一种高炉煤气电化学脱硫协同制氢系统及方法

技术领域

本发明属属于环保技术领域，涉及一种高炉煤气电化学脱硫协同制氢系统及方法。

背景技术

钢铁行业是能源消耗大户，碳排放量约占全社会排放总量的15％，因此如何减少钢铁行业碳排放量，实现节能减排成为了一项重要的研究课题。氢能具有热值高、能量密度高、产物清洁等优点，将氢能作为燃料或化工原料使用一方面可以减少煤炭等能源的使用，从而减少二氧化碳排放，另一方面还可以创造经济价值。

目前主流的制氢技术主要有焦炉煤气制氢、天然气制氢和电解水制氢。除此之外，高炉煤气中本身也含有较多的CO和少量水，专利CN 112374458A就公开了一种炼铁高炉煤气制氢的方法及装置。其原理在于将脱硫后的高炉煤气进行变压吸附后得到浓缩煤气，再将浓缩煤气的CO经水蒸气变换制氢。然而该方法从工艺流程上来说较为复杂，高炉煤气需先经过脱硫后才能制取氢气，且制氢过程消耗了高炉煤气中的CO，会对后续用户端煤气使用产生影响。因此能否实现一步式脱硫和制氢，且在不消耗CO的情况下保证剩余煤气仍能被用户端使用，则是一项突破性技术。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高炉煤气脱硫协同制氢系统及方法，能够在脱除高炉煤气中的硫化物的同时制取氢气，且不会对高炉煤气用户端产生影响。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高炉煤气电化学脱硫协同制氢系统，用于脱除高炉煤气中的硫化物并制取氢气，其特征在于：包括通过气体管道依次连接的转化系统、电化学脱硫系统以及变压吸附系统；

所述转化系统用于将高炉煤气中的有机物转化为硫化氢，其进气口连接高炉煤气管道，所述电化学脱硫系统具有至少一个电解槽，且电化学脱硫系统的进气口和出气口均设置在电解槽中；

所述电化学脱硫系统具有与双隔室电解槽电连接的电力系统，以向其供电，所述电化学脱硫系统还具有与双隔室电解槽通过液体管道连接的电解液储罐，以向其提供电解液，所述电化学脱硫系统还具有与双隔室电解槽通过液体管道连接的硫磺回收系统，以回收双隔室电解中的电解液。

进一步地，所述转化单元中具有水解催化剂或加氢催化剂，以将高炉煤气中的有机硫转化成硫化氢。

进一步地，所述阴离子膜为陶瓷膜和全氟磺酸膜。

进一步地，所述电解槽为双隔室电解槽，且所述双隔室电解槽具有阴离子膜和由阴离子膜分隔开的阴极室和阳极室，且电化学脱硫系统的进气口和出气口均设置在阴极室。

进一步地，所述双隔室电解槽中的电极为铂、铱、钨、铜、钌、钛或其混合物中的一种。

进一步地，所述电力系统采用光伏发电或风能发电。

进一步地，所述电解液储罐中储存的电解液为钾、钠、钙、镁盐的水合物或其混合物中的一种。

进一步地，所述硫磺回收系统与电解液储罐通过液体管道连接，且所述硫磺回收系统与电化学脱硫系统之间设有第一切断阀，所述电解液储罐与电化学脱硫系统之间设有第二切断阀，所述硫磺回收系统与电解液储罐之间设有第三切断阀。

一种高炉煤气电化学脱硫协同制氢方法，包括以下步骤：

1)预处理：首先将高炉煤气通过水解反应或加氢反应，将高炉煤气中的有机硫化物转化为硫化氢；

2)电化学脱硫反应：将经过预处理后高炉煤气在电解液中进行电化学反应，高炉煤气中的硫化氢通过电化学反应生成硫单质和氢气，所述氢气混入高炉煤气形成混合气体并排出电解液，硫单质则富集在电解液中；

3)后处理：通过低温分离法或者选择吸附法将从混合气体中将氢气与高炉煤气进行分离，并将富集在电解液中的硫单质进行回收。

进一步地，在步骤2)中，通过双隔室电解槽对预处理后高炉煤气进行电化学反应，所述双隔室电解槽具有阴离子膜和由阴离子膜分隔开的阴极室和阳极室，且进气和排气均在阴极室中进行。

本发明的有益效果在于：

本发明能够在脱除高炉煤气中的硫化物的同时制取氢气，且不会对高炉煤气用户端产生影响，脱硫生成的硫磺还可以进行资源化利用回收，具有高效便捷、低碳环保、经济性好等优势。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为实施例中一种高炉煤气脱硫协同制氢系统的结构示意图。

附图标记：1-转化系统，2-电化学脱硫系统，3-变压吸附系统，4-电力系统，5-电解液储罐，6-硫磺回收系统，7-第一切断阀，8-第二切断阀，9-第三切断阀。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1，为一种高炉煤气脱硫协同制氢系统，用于脱除高炉煤气中的硫化物并制取氢气，该系统包括转化系统1、电化学脱硫系统2、变压吸附系统3、电力系统4、电解液储罐5、硫磺回收系统6和第一切断阀7、第二切断阀8、第三切断阀9。

其中，所述转化系统1、电化学脱硫系统2以及变压吸附系统3通过气体管道依次连接，所述电力系统4连接电化学脱硫系统2以向其提供电力，所述电解液储罐5通过电解液进入管道连接电化学脱硫系统2以向其提供电解液，所述转化单元1中装填有水解催化剂或加氢催化剂，所述水解催化剂或加氢催化剂可将高炉煤气中的有机硫转化成硫化氢；

所述转化系统1具有进气口和出气口，其进气口连接高炉煤气管道，出气口连接电化学脱硫系统2的进气口，所述电化学脱硫系统2的出气口连接变压吸附系统3的进气口，所述变压吸附系统3具有进气口、煤气出口以及氢气出口，所述氢气出口连接氢气管道，煤气出口连接煤气管道。

所述硫化氢在电化学脱硫系统2通过电化学反应可直接生成硫单质和氢气，所述电化学脱硫系统2由单个或多个双隔室电解槽组成，所述双隔室电解槽具有隔膜和由隔膜分隔开的阴极室和阳极室，电化学脱硫系统2的进气口和出气口均设置在阴极室，以便于氢气的生成和排出。

电化学反应原理为：经过水解后的高炉煤气通过阴极室通入电解液后，先高炉煤气中的硫化氢被电解液吸收，形成离子态的H+和HS-或S2-，H+在阴极发生析氢反应生成氢气，HS-和S2-阳极发生析硫反应生成硫磺(硫单质)，中间的隔膜为阴离子膜，阴离子膜只能让S2-等阴离子通过到阳极发生反应生成硫磺并聚集在阳极室，以便于硫的集中回收。

具体的，所述隔膜为陶瓷膜和全氟磺酸膜，所述电极为铂、铱、钨、铜、钌、钛金属材料或其混合物。

所述电力系统4采用光伏发电或风能发电，所述电解液储罐5中储存的电解液为钾、钠、钙、镁盐的水合物或其混合物。

优选地，所述电化学脱硫系统2还通过电解液排出管道连接有硫磺回收系统6，以将电解液排出至硫磺回收系统6中进行硫磺回收。

优选地，所述硫磺回收系统6与电化学脱硫系统2之间设有第一切断阀7，所述电解液储罐5与电化学脱硫系统2之间设有第二切断阀8，所述硫磺回收系统6与电解液储罐5之间通过电解液管道连接并设有第三切断阀9，以将回收硫磺后的电解液排入电解液储罐5中。

采用上述高炉煤气电化学脱硫协同制氢系统的一种高炉煤气电化学脱硫协同制氢方法，该方法包含以下步骤：

1)预先开启电力系统4对电化学脱硫系统2进行供电，预先向转化系统1中装填一定量的水解催化剂或加氢催化剂，预选在电解液储罐5中装填一定量的电解液；

2)预先打开第二切断阀8，从电解液储罐5向电化学脱硫系统2注入一定量电解液，并关闭切断阀第一切断阀7和第三切断阀9；

3)系统开始进行脱硫工作时，高炉煤气依次通过转化系统1进行水解，使得高炉煤气中的有机硫转化为硫化氢，然后将混合有硫化氢的高炉煤气通入电化学脱硫系统2的阴极室，硫化氢在电化学脱硫系统2中进行电化学反应分别在阴极室生成氢气，阳极室生成硫磺(硫单质)，然后将混合有氢气的高炉煤气通过阴极室的出气口通入变压吸附系统3，然后将混合有氢气的高炉煤气在变压吸附系统3的作用下分离为氢气和净煤气，最终产生的氢气和净煤气分别排出；

电解液再生时，开启第一切断阀7，电化学脱硫系统2中排出的电解液通过硫磺回收系统6，硫磺被回收利用后，再开启第三切断阀9，电解液回流至电解液储罐，

4)并重复上述过程，即可实现高炉煤气脱硫和制氢的协同运行。

优选地，所述高炉煤气为钢铁企业高炉生产过程产生的真实工况高炉煤气。

需要说明的是，本申请中的关键在于，高炉煤气脱硫和制氢的协同进行的技术原理以及各系统的协同配合，而不再与各个子系统的结构组成，且所述转化系统1、电化学脱硫系统2、变压吸附系统3、电力系统4、电解液储罐5以及硫磺回收系统6的装置结构均为现有技术中的常规设置，能够在现有市场中直接购买，因此不在赘述其结构组成。

实施例1

本案例设计的高炉煤气电化学脱硫协同制氢系统及方法，用于A钢厂TRT前高炉煤气脱硫，煤气总流量为10万Nm

实施例2

本案例设计的高炉煤气电化学脱硫协同制氢系统及方法，用于B钢厂热风炉前高炉煤气脱硫，煤气总流量为40万Nm

由上述实施例可知，经本系统进行高炉煤气电化学脱硫协同制氢，脱硫效果好，产氢纯度高，可实现超低排放标准的同时节能减排，创造更高的经济价值。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，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，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。