CN115321484A

CN115321484A - 一种二级压缩及吸附提纯氢气的系统及提纯氢气的方法和应用

Info

Publication number: CN115321484A
Application number: CN202210980512.3A
Authority: CN
Inventors: 王思源
Original assignee: Xebec Adsorption Shanghai Co Ltd
Current assignee: Xebec Adsorption Shanghai Co Ltd
Priority date: 2022-08-16
Filing date: 2022-08-16
Publication date: 2022-11-11

Abstract

本发明涉及一种二级压缩及吸附提纯氢气的系统及提纯氢气的方法和应用，所述系统包括依次连接的一级压缩机、一级变压吸附装置、二级压缩机和二级变压吸附装置；本发明通过二级压缩及变压吸附的联用，最终使得高杂质、较低含氢原料气经过处理，迭代计算，在满足高纯度产品氢的同时，氢气收率能≥95％，相比直接用一套变压吸附装置，或一级压缩及变压吸附的过程，收率提升至少10％，在实际生产应用中具有重要价值。

Description

一种二级压缩及吸附提纯氢气的系统及提纯氢气的方法和应用

技术领域

本发明涉及技术领域，尤其涉及一种二级压缩及吸附提纯氢气的系统及提纯氢气的方法和应用。

背景技术

氢能是一种绿色、高效的二次能源，虽然因目前还没有被大规模普及应用而不像电能一样为人们所熟知，但它却有着我们已知所有能源无可比拟的特点，而会很快成为解决未来人类社会能源问题的必然选择，是能源领域的未来之星，更是被业界专家称为“终极能源”。可再生性、效率和环境友好性等几个因素是氢能最显著的优势。“双碳”政策的提出，更是让冶金、航天、电子、玻璃、精细化工、能源等行业对氢能量的需求和纯度需求越来越高。

对比现阶段已有的几种提纯氢的工艺路线，在当我们产品气要求达到纯氢，高纯氢，甚至是超纯氢和电子工业用氢时，只有变压吸附装置，以其产品纯度可调性强、一次分离同时除去多种杂质组分的优点，在众多方法中脱颖而出，成为提纯高纯度氢的首选方法。而且该方法在提纯氢时，产品气的压力损失不大，也为后续工段节约了能耗。但其最大的一个问题是，产品气的氢收率普遍不高。

即使原料气本身氢气含量很高(H₂≥90％)，在将其提纯到纯氢，高纯氢，甚至是超纯氢和电子工业用氢时，氢收率一般也很难达到85％以上。

针对高杂质氢原料气，且要求产品氢达到较高纯度时，需要一种新的工艺来处理原料气来生产更高纯度的氢。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于现有的方法无法得到较高纯度的氢，针对现有技术中的缺陷，提供一种二级压缩及吸附提纯氢气的系统及提纯氢气的方法和应用。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种二级变压吸附提纯氢气的系统，所述系统包括依次连接的一级压缩机、一级变压吸附装置、二级压缩机和二级变压吸附装置。

本发明所述变压吸附装置(PSA)，是利用固体吸附剂对不同气体中的吸附选择性以及气体在吸附剂上的吸附量随其压力变化而变化的特性，在特定的压力下吸附，然后通过降低被吸附气体分压使被吸附气体解析的气体分离的装置。吸附塔(填装吸附剂)一般为非标设备，根据气量、气质，产品要求选择材质和尺寸。进一步地，本发明流程中所用的变压吸附装置是瑞必科净化设备(上海)有限公司独有的快周期变压吸附装置(rPSA)。

本发明提供的二级变压吸附提纯氢气的系统，通过二级压缩和变压吸附，在提纯高纯度氢原料气，使其达到更高标准时是有优势的(技术难度比其他方式小)，而且技术成熟。其次，尾气中的氢纯度比原料气略低，但仍具备很高的在提纯价值，故通过一套二级压缩和二级PSA最终的产品气回收率可以≥95％。只有一级PSA回收率很难≥85％。且二级PSA尺寸小于一级PSA尺寸。

在本发明中，原料气中氢气的含量在90％以上。

优选地，所述压缩机为隔膜压缩机；所述一级压缩机和二级压缩机的压缩比为2～3。

优选地，所述一级变压吸附装置为快周期变压吸附装置。

优选地，所述二级变压吸附装置为快周期变压吸附装置。

优选地，所述一级变压吸附装置和所述二级变压吸附装置中的控制阀均为电力驱动旋转阀。

本发明中，rPSA切换各个塔体吸附时序的控制阀采用电力驱动旋转阀，可以避免传统气动开关阀因频繁开关损坏执行器密封圈而造成停厂检修带来的损失，提高了整个变压吸附单元的可靠性。

由于采用先进、控制便捷的旋转阀(该旋转阀为申请号2020218317229中公开的变压吸附的无极控制阀组)，使得rPSA具有以下优点：

(1)旋转阀寿命更长，更可靠，已经过200多套沼气、氢气和氦气提纯装置逾3000万小时的运行验证；

(2)旋转阀可靠性高达99％以上，使得装置可用率高达96％以上，年运行可稳超8400小时；

(3)旋转阀可靠性高，其密封垫的检视更换周期约为5年左右，远远低于传统气动程控阀固有的维修量；

(4)由于采用旋转阀带来的快周期特性，使得装置减小，占地仅为传统PSA的1/4左右，这就减少了建设投资；

(5)由于采用旋转阀带来的快周期特性，使得装置减小，重量仅为传统PSA的1/5左右；

(6)由于采用旋转阀带来的快周期特性，还是得我们联合研发的吸附剂的动态吸附特性得以发挥；

(7)旋转阀采用功率极低(<500W)的变频电机驱动，比传统PSA的30到50个气动程控阀节省了大量的仪表空气(每个气动阀一小时约需一方仪表空气)；

(8)旋转阀采用变频电机驱动，使得周期的调节极为简便可靠，并可达成利用产品气浓度实测值与要求的设定值的差量进行旋转阀转速单变量调节控制；

因此，rPSA相比传统PSA的优势是操作简单、可靠性高、占地小、能耗低、自动化程度高等。应用到本申请中，整体的提纯过程操作更为件简便，自动化程度高，便于实际的工业化生产。

第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述的二级压缩及吸附提纯氢气的系统提纯氢气的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将原料气通入一级压缩机中，经过一级压缩后输送到一级变压吸附装置中进行一次提纯后得到一次产品气和一次尾气；

(2)将步骤(1)得到的一次尾气输送到二级压缩机中，经过二级压缩后输送到二级变压吸附装置中进行二次提纯得到二次产品气，同时产生二次尾气；二次产品气与一次产品气混合得到最终产品气，二次尾气排放出系统。

本发明在制备过程中，对于气体流速和温度没有特别要求。气体流速只要满足化工相关规范要求的流速即可，本领域技术人员通过常规的技术调节即可实现，例如碳钢常见的流速在15m/s以下。对于温度，一般只要保持在50℃下即可。

优选地，步骤(1)中所述压缩为将原料气压缩至压力为0.6MPaG～3MPaG。例如可以是0.6MPaG、1MPaG、1.5MPaG、2MPaG、2.5MPaG或3MPaG等。

优选地，步骤(2)中所述二级压缩为将原料气压缩至压力为0.6MPaG～3MPaG。

在本发明中，压力不能高于3MPaG，不能小于0.6MPaG，最优选的压力为1.7MPaG。在上述压力范围内，具有极好的吸附能力，若不在此压力段，无法保证产品气的纯度、收率。

优选地，步骤(1)中所述一级变压吸附装置进行一次提纯的流程依次包括吸附、均压、再生和增压。

优选地，步骤(2)中所述二级变压吸附装置进行二次提纯的流程依次包括吸附、均压、再生和增压。

本发明所述吸附、均压、再生和增压的过程具体如下：

(1)吸附

混合气进气向上流过吸附剂。在rPSA中使用了不同的吸附剂床层，从底部到顶层每种吸附剂选择性地脱除诸如N₂、CO₂、CH₄、CO、H₂O等杂质，得到高纯度的产品气。瑞必科工程团队将完成床层优化分析，以优化床层的填充计划，取得rPSA机组的最佳性能。

(2)均压

在吸附步骤结束时，该床吸附剂存储的气体被传送到另一床的吸附剂中回收气体，以对另一床中吸附剂再升压/吹扫，这样能提高系统的性能并节省能源。

(3)再生

在均压步骤之后，以三个基本的步骤再生吸附剂：

逆流吹扫：吸附剂逆流减压到尾气压力以去除杂质；

内部气吹扫：在尾气压力下，用来自另一个吸附床的内部储存气体逆流吹扫吸附剂；

产品气吹扫：在尾气压力下，用产品气逆流吹扫吸附剂以完全再生吸附剂。

(4)增压

在再生步骤结束时，已再生的吸附剂(使用其他吸附床中的储存气)通过两/三步均压增压以回收绝大部分的储存气。本步骤结束，吸附床进入重复吸附周期并净化进气。

第三方面，本发明提供了一种如第一方面所述的系统在混合气中氢气提纯中的应用。

实施本发明的，具有以下有益效果：

本发明通过二级压缩及变压吸附的联用，最终使得高杂质、较低含氢原料气经过处理，迭代计算，在满足高纯度产品氢的同时，氢气收率能高于95％，相比直接用一套变压吸附装置，或一级压缩及变压吸附的过程，收率提升至少10％。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的二级压缩及吸附提纯氢气的系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明以下实施例中所使用的变压吸附装置，为瑞必科自行研发的快周期变压吸附装置(rPSA)。1000m³的原料气中含有氢气为90％，氮气为10％，二者为体积的百分比。

实施例1

本实施例提供一种二级压缩及吸附提纯氢气的系统

本实施例提供的系统包括依次连接的一级压缩机、一级快周期变压吸附装置、二级压缩机和二级快周期变压吸附装置。

提纯氢气的具体方法为：

(1)将原料气通入一级压缩机中，压力为2MPaG，经过一级压缩后输送到一级快周期变压吸附装置中进行一次提纯后得到一次产品气和一次尾气；

(2)将步骤(1)得到的一次尾气输送到二级压缩机中，压力为2MPaG，经过二级压缩后输送到二级快周期变压吸附装置中进行二次提纯得到二次产品气，同时产生二次尾气；二次产品气与一次产品气混合得到最终产品气，二次尾气排放出系统。

实施例2

本实施例提供一种二级压缩及吸附提纯氢气的系统

提纯氢气的具体方法为：

(1)将原料气通入一级压缩机中，压力为3MPaG，经过一级压缩后输送到一级快周期变压吸附装置中进行一次提纯后得到一次产品气和一次尾气；

(2)将步骤(1)得到的一次尾气输送到二级压缩机中，压力为3MPaG，经过二级压缩后输送到二级快周期变压吸附装置中进行二次提纯得到二次产品气，同时产生二次尾气；二次产品气与一次产品气混合得到最终产品气，二次尾气排放出系统。

实施例3

本实施例提供一种二级压缩及吸附提纯氢气的系统

提纯氢气的具体方法为：

(1)将原料气通入一级压缩机中，压力为0.6MPaG，经过一级压缩后输送到一级快周期变压吸附装置中进行一次提纯后得到一次产品气和一次尾气；

(2)将步骤(1)得到的一次尾气输送到二级压缩机中，压力为0.6MPaG，经过二级压缩后输送到二级快周期变压吸附装置中进行二次提纯得到二次产品气，同时产生二次尾气；二次产品气与一次产品气混合得到最终产品气，二次尾气排放出系统。

实施例4

本实施例与实施例1的区别仅在于，将实施例1中使用的快周期变压吸附装置替换为变压吸附装置，得到最终产品气氢气。

实施例5

本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例中步骤(1)和步骤(2)的压缩机压力为1.7MPaG，得到最终产品气氢气。

对比例1

本对比例与实施例1的区别仅在于，本对比例仅使用一级快周期变压吸附装置，不使用二级快周期变压吸附装置，提纯得到最终产品气氢气。

将上述实施例中提供的氢气进行纯度和总回收率测试，具体的结果如下表1所示：

表1

样品	纯度(％)	总回收率(％)
			实施例1	99.999	96
实施例2	99.999	94
			实施例3	99.999	92
实施例4	99.999	90
			实施例5	99.999	97
对比例1	99.999	84

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种二级压缩及吸附提纯氢气的系统，其特征在于，所述系统包括依次连接的一级压缩机、一级变压吸附装置、二级压缩机和二级变压吸附装置。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述一级压缩机和所述二级压缩机均为隔膜压缩机；所述一级压缩机和二级压缩机的压缩比均为2～3。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述一级变压吸附装置为快周期变压吸附装置。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其特征在于，所述二级变压吸附装置为快周期变压吸附装置。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其特征在于，所述一级变压吸附装置和所述二级变压吸附装置中的控制阀均为电力驱动旋转阀。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的二级压缩及吸附提纯氢气的系统提纯氢气的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述一级压缩为将原料气压缩至压力为0.6MPaG～3MPaG；

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述一级变压吸附装置进行一次提纯的流程依次包括吸附、均压、再生和增压。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述二级变压吸附装置进行二次提纯的流程依次包括吸附、均压、再生和增压。

10.根据权利要求1-5中任一项所述的系统在混合气中氢气提纯中的应用。