工序。
85.当所述第一干燥器处于再生状态，所述第二干燥器处于吸附状态，所述第三干燥器处于干燥状态时，氢气进入位于所述第二再生气干燥支路的氢气分离器。
86.参见图1，此时，阀门(k1b，k7b，k5a，k3a，k2b，k6c)打开，氢气进入位于所述第二再生气干燥支路的氢气分离器中，并在进行分离后，顺序经过位于所述第二再生气干燥支路上的氢气冷却器和第二干燥器；随后，在顺序经过位于第一再生气干燥支路的第一干燥器、氢气冷却器和氢气分离器；进行向前，顺序经过位于第三再生气干燥支路的氢气分离器、氢气冷却器和第三干燥器，氢气在第三干燥器中进行干燥处理；并在所述第一干燥器的加热时间达到预设时间后，判断所述第一干燥器的再生结果，当判断结果为是时，停止所述第一干燥器继续加热，开始对所述第一干燥器进行冷吹，结束当前状态，此时，阀门(k1b，k7b，k4a，k2b，k6c)打开，产品氢从阀门k6c流出进入到下游工序。
87.为了保持本公开实施例的以下说明清楚且简明，本公开省略了已知功能和已知部
件的详细说明。
88.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。
89.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发明的范围。