一种水电解氢气纯化装置及方法

技术领域

本发明属于气体纯化技术领域，涉及一种水电解氢气纯化装置及方法。

背景技术

来自电解设备的氢气含有氧和水等杂质，氧气中含有氢气和水等杂质，难以达到用户的指标要求，因此在供给用户之前需要进行纯化。原料氢气的纯化方法随原料气组成和氢气纯度要求的不同而异，一般来说水电解氢气中的氧可用催化氧化除去,水经过分子筛吸附去除。但当前氢的纯化技术中，存在着装置结构不合理，吸附再生控制过程粗糙，不能满足现在的节能降耗需求。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种水电解氢气纯化装置及方法，以实现对水电解氢气的低能耗、高效率、低成本的纯化等。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的技术方案之一提供了一种水电解氢气纯化装置，包括沿水电解氢气处理方向依次连接的脱氧反应器、脱氧气体冷却器、脱氧气体分液罐、以及脱氧气体干燥器组，所述脱氧气体干燥器组由若干台并联的脱氧气体干燥器组成；

所述脱氧气体干燥器的出口还引出两条支路，其中一路作为产品管线，另一路作为再生气并顺序连接再生气加热器、所述脱氧气体干燥器组、再生气冷却器和再生气干燥分液罐，且所述再生气干燥分液罐的气相出口还通过管路返回连接所述脱氧气体干燥器组。

进一步的，所述的脱氧气体干燥器组包括至少三台并联的脱氧气体干燥器。

进一步的，所述的脱氧反应器和脱氧气体冷却器之间还设有第一换热器，且水电解氢气还通过进气管路先连接所述第一换热器，再进入所述脱氧反应器中。

进一步的，所述的脱氧气体干燥器组和再生气冷却器之间还设有第二换热器，且再生气还连接所述第二换热器，再进入所述再生气加热器中。

进一步的，所述的脱氧反应器内部或旁边还设有为其提供热量的脱氧反应器电加热器。

进一步的，本发明的纯化装置主要用于水电解氢气的纯化，也可以用于水电解氧气的纯化。

进一步的，脱氧气体冷却器与再生气冷却器共用一个冷却器。

本发明的技术方案之二提供了一种水电解氢气纯化方法，其基于如上所述的水电解氢气纯化装置，该纯化方法包括以下步骤：

(1)水电解氢气脱氧工序：

来自电解制氢装置的水电解氢气预热后进入脱氧反应器中，经反应除去水电解氢气的氧气后，得到脱氧气体，再降温冷却后，进入脱氧气体分液罐中，分离出游离水分，进入脱氧气体干燥工序；

(2)脱氧气体干燥工序：

经脱除游离水分的脱氧气体从脱氧气体分液罐中离开，并从底部进入所述脱氧气体干燥器组的至少一台脱氧气体干燥器中，被吸附干燥脱除水分，从脱氧气体干燥器顶部出来的气体，即为高纯氢气，作为产品氢气送出。

进一步的，经过脱氧气体干燥工序所得到的产品氢气的一部分还作为再生气，并采用等压再生工艺，对所述脱氧气体干燥器组中达到吸附上限的脱氧气体干燥器进行再生处理。

更进一步的，在再生处理的循环周期内，所述脱氧气体干燥器组中的各台脱氧气体干燥器均依次经历主吸附、次吸附和再生过程。

主吸附为从脱氧气体分液罐来的脱氧气体的吸附干燥过程。

再生过程为使用热的再生气对含水的脱氧气体干燥器进行解吸，脱出水分。

次吸附为对再生过程出来的再生气进行干燥，使其满足产品标准。

更优选的，处于主吸附状态的脱氧气体干燥器的操作过程具体为：

从脱氧气体分液罐出来的分离出游离水分的脱氧气体进入到对应脱氧气体干燥器中，由下而上流经脱氧气体干燥器中的吸附剂床层，此时，脱氧气体中的水分被吸附除去，并在脱氧气体干燥器顶部得到干燥后的产品氢气，即完成主吸附过程；

处于再生、次吸附状态的脱氧气体干燥器的操作过程分别具体为：

未处于主吸附过程的脱氧气体干燥器可以进行再生过程和次吸附过程。以从处于主吸附状态下的脱氧气体干燥器所流出的产品氢气作为再生气，此再生气进入再生气加热器中加热后，进入处于再生过程的脱氧气体干燥器中，将吸附在吸附剂床层上的水分解吸出来，并随再生气流出，即完成再生过程；

从处于再生过程的脱氧气体干燥器出来的热再生气，降温冷却并经再生气干燥分液罐分液后，进入处于次吸附状态的脱氧气体干燥器中，并从顶部流出合格的产品氢气并入产品管线中。

此外，更进一步的，当脱氧气体干燥器再生完成后，从产品氢气引出新的再生气进入热的再生后的脱氧气体干燥器中进行冷吹，直至此脱氧气体干燥器温度降至设定值，即可进行下一次主吸附操作。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中标记说明：

1-脱氧反应器，2-粗氢气/脱氧氢气换热器，3-脱氧氢气冷却器，4-脱氧氢气分液罐，5-氢气干燥器，6-再生氢气电加热器，7-冷再生气/热再生气换热器，8-再生氢气冷却器，9-再生氢气干燥分液罐。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下各实施方式或实施例中，如无特别说明的功能部件或结构，则表明其均为本领域为实现对应功能而采用的常规部件或常规结构。

为实现对水电解氢气的低能耗、高效率、低成本的纯化等，本发明提供了一种水电解氢气纯化装置，包括沿水电解氢气处理方向依次连接的脱氧反应器、脱氧气体冷却器、脱氧气体分液罐、以及脱氧气体干燥器组，所述脱氧气体干燥器组由若干台并联的脱氧气体干燥器组成；

所述脱氧气体干燥器的出口还引出两条支路，其中一路作为产品管线，另一路作为再生气并顺序连接再生气加热器、所述脱氧气体干燥器组、再生气冷却器和再生气干燥分液罐，且所述再生气干燥分液罐的气相出口还通过管路返回连接所述脱氧气体干燥器组。

在一些具体的实施方式中，所述的脱氧气体干燥器组包括至少三台并联的脱氧气体干燥器。

在一些具体的实施方式中，所述的脱氧反应器和脱氧气体冷却器之间还设有第一换热器，且水电解氢气还通过进气管路先连接所述第一换热器，再进入所述脱氧反应器中。

在一些具体的实施方式中，所述的脱氧气体干燥器组和再生气冷却器之间还设有第二换热器，且再生气还连接所述第二换热器，再进入所述再生气加热器中。

在一些具体的实施方式中，所述的脱氧反应器内部或旁边还设有为其提供热量的脱氧反应器电加热器。

在一些具体的实施方式中，本发明的纯化装置主要用于水电解氢气的纯化，当然，也可以用于水电解氧气的纯化。

另外，本发明还提供了一种水电解氢气纯化方法，其基于如上所述的水电解氢气纯化装置，该纯化方法包括以下步骤：

(1)水电解氢气脱氧工序：

来自电解制氢装置的水电解氢气预热后进入脱氧反应器中，经反应除去水电解氢气的杂质气体后，得到脱氧气体，再降温冷却后，进入脱氧气体分液罐中，分离出游离水分，进入脱氧气体干燥工序；

(2)脱氧气体干燥工序：

经脱除游离水分的脱氧气体从脱氧气体分液罐中离开，并从底部进入所述脱氧气体干燥器组的至少一台脱氧气体干燥器中，被吸附干燥脱除水分，从脱氧气体干燥器顶部出来的气体，即为高纯氢气，作为产品氢气送出。

在一些具体的实施方式中，经过脱氧气体干燥工序所得到的产品氢气的一部分还作为再生气，并采用等压再生工艺，对所述脱氧气体干燥器组中的脱氧气体干燥器依次进行再生处理。

更进一步的，在再生处理的循环周期内，所述脱氧气体干燥器组中的各台脱氧气体干燥器均依次经历主吸附、次吸附和再生状态。

更优选的，处于主吸附状态的脱氧气体干燥器的操作过程具体为：

从脱氧气体分液罐出来的分离出游离水分的脱氧气体进入到对应脱氧气体干燥器中，由下而上流经脱氧气体干燥器中的吸附剂床层，此时，脱氧气体中的水分被吸附除去，并在脱氧气体干燥器顶部得到干燥后的产品氢气，即完成主吸附过程；

处于再生、次吸附状态的脱氧气体干燥器的操作过程分别具体为：

以从处于主吸附状态下的脱氧气体干燥器所流出的产品氢气作为再生气，此再生气进入再生气加热器中加入，并进入处于再生状态的脱氧气体干燥器中，由上而下流经吸附剂床层，吸附在吸附剂床层上的水分解吸出来，并随再生气流出，即完成再生过程；

从再生状态的脱氧气体干燥器底部出来的热再生气，降温冷却并经再生气干燥分液罐分液后，继续从底部进入处于次吸附状态的脱氧气体干燥器中，并从顶部流出合格的产品氢气并入产品管线中。

此外，更进一步的，当脱氧气体干燥器再生完成后，从产品氢气再引出新的再生气直接进入已停止加热的再生气加热器中，再进入经历再生状态的脱氧气体干燥器中进行冷吹，直至此脱氧气体干燥器温度降至设定值，即可进行下一次主吸附操作。

以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。

下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。

实施例1：

为实现对水电解氢气的低能耗、高效率、低成本的纯化等，本实施例提供了一种水电解氢气纯化装置，可参见图1所示，包括沿水电解氢气处理方向依次连接的脱氧反应器、脱氧气体冷却器、脱氧气体分液罐、以及脱氧气体干燥器组，所述脱氧气体干燥器组由若干台并联的脱氧气体干燥器组成；所述脱氧气体干燥器的出口还引出两条支路，其中一路作为产品管线，另一路作为再生气并顺序连接再生气加热器、所述脱氧气体干燥器组、再生气冷却器和再生气干燥分液罐，且所述再生气干燥分液罐的气相出口还通过管路返回连接所述脱氧气体干燥器组。

本实施例中，所述的脱氧反应器和脱氧气体冷却器之间还设有第一换热器，且水电解氢气还通过进气管路先连接所述第一换热器，再进入所述脱氧反应器中。所述的脱氧气体干燥器组和再生气冷却器之间还设有第二换热器，且再生气还连接所述第二换热器，再进入所述再生气加热器中。所述的脱氧反应器内部或旁边还设有为其提供热量的脱氧反应器电加热器。

本实施例的纯化装置用于电解水氢气纯化，此时，上面的脱氧反应器即为图1中的脱氧反应器1，脱氧气体冷却器即为脱氧氢气冷却器3，脱氧气体分液罐即为脱氧氢气分液罐4，脱氧气体干燥器即为氢气干燥器5，再生气加热器即为再生氢气电加热器6，再生气冷却器即为再生氢气冷却器8，再生气干燥分液罐即为再生氢气干燥分液罐9，第一换热器即为粗氢气/脱氧氢气换热器2，第二换热器即为冷再生气/热再生气换热器7。

本实施例的氢气纯化装置操作方法主要包括脱氧和干燥两个工序。

1)氢气脱氧工序

来自电解制氢装置的粗氢气进入粗氢气/脱氧氢气换热器2与脱氧氢气换热升温，然后进入脱氧反应器1中，经内部的电加热器(电加热器也可以设置在脱氧反应器1外)加热，粗氢气由下至上流经脱氧反应器1，反应脱除氢气中的微量氧气。脱氧反应后的脱氧氢气与粗氢气经粗氢气/脱氧氢气换热器2换热降温、再经脱氧氢气冷却器3冷却，进入脱氧分液罐分离出氢气中的游离水分，然后进入氢气干燥工序。

2)氢气干燥工序

经脱氧分液后的氢气离开脱氧分液罐，从底部进入三台并联的氢气干燥器5中的一台，自下而上流经该氢气干燥器5，利用分子筛吸附脱除氢气中的水分，从该氢气干燥器5顶部出来的气体为高纯氢气作为产品氢气送出装置。

完成吸附过程的氢气干燥器5使用产品氢气作为再生气，采用等压再生工艺，连续操作。

在一个循环周期内，每台干燥器都依次经历主吸附、次吸附、再生状态，从而实现整套装置工作的连续性。具体操作方法如下：

以下以某台氢气干燥器5(可即为干燥器A)操作过程为例分别说明主吸附、再生和次吸附的操作方法：

(1)主吸附

脱氧分液罐出来的氢气进入某一台氢气干燥器5(即干燥器A)，进行主吸附操作。由下至上流过吸附剂床层，氢气中的水分被吸附剂吸附，从顶部流出干燥器，流出干燥器的气体即为合格的产品氢气。

(2)再生与次吸附

干燥器A进行主吸附操作时，另一台氢气干燥器5可行再生操作，再生气为从处于主吸附操作的干燥器A流出的产品氢气。

再生操作包括加热阶段和吹冷阶段：

a.加热阶段

从产品氢气管路引出一部分气体用于再生，此再生气首先进入冷再生气/热再生气换热器7与热再生气换热升温，再经再生氢气电加热器6加热，然后进入需再生的氢气干燥器5(可记为干燥器B)，由上至下流经吸附剂床层，干燥器逐渐升温，吸附在分子筛上的水分逐渐解吸，随再生气流出干燥器B。

从干燥器B底部出来的热再生气，经冷再生气/热再生气换热器7与冷再生气换热降温，再经再生氢气冷却器8冷却，并经再生氢气干燥分液罐9分液后，从底部进入处于次吸附操作的氢气干燥器5(可记为干燥器C)，从干燥器C顶部流出的气体即为合格的产品氢气，并入产品氢气总管。

当干燥器B底部温度达到设定值后，再生完成，电加热器自动停止加热。

b.冷吹阶段

再生完成后，从产品氢气线引出的再生气跨过冷再生气/热再生气换热器7，直接进入已停止加热的氢气电加热器，后续按加热阶段的气流走向，对干燥器B进行冷吹，直至氢气干燥器5温度降至设定值，此氢气干燥器5就可以进行下一次的主吸附操作了。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。