一种乙苯脱氢尾气生产燃料电池车用氢气的方法及装置

技术领域

本发明涉及氢能生产和充装领域，具体涉及一种乙苯脱氢尾气生产燃料电池车用氢气的方法及装置。

背景技术

氢能是一种能量密度高、无污染、来源广泛且清洁高效的能源；被誉为未来世界能源架构的核心，21世纪最具发展潜力的清洁能源。氢以燃料电池方式将化学能高效转化为电能，可广泛用于交通(汽车、船等)和储能等能量提供体系，以及应用于二氧化碳转化、清洁能源等低碳减排，特别是氢燃料电池汽车作为一种理想的车型，将迎来发展的广阔空间，并对交通能源的生产与消费产生较大影响。发展氢能经济能够减少温室气体和细颗粒物的排放，实现能源多元化，全球各国家地区纷纷将氢能源视为未来新能源的战略发展方向。

然而，现有国内各城市的氢能制取、储运、应用环节上的布局还仅在初步阶段，氢能尤其是用于新能源燃料电池汽车上的车用氢气无论在耗能、生产效率以及品质上仍具有很大的上升空间，若研发一种可大范围、高效率、低能耗地生产高品质燃料电池车用氢气的方法将在现阶段氢能战略布局上实现重大突破。

发明内容

基于现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供了一种乙苯脱氢尾气生产燃料电池车用氢气的方法，该方法采用改良变压吸附(PSA)技术对乙苯原料经脱氢后的尾气进行氢气进行提纯，原料利用率高，不仅可有效利用工业废气，同时生成工艺安全高效，所用吸附剂可充分循环利用，连续分离气体杂质，产能高达10000Nm

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种乙苯脱氢尾气生产燃料电池车用氢气的方法，包括以下步骤：

(1)原料脱氢：将乙苯置入脱氢单元后进行脱氢反应，得脱氢尾气A；

(2)尾气前处理：将脱氢尾气A经压缩升压至2.8～3.2MPa后升温至38～42℃进行气液分离；

(3)尾气变压吸附：将步骤(2)气液分离后得到的气体送入吸附装置进行变压吸附；所述吸附装置中由5～10台吸附塔组成，所述吸附塔中含有吸附剂；所述变压吸附过程中通过DCS控制系统控制5～10台吸附塔轮流工作，其他吸附塔进行不同阶段的再生处理，所述再生处理依次包括均压降、顺放、逆放、冲洗均压升和终充步骤；所述再生处理过程得到可循环回收利用的解吸气；

(4)氢气收集：经步骤(3)所述变压吸附后得到的氢气经过滤、压缩升压至18～22MPa后，通过管道输送至装载车装载运输。

本发明所述再生处理中，均压降可使吸附塔间的压力均匀，降低单个吸附塔的操作压力，使被吸附的杂质得到部分解吸；顺放则是吸附塔在均压过程后朝顺吸附方向释放部分氢气浓度较高的气体，该气体可作为另一个处于冲洗步骤的吸附塔的部分冲洗气源，使冲洗后的吸附塔得到较彻底再生；逆放则是由于吸附塔在顺放步骤后存在一定压力，需要将吸附塔释放压力接近常压，同时将吸附塔中解吸出来的杂质逆吸附方向排出；当逆放后的吸附塔降至常压后，采用冲洗气冲洗吸附剂使杂质组分分压，则此时吸附塔中的吸附剂再生完成。

随后，通过均压升步骤将完成变压吸附过程的吸附塔之间采用两两压力平均使部分吸附塔升压，同时回收其他吸附塔内死空间的有效组分；最后，将吸附塔通过终充步骤加压至系统设定压力，即完成吸附塔压力再生。

所述步骤不仅可有效提升吸附装置的运转效率，同时可将吸附后的解吸气或再生气充分利用回收。

相比于其他氢气的纯化方法，诸如有机膜、无机膜分离法或者低温吸附、低温分离法等，本发明所述方法中使用的变压吸附技术具有以下优点：

(1)乙苯脱氢尾气的氢气回收率高：本发明所述氢气回收率高达70％以上；

(2)吸附流程短、实施规模大：可实现一步吸附即可去除尾气杂质，通过吸附装置的设置，可实现大规模氢气纯化；

(3)操作弹性大、装置运作平稳：本发明所述变压吸附过程使用的吸附装置多达5～10台吸附塔，通过系统自动控制尾气的24h不停歇吸附除杂以及吸附器的实时再生，操作弹性可达30～120％，操作可靠，运转平稳；

(4)生产能耗低，尾气利用率高：本发明所述变压吸附过程的尾气在吸附时无需再额外处理，在常温及中低压力即可实施，吸附塔再生阶段无需加热；所述吸附塔的再生阶段可生产回收他用的解吸气以及用于冲洗阶段的冲洗气，使吸附剂再生化程度高，可实现与装置同寿命，整体物料利用率高。

此外，本发明所述氢气产品的收集采用加压后管束运输，可保证PSA装置的连续生产，无需借助中转储氢罐储存运载，进一步保证工厂生产产能。

本发明所述乙苯脱氢尾气生产燃料电池车用氢气的方法采用乙苯脱氢反应得到的尾气作为原料，经过变压吸附装置进行连续高效变压吸附，得到的产品可达到纯度99.999％，且生产流程产能高达10000Nm

优选地，步骤(2)所述步骤为：将脱氢尾气A送入原料气缓冲罐中，经原料气压缩机组压缩升压至2.5～3.5MPa后升温至40℃，送入气液分离器进行气液分离。

优选地，步骤(3)所述变压吸附过程中吸附塔中的操作温度为25～45℃，操作压力为2.5～3.5MPa。

通过设定原料压力及温度与吸附环境相同，可有效简化原料负荷及吸附时间的关系，有效通过系统控制变压吸附的时间，保证产品的质量，提高收率。

优选地，步骤(3)所述吸附剂包括活性氧化铝类吸附剂、活性炭类吸附剂、硅胶类吸附剂和分子筛类吸附剂。

由于在选用吸附剂时需要着重考虑特定温度下的吸附效率、吸附剂对各组分间的分离系数以及吸附过程中吸附与解吸间的矛盾平衡，因此并非可任意选择常规的吸附剂作为PSA吸附剂；而所述优选吸附剂中，活性氧化铝类吸附剂对水油较强亲和力，可用于气体的干燥；硅胶类吸附剂具有刚性连续网络，在吸水能力强的同时也对烃类和二氧化碳等组分也具有强吸附性；活性炭类吸附剂具有大比表面积，同时其表面具有氧化物基团和无机物杂质使其表现为弱极性或无极性，可用于吸附同类型有机分子；分子筛类吸附剂则属于强极性吸附剂，对一氧化碳、甲烷、氮气、氧气等具有较高吸附性。

更优选地，所述吸附剂还包括一氧化碳吸附剂和碳分子筛吸附剂。

优选地，步骤(3)所述DCS控制系统包括顺序控制系统、常规PID控制系统、顺序控制结合曲线控制系统、联锁控制系统以及自适应优化控制系统。

所述系统中，顺序控制系统可操作PSA装置程控开关阀按给定逻辑顺序执行程序；PID控制系统调节压力回路；顺序控制结合曲线控制系统控制“终充”步骤时的开度，使一定时间内吸附塔压力平稳升高或降低至预定压力点；联锁控制系统包括PSA装置安全及产品质量联锁；自适应优化控制系统则可在原料气流量发生较大变化时自动调节装置参数，保障最高回收率。

优选地，步骤(3)所述解吸气送入解吸气缓冲罐中，随后转移至解吸气混合罐，经解吸气压缩机组压缩升压至0.1～0.2MPa后进行回收利用。

优选地，步骤(4)所述步骤为：经步骤(3)所述变压吸附后得到的氢气送入产品气缓冲罐中，经精密过滤器过滤、产品氢气压缩机压缩升压至18～22MPa后，装入产品氢气罐中通过管道输送至装载车装载运输。

更优选地，所述产品氢气压缩机为隔膜式压缩机。

隔膜式压缩机具有压缩比大、压力范围广、密封性好的特定，该机体气腔无需润滑，压缩过程可保证无泄漏、气体不受污染，相比于活塞式压缩机更适用于易燃易爆且纯度要求高的氢气。

本发明的另一目的还在于提供所述乙苯脱氢尾气生产燃料电池车用氢气的装置，所述装置包括依次连接的原料气缓冲罐(MS501)、原料气压缩机组(PC501)、气液分离器(MS503)、吸附器(AS501A～G)、产品气缓冲罐(MS502)、精密过滤器(FI501A/B)、产品氢气压缩机(PC503A/B)以及产品氢气罐(MS506)；所述装置运行时，原料气依次通过装置最终得到氢气，所述吸附器由5～10台含有吸附剂的变压吸附塔组成，所述吸附器通过DCS系统控制。

本发明所述乙苯脱氢尾气生产燃料电池车用氢气的装置可实现脱氢尾气大规模高效连续的氢气生产，无需额外耗能或设备支持，节能环保，产品质量高。

优选地，所述装置还包括依次连接的解吸气缓冲罐(MS504)、解吸气混合罐(MS505)以及解吸气压缩机组(PC502)，所述解吸气缓冲罐与吸附器连接。

所述系统装置可充分收集解吸气并加以利用处理，实现资源高效使用。

本发明的有益效果在于，本发明提供了一种乙苯脱氢尾气生产燃料电池车用氢气的方法，该方法采用乙苯脱氢反应得到的尾气作为原料，经过变压吸附装置进行连续高效变压吸附，得到的产品可达到纯度99.999％，且生产流程产能高达10000Nm

附图说明

图1为本发明乙苯脱氢尾气生产燃料电池车用氢气的方法的示意流程图；

图2为本发明乙苯脱氢尾气生产燃料电池车用氢气的方法中尾气前处理步骤的示意流程图；

图3为本发明乙苯脱氢尾气生产燃料电池车用氢气的方法氢气收集步骤的示意流程图；

图4为本发明乙苯脱氢尾气生产燃料电池车用氢气的方法所得解吸气处理步骤的示意流程图；

图5为本发明乙苯脱氢尾气生产燃料电池车用氢气的方法原料尾气A的组成及性质。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例及对比例对本发明作进一步说明，其目的在于详细地理解本发明的内容，而不是对本发明的限制。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施所设计的实验试剂及仪器，除非特别说明，均为常用的普通试剂及仪器。

实施例1

一种乙苯脱氢尾气生产燃料电池车用氢气的方法，如图1所示，包括以下步骤，所述方法使用的系统装置如图2～4所示：

(1)原料脱氢：将乙苯置入脱氢单元后进行脱氢反应，得脱氢尾气A；

(2)尾气前处理：将脱氢尾气A送入原料气缓冲罐(MS501)中，经原料气压缩机组(PC501)压缩升压至3MPa后升温至40℃，送入气液分离器(MS503)进行气液分离；如图2所示；

(3)尾气变压吸附：将步骤(2)气液分离后得到的气体送入吸附装置进行变压吸附；所述吸附装置中由7台吸附塔(AS501A～G)(操作温度为40℃，操作压力为3MPa)组成，所述吸附塔中含有吸附剂；所述变压吸附过程中通过DCS控制系统控制7台吸附塔轮流工作，其他吸附塔进行不同阶段的再生处理，所述再生处理依次包括均压降、顺放、逆放、冲洗均压升和终充步骤；所述再生处理过程得到可循环回收利用的解吸气；(4)氢气收集：经步骤(3)所述变压吸附后得到的氢气送入产品气缓冲罐中(MS502)，经精密过滤器过滤(FI501A/B)、产品氢气隔膜式压缩机(PC503A/B)压缩升压至20.5～22MPa后，装入产品氢气罐(MS506)中通过管道输送至装载车装载运输，如图3所示。

步骤(3)所述吸附剂包括活性氧化铝类吸附剂、活性炭类吸附剂、硅胶类吸附剂和分子筛类吸附剂；所述DCS控制系统包括顺序控制系统、常规PID控制系统、顺序控制结合曲线控制系统、联锁控制系统以及自适应优化控制系统。

步骤(3)所述解吸气送入解吸气缓冲罐(MS504)中，随后转移至解吸气混合罐(MS505)，经解吸气压缩机组(PC502)压缩升压至0.12MPa后进行回收利用，如图4所示。

经制备，原料尾气A的组成如图5所示，而本实施例所得氢气产品纯度高达99.999％，远达标与燃料氢气规格(GB/TT37244-2018)，产能高达10000Nm

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。