連續純化水電解氫氣的方法
2023-06-01 03:28:16
專利名稱：連續純化水電解氫氣的方法
技術領域：
本發明涉及一種連續純化水電解氫氣的方法，屬於氫氣純化技術領域。
背景技術：
水經過電解之後獲得的含有微量氧和飽和水汽的氫氣，經過脫氧器除去雜質氫和乾燥塔乾燥去溼，獲得高純產品氫氣。為能達到高純度氫氣，常用的氫氣純化裝置，通常都採用部分產品氫氣再生法，部分再生主要是為了連續操作。如圖1所示的氫氣純化裝置，包括二個乾燥塔(107、108)、三個再生冷卻器(103、105、106)、汽水分離器101、脫氧器102和二位四通氣動閥門(104、111)及流量計109；採用約10％產品氫氣再生，再生後廢氫氣排空，耗損掉；乾燥塔107將脫氧冷卻後的氫氣24小時地吸附去溼，生產出高純度的產品氫氣，從乾燥塔107獲得的高純度產品氫氣中分流出10％產品氫氣入乾燥塔108，進行8小時的加熱再生、16小時的吹冷，再生後的廢氫氣冷卻後排放於大氣。裝置24小時自動切換一次，變乾燥塔108去溼工作24小時，從乾燥塔108生產的高純度產品氫氣中分流出10％產品氫氣入乾燥塔107，進行加熱再生8小時、吹冷16小時，再生後的廢氫氣冷卻後也排放於大氣。48小時，裝置又自動切換，回到原乾燥塔107工作狀態和乾燥塔108再生狀態。水電解氫氣由A進入裝置，處理後的高純產品氫氣由B去用地，約10％廢氫氣由C排出。
按上述過程往復循環，按照電解出來的氫氣總量計算，可以連續獲得90％收率的高純度產品氫氣，而10％產品氫氣在對乾燥塔內部的乾燥劑進行再生之後，成為廢氫氣而排放到大氣當中被損耗掉。可以清楚看出，常用的氫氣純化裝置，從流程、設備、操作使用上看存在兩大缺點一是浪費了價高的約10％氫能源，二是汙染了大氣環境。
發明內容
本發明的目的是提供一種連續純化水電解氫氣的方法，對再生後廢氫氣進行回收，不僅可連續獲得高純度產品氫氣，還實現氫氣「零排放」無耗損的技術工藝。
本發明的目的通過以下技術方案來實現連續純化水電解氫氣的方法，水經過電解之後獲得的含有微量氧和飽和水汽的氫氣，經過脫氧器去除雜質氧和乾燥塔乾燥去溼，形成高純產品氫氣，其特徵在於所述的乾燥塔有3座，分別為I號塔、II號塔、III號塔，整個純化過程在這三座塔內周期性連續進行，每個工作周期等分成①、②、③三個階段——第①階段水電解氫氣進入I號乾燥塔全氣量去溼，獲得的高純產品氫氣被分流為兩部分，按體積比計算，其中90％～85％為主流氣體，另外10％～15％被分流進入II乾燥塔，對II乾燥塔在上一周期所吸附的水分進行吹帶，使II乾燥塔內部的乾燥劑再生，吹帶之後這10％～15％再生廢氫氣經過冷卻以後進入III號乾燥塔，它們在III號乾燥塔內部又被去溼，形成高純產品氫氣，最後與I號乾燥塔出口的90％～85％主流高純產品氫氣合併；第②階段水電解氫氣進入II號乾燥塔全氣量去溼，獲得的高純產品氫氣被分流為兩部分，其中90％～85％為主流氣體，另外10％～15％被分流進入III乾燥塔，對III乾燥塔在上一周期所吸附的水分進行吹帶，使III乾燥塔內部的乾燥劑再生，吹帶之後這10％～15％再生廢氫氣經過冷卻以後進入I號乾燥塔，它們在I號乾燥塔內部又被去溼，形成高純產品氫氣，最後與II號乾燥塔出口的90％～85％主流高純產品氫氣合併；第③階段水電解氫氣進入III號乾燥塔全氣量去溼，獲得的高純產品氫氣被分流為兩部分，其中90％～85％為主流氣體，另外10％～15％被分流進入I乾燥塔，對I乾燥塔在上一周期所吸附的水分進行吹帶，使I乾燥塔內部的乾燥劑再生，吹帶之後這10％～15％再生廢氫氣經過冷卻以後進入II號乾燥塔，它們在II號乾燥塔內部又被去溼，形成高純產品氫氣，最後與III號乾燥塔出口的90％～85％主流高純產品氫氣合併。
進一步地，上述的連續純化水電解氫氣的方法，所述工作周期為72小時，①、②、③三個階段各為24小時。
再進一步地，上述的連續純化水電解氫氣的方法，所述的乾燥塔為內外筒結構，內筒設有U型電加熱棒；所述乾燥劑為分子篩乾燥劑，它們裝在內外筒之間。
本發明技術方案的突出的實質性特點和顯著的進步主要體現在①技術方案新穎，採用10％～15％產品氫氣再生，再生後廢氫氣通過第III乾燥塔回收，零排放、無損耗；不僅可獲得高純度(≥99.999％)產品氫氣，還實現氫氣「零排放」無耗損的技術工藝。
②可節約10％～15％的氫能源，節能效果、經濟效益十分顯著。
③減少和避免可燃氫氣對環境的汙染，使大氣的淨化得到緩解，讓人類生活的環境更加美好。
下面結合附圖對本發明技術方案作進一步說明圖1背景技術的系統結構示意圖；圖2本發明的系統結構示意圖；圖中各附圖標記的含義見下表
具體實施方式
水經過電解之後獲得的含有飽和水汽的氫氣，進入本發明的零排放三塔式氫氣連續純化處理工藝系統。首先經汽水分離器1分離去除游離子水，再進入裝有鈀鉑雙金屬脫氧催化劑的脫氧器2去除雜質氧，然後進入氫氣冷卻冷凝器3完成一級去溼，繼而進行連續純化處理。
如圖2所示，本發明使用三個乾燥塔(第I號塔13、第II號塔14、第III號塔15)，三個再生冷卻器(第I再生冷卻器10、第II再生冷卻器11、第III再生冷卻器12)和相應的進出口閥門(第I自動閥4、第II自動閥5、第III自動閥6、第IV自動閥7、第V自動閥8、第VI自動閥9、第VII自動閥16、第VIII自動閥17、第IX自動閥18、第X自動閥19、第XI自動閥20、第XII自動閥21)及流量計(第I流量計22、第II流量計23、第III流量計24)構成零排放三塔式氫氣連續純化處理工藝系統。水電解氫氣由A進入連續純化處理工藝系統，處理後的高純產品氫氣由B去用地。
每個乾燥塔為內外筒結構，內筒設有6根U型電加熱棒(每根4.5KW)，內外筒間裝有400公斤13X分子篩乾燥劑，三個再生冷卻器都為換熱面積20m2使用6℃冷凍水的列管冷卻器。當其中一個乾燥塔進行全氣量吸附乾燥時，另一個乾燥塔進行再生(把上一周期所吸收的水分變為水汽並被帶出至冷卻器冷凝分離)，還有一個乾燥塔進行10％再生氫氣的去溼。
本發明技術方案周期性操作，通常以72小時為一周期，每個周期當中以24小時為一時段進行一次動作切換，其具體實施過程為0小時時，自動閥(4、17、16、18、8、21)呈開狀態，自動閥(5、6、7、9、19、20)呈關狀態；0～24小時去除雜質氧和一級去溼後的氫氣經第I自動閥4進入第I號乾燥塔13進行全氣量(1000m3/h)二級去溼，產出1000m3/h高純度產品氫氣，經第VIII自動閥17至第I流量計22，顯示值(900m3/h)並鎖定開度位置，主流出90％(900m3/h)高純度產品氫氣；同時被分流出10％(100m3/h)的高純度產品氫氣，經第VII自動閥16、第IX自動閥18進入第II乾燥塔內筒，由內筒27KW電加熱進行加熱、溫控在280℃，從下而上地再生、吹帶出內外筒乾燥劑上一周期所吸附的水分，8小時自動停電加熱，進行16小時的吹冷。再生吹冷的氫氣進入第II號再生冷卻器11，再經過第V自動閥8和第III號乾燥塔15從上而下地去溼，將10％再生廢氫氣被去溼產出高純度產品氫氣，經內筒由上而下出第III號乾燥塔15，再經第XII自動閥21、第III流量計24流出，與主流90％量的高純產品氫氣合併，共同經過濾器25除塵，獲100％收穫率，實現零排放。
24小時末裝置進行切換，自動閥(5、19、18、20、9、17)呈開狀態，自動閥(4、6、7、8、21、16)呈關狀態；24～48小時去除雜質氧和一級去溼後的氫氣經第II自動閥5入第II號乾燥塔14進行全氣量1000m3/h二級去溼，產出1000m3/h高純度產品氫氣，經第X自動閥19至第II流量計23，顯示值(900m3/h)的主流產品氫氣，鎖定開度位置，主流出90％(900m3/h)高純度產品氫氣；同時被分流出10％(100m3/h)的高純度產品氫氣，經第IX自動閥18、第XI自動閥20入第III號乾燥塔內筒，由內筒27KW電加熱進行加熱、溫控在280℃，從下而上地再生吹帶出內外筒乾燥劑上一周期所吸附的水分，8小時後自動停電加熱、進行16小時的吹冷，再生吹冷後的廢氫氣入第III號再生冷卻器12，經第VI自動閥9和第I號再生冷卻器10冷卻到室溫後，進入第I乾燥器13，進行從上而下的去溼工作，將10％再生廢氫氣去溼產出高純度產品氫氣，由內筒自下向上出塔，經第VIII自動閥17、第I流量計22，與主流(900m3/h)高純產品氫氣合併，共同經過濾器25除塵，也獲100％收穫率，也實現零排放。
48小時末裝置進行切換，自動閥(6、21、20、16、7、19)呈開狀態，；自動閥(4、5、8、9、17、18)呈關狀態；48～72小時去除雜質氧和一級去溼後的氫氣經第III自動閥6入第III號乾燥塔15進行全氣量1000m3/h二級去溼，產出1000m3/h高純度產品氫氣，經第XII自動閥21至第III流量計24，顯示值(900m3/h)的主流產品氫氣，鎖定開度位置，主流出90％(900m3/h)高純度產品氫氣；同時被分流出10％(100m3/h)的高純度產品氫氣，經第XI自動閥20、第VII自動閥16入第I號乾燥塔內筒，由內筒27KW電加熱進行加熱、溫控於280℃，從下而上地再生吹帶出內外筒乾燥劑上一周期所吸附的水分，8小時後自動停電加熱、進行16小時的吹冷。再生吹冷後的廢氫氣入第I號再生冷卻器10，經第IV自動閥7和第II號再生冷卻器11冷卻到室溫，進入第II號乾燥塔14，進行從上而下地去溼，將10％再生廢氫氣被去溼產出高純度產品氫氣，由內筒自下向上出塔，經第X自動閥19、第II流量計23，與90％主流高純度產品氫氣合併，最後共同經過濾器25除塵，也獲100％收穫率，也實現零排放。
72小時末裝置進行切換，自動閥(4、17、16、18、8、21)呈開狀態；自動閥(5、6、7、9、19、20)呈關狀態。
乾燥塔再生切換工作過程，由PLC程控操作，其「8小時自動停電加熱，16小時吹冷」的技術原理為再生塔加熱後，上一過程吸溼在乾燥劑上的水分子運動加快，溫度越高水分子運動越快，水分子隨再生氫熱氣流被吹帶出來，設計用10％～15％產品氫量的再生氣，再生加熱恆溫280℃下8小時脫水可基本完成；再生氣吹冷，16小時能讓乾燥劑溫度逐步下降到室溫、等待切換再作吸溼用。「8小時加熱、16小時吹冷」參數可根據實際使用狀況作適當調整。
系統每24小時自動切換一次，72小時為一周期，每個周期結束復原為初始狀態。經此過程，水電解氫氣可以連續去溼純化形成高純度產品氫氣。
綜上，以72小時為一個工作周期，每個工作周期分為三個過程，各過程當中三個乾燥塔的操作方式及自動切換閥的狀態如下表所示
本發明進行周期性循環往復連續作業，始終保證獲得100％氫氣收率，實現氫氣「零排放」的生產工藝，氫損耗為零，不汙染環境，大大提高了經濟效益。
以上具體描述了本發明技術方案的應用實例，它們僅作為例子給出，不視為對本發明的應用限制。凡操作條件的等同替換，均落在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.連續純化水電解氫氣的方法，水經過電解之後獲得的含有微量雜質氧和飽和水汽的氫氣，經過脫氧器除去雜質氧和諧乾燥塔乾燥去溼，形成高純產品氫氣，其特徵在於所述的乾燥塔有3座，分別為I號塔、II號塔、III號塔，整個純化過程在這三座塔內周期性連續進行，每個工作周期等分成①、②、③三個階段——第①階段水電解氫氣進入I號乾燥塔全氣量去溼，獲得的高純產品氫氣被分流為兩部分，按體積比計算，其中90％～85％為主流氣體，另外10％～15％被分流進入II乾燥塔，對II乾燥塔在上一周期所吸附的水分進行吹帶，使II乾燥塔內部的乾燥劑再生，吹帶之後這10％～15％再生廢氫氣經過冷卻以後進入III號乾燥塔，它們在III號乾燥塔內部又被去溼，形成高純產品氫氣，最後與I號乾燥塔出口的90％～85％主流高純產品氫氣合併；第②階段水電解氫氣進入II號乾燥塔全氣量去溼，獲得的高純產品氫氣被分流為兩部分，其中90％～85％為主流氣體，另外10％～15％被分流進入III乾燥塔，對III乾燥塔在上一周期所吸附的水分進行吹帶，使III乾燥塔內部的乾燥劑再生，吹帶之後這10％～15％再生廢氫氣經過冷卻以後進入I號乾燥塔，它們在I號乾燥塔內部又被去溼，形成高純產品氫氣，最後與II號乾燥塔出口的90％～85％主流高純產品氫氣合併；第③階段水電解氫氣進入III號乾燥塔全氣量去溼，獲得的高純產品氫氣被分流為兩部分，其中90％～85％為主流氣體，另外10％～15％被分流進入I乾燥塔，對I乾燥塔在上一周期所吸附的水分進行吹帶，使I乾燥塔內部的乾燥劑再生，吹帶之後這10％～15％再生廢氫氣經過冷卻以後進入II號乾燥塔，它們在II號乾燥塔內部又被去溼，形成高純產品氫氣，最後與III號乾燥塔出口的90％～85％主流高純產品氫氣合併。
2.根據權利要求1所述的連續純化水電解氫氣的方法，其特徵在於所述工作周期為72小時，①、②、③三個階段各為24小時。
3.根據權利要求1所述的連續純化水電解氫氣的方法，其特徵在於所述的乾燥塔為內外筒結構，內筒設有U型電加熱棒；所述乾燥劑為分子篩乾燥劑，它們裝在內外筒之間。
全文摘要
本發明提供一種連續純化水電解氫氣的方法，水電解氫氣經3座乾燥塔乾燥去溼，整個純化過程在這三座塔內周期性連續進行，每個工作周期分為三個階段當水電解氫氣進入I號乾燥塔全氣量去溼時，由產出的高純產品氫氣分流出10％～15％進入II乾燥塔，吹帶II乾燥塔的上一周期所吸附的水分，其再生廢氫氣冷卻後進入III號乾燥塔，經去溼成為高純產品氫氣，再與I號乾燥塔90％～85％的主流氣體合併；另兩個階段情況與此類似。通常以72小時為一周期，每24小時切換一次，連續操作獲得高純產品氫氣。該技術方案不僅可獲得高純度產品氫氣，還實現氫氣「零排放」，始終保證100％收率，氫損耗為零，既提高了經濟效益，又有利於保護大氣環境。
文檔編號B01D53/26GK1920100SQ20061004111
公開日2007年2月28日 申請日期2006年8月4日 優先權日2006年8月4日
發明者朱同清, 呂國愛, 張碧航, 馬軍, 劉勇 申請人:蘇州競立制氫設備有限公司