一种氢气净化提纯系统
技术领域
本发明涉及氢气净化提纯技术领域，尤指一种氢气净化提纯系统。
背景技术
在当今情况下，化石能源枯竭和环境污染正日益加剧，而氢气燃烧等质量的热量是传统化石能源的3～5倍，且来源广泛，可通过电解水、化石燃料转化、生物质分解有机物等方法制取。氢气和氧气进行反应只生成水，水又可以循环使用，因此，氢能源能进行可持续发展优势明显，并且更加经济和节能。
高纯氢气获取主要通过氢气制备和氢气提纯两个过程，而高纯氢气广泛应用在氢燃料电池、色谱分析、电子、冶金、石油化工等各个领域。高纯氢气的原料气常来源工业副产氢气，蒸汽重整制氢和电解水制氢等。常用的提纯方法包括，变压吸附技术，深冷分离技术和膜分离技术。基于金属钯及钯合金膜(以下简称钯膜)的提纯方式，对氢气具有很好的选择性，理论上除氢气以外的任何气体都不能透过钯膜。钯膜透氢的机理要求原料气和钯膜本体工作温度需高于300℃，且温度的稳定性会影响到对钯膜提纯性能，变压吸附可提纯得到高纯氢气，但存在设施设备较大，占地面积大，投资较多，且回收率低等缺点；深冷分离技术具有提纯氢气纯度不高，能源利用率低，设备复杂等缺点。基于钯膜分离的方式，集成度较高、体积小，提纯效率高，有利于高纯氢气的提纯。
专利申请号201310195928.5和201410742418.X中涉及的提纯方法采用的钯膜技术进行提纯，适用于原料氢气纯度较高的场合。上述方式提纯手段较为单一，不能满足原料气的低纯度要求；且CO含量小于1.0ppm，难以满足氢燃料电池要求。
发明内容
本发明将解决现有技术中氢气提纯的纯度不够的技术问题，提供一种氢气净化提纯系统。
本发明提供的技术方案如下：
一种氢气净化提纯系统，包括依次连通的增压单元、过滤装置、一级提纯单元、换热单元以及二级提纯单元，所述增压单元上设有用于通入原料气的进气口，原料气经过所述增压单元、所述过滤装置、所述一级提纯单元、所述换热单元和所述二级提纯单元进行提纯，其中，所述二级提纯单元为钯膜分离器，所述一级提纯单元用于去除对金属钯膜有害的气体。
在本技术上方案中，通过增设一级提纯单元,一级提纯单元对过滤装置过滤的气体进行提纯，去除气体对钯膜有害的物质，以使气体在经过二级提纯单元时，二级提纯单元能够更好的对气体进行提纯，使得提纯后的气体纯度更高。
优选地，还包括氢气冷却器和尾气冷却器，所述氢气冷却器与所述二级提纯单元的氢气排出口连通，所述尾气冷却器与所述二级提纯单元的尾气排出口连通，提纯后的氢气进入所述氢气冷却器，尾气进入所述尾气冷却器。
优选地，所述二级提纯单元包括若干单根钯膜，若干所述单根钯膜串联或者并联；
或，
所述二级提纯单元为多通道钯膜分离器。
在本技术方案中，二级提纯单元可由若干单根钯膜串联或者并联形成，也可以由多通道钯膜分离器构成，以使在对气体进行提纯时，能够增加气体与钯的接触面积，能够更好的去除气体中杂质，提高氢气的纯度。
优选地，还包括去CO装置，所述去CO装置位于所述二级提纯单元和所述氢气冷却器之间，且分别与所述二级提纯单元和所述氢气冷却器连通，用于去除所述二级提纯单元输出的提纯后的氢气中的CO。
在本技术方案中，通过增设去CO装置，去CO装置对二级提纯后的气体进一步处理，去除二级提纯后氢气中的CO气体，以使经过去CO装置后的气体中的氢气纯度更高，经过所述去CO装置后的氢气中CO含量小于0.2ppm。
优选地，还包括压力控制器，所述压力控制器与所述尾气冷却器连通。
在本技术方案中，通过增设压力控制器，压力控制器用于控制尾气排放，在氢燃料电池在水下使用时，可以实现带压排放。
优选地，还包括第一尾气排放路径和第二尾气排放路径；
所述第一尾气排放路径由所述二级提纯单元、所述去CO装置和尾气冷却器依次连通形成的，用于对所述去CO装置供热；
所述第二尾气排放路径由所述二级提纯单元、所述换热单元、尾气冷却器依次连通形成的，用于对所述换热单元中的原料气进行预热。
在本技术方案中，通过设置第一尾气排放路径和第二尾气排放路径，以使二级提纯单元排放出来的尾气分别经过第一尾气排放路径，对去CO装置进行供热，同时部分尾气经过第二尾气排放路径对换热单元中的原料气进行预热，使尾气中的废热能够再利用，达到节能的效果，同时，废热直接对原料气进行预热，缩短了预热的时间，以加快气体提纯的效率。
优选地，还包括尾气燃烧装置，所述尾气燃烧装置一端与所述二级提纯单元连通，另一端分别与第一尾气排放路径和所述第二尾气排放路径连通，用于燃烧所述二级提纯单元输出的尾气，并将高温烟气通过所述第一尾气排放路径通入到所述去CO装置内，通过所述第二尾气排放路径通入到所述换热单元内。
在本技术方案中，通过增设尾气燃烧装置，将二级提纯单元中排放出的尾气进行燃烧，以将尾气中的可燃气体燃烧掉，一方面使得排放的尾气更加环保，另一方面充分利用尾气提供热量，达到节能的效果。
优选地，所述一级提纯单元包括过滤机构和去油滤芯，所述过滤机构与所述去油滤芯串联。
优选地，所述过滤机构为前级活性炭或5A分子筛。
优选地，所述过滤装置为精密空气过滤器。
与现有技术相比，本发明提供的一种氢气净化提纯系统具有以下有益效果：
1、本发明通过在二级提纯单元前，增设一级提纯单元，对原料气进行初步过滤，去除原料气中对二级提纯单元有害的物质，使二级提纯单元在处理原料气时，能够达到更好的处理效果，提高氢气的纯度。
2、本发明通过增设去CO装置，在二级提纯单元后增设的去CO装置会对提纯后的气体进一步纯化，除去气体的微量的CO，以使氢气的纯度会更高。
3、本发明通过设置第一尾气排放路径和第二尾气排放路径，以充分利用含有废热的尾气，将尾气中的废热进入到去CO装置中，用于对去CO装置进行供热，以使去CO装置能够更好的去除气体中的CO；同时尾气进入换热单元，用于对进入换热单元的原料气进行预热，以保证原料气能够在最短的时间加热到所要温度，以缩短氢气的提纯，提高提纯的效率。
4、本发明通过在二级提纯单元的尾部增设尾气燃烧装置，通过设置的尾气燃烧装置将二级提纯单元中排放的尾气进行燃烧，以将尾气中的可燃气体燃烧掉，一方面使得排放的尾气更加环保，另一方面充分利用尾气提供热量，达到节能的效果。
5、本发明通过设置压力控制器，以使该装置在水下使用的时候，能够实现带压排放，以达到更好的排放效果，从而不影响整个提纯装置的在水下工作。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种氢气净化提纯系统的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1是本发明的一种氢气净化提纯系统结构示意图；
图2是本发明的单根金属钯膜分离器结构示意图；
图3是本发明的多通道金属钯膜分离器结构示意图；
图4是本发明的另一实施例结构示意图；
图5是本发明另一实施例结构示意图；
图6是本发明另一实施例结构示意图；
图7是本发明另一实施例结构示意图。
附图标号说明：1、增压单元；2、过滤装置；3、一级提纯单元；4、换热单元；5、二级提纯单元；6、去CO装置；7、氢气冷却器；8、尾气冷却器；9、压力控制器。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
根据本发明提供的一种实施例，如图1所示，一种氢气净化提纯系统，包括依次连通的增压单元1、过滤装置2、一级提纯单元3、换热单元4、二级提纯单元5以及氢气冷却器7，二级提纯单元5上连通有尾气冷却器8，增压单元1上设有用于通入原料气的进气口，原料气经过增压单元1、过滤装置2、一级提纯单元3、换热单元4和二级提纯单元5提纯后，提纯的氢气进入氢气冷却器7，尾气进入尾气冷却器8，其中，二级提纯单元5为钯膜分离器，一级提纯单元3用于去除对金属钯膜有害的气体。
原料氢气通过进气口进入，而后通过增压单元1进行增压后，进入到过滤装置2中进行过滤，在本实施例中，增压单元1采用压缩机或者增压泵等进行串联或者并联进行增压，也可采用离心式、活塞式隔膜式等增压泵，将原料气从0.1MPa增压到3.0MPa，而进入过滤装置2后去除原料气中大于0.1μm的颗粒杂质；具体的，过滤装置2为精密空气过滤器。过滤后的原料气进入一级提纯单元3中，去除对钯膜金属有害的气体，具体的，一级提纯单元3包括过滤机构和去油滤芯，过滤机构与去油滤芯串联。过滤机构为前级活性炭或5A分子筛。经过一级提纯单元3提纯后的气体再进入到换热单元4中，换热单元4对原料气升温到300-500℃，而在本实施例中，对原料气进行升温到400℃左右，具体的，换热单元4可采用电加热器加热气体，或选用换热器结构，可选用套管式、管壳式、板式换热器等。换热单元4能将原料气最高加热到500℃，维持原料气温度400℃左右。通入到二级提纯单元5中，具体的，二级提纯单元5包括若干单根钯膜，如图2所示，单根金属钯膜分离器包括钯管主体、钯膜主体和密封件，通过钯膜主体进行氢气提纯，钯管主体为不锈钢的外套管，具体提纯时，含氢气体通过钯管主体进入到腔体，而后通过钯膜主体进行氢气提纯，尾气则通过密封件进行排放，具体的实施时，可以将若干单根钯膜串联或者并联；或者二级提纯单元5为多通道钯膜分离器，如图3所示，将单根钯管主体做成多通道形式，图3中为三个通道，在具体实施时，钯膜通道可大于或者等于三个，在本实施例中不限定钯膜通道的具体数量，增大钯膜的比表面积，减少整体体积，经过二级提纯后的氢气通入到氢气冷却器7进行冷却，尾气进入尾气冷却器8进行冷却，在本实施例中，氢气冷却器7和尾气冷却器8可以采用盘管式、套管式或管壳式换热器，满足尾气和高纯氢气冷却达到常温。
本实施例中的装置可用于体积和重量受限场合，同时去除余热利用设施设备，优化系统复杂程度、质量和体积，在实施时，提纯所需的原料气不含或较少含有汞、砷化物、卤化物、油蒸汽、硫、磷和粉尘等。
如图4所示，在本发明的另一实施例中，与上述实施例不同的是还包括去CO装置6，去CO装置6位于二级提纯单元5和氢气冷却器7之间，且分别与二级提纯单元5和氢气冷却器7连通，用于去除二级提纯单元5输出的提纯后的氢气中的CO。本实施例中增加去CO装置6，进一步对钯膜提纯后的氢气提纯去除微量的CO，满足氢燃料电池的CO含量要求，在本实施例中，去CO装置6采用化学反应器或者其它物理除CO装置等。反应器形式可采用套管式、列管式、管壳式换热器或单根管道形式。反应器中装填催化剂，当钯膜提纯后的氢气通入去CO装置6，高纯氢气中微量的CO在催化剂的作用下，与氢气发生化学反应生成甲烷，经过去CO装置6后的氢气中CO含量小于0.2ppm，满足氢燃料电池氢气供给的纯度要求，本实施例与上述实施例不同的是，本实施例中的装置适用于氢气燃料电池的高纯度氢气净化提纯。
如图5所示，在本发明的另一实施例中，与上述实施例不同的是还包括压力控制器9，压力控制器9与尾气冷却器8连通，本实施例中增设的压力控制器9，使该装置适用于带压排放的氢燃料电池的高纯度氢气净化提纯，增设的压力控制器9能够实现对尾气压力的控制，具体的，可采用但不限于针型阀结合压力传感器，背压阀或者安全阀等形式。该设计特别适用于尾气排放需要进行带压操作工况。
如图6所示，在本发明的另一实施例中，与上述实施例不同的是，还包括第一尾气排放路径和第二尾气排放路径；第一尾气排放路径由二级提纯单元5、去CO装置6和尾气冷却器8依次连通形成的，去CO装置化学方式将CO和氢气反应生成甲烷，该反应温度较高，需要初始进行加热；用于对去CO装置6供热；第二尾气排放路径由二级提纯单元5、换热单元4、尾气冷却器8依次连通形成的，用于对换热单元4中的原料气进行预热。
原料气透过二级提纯单元5(钯膜分离器)分为两股气体：一股提纯的高纯氢气继续进入去CO装置6中，去除微量的CO，CO含量小于0.2ppm，最后进入高纯氢气冷却器7冷却，通过出气口进行收集或进入氢燃料电池系统；另一股尾气分为两路对余热和能量继续回收利用，一路进入换热单元4对原料气进行预热，另一路为去CO装置6供给热量，最后两路汇合进入到尾气冷却器8中进行冷却，最后终尾气排放通过压力控制器9控制排放压力，实现带压排放。
如图7所示，在本发明的另一实施例中，与上述实施例不同的是还包括尾气燃烧装置，尾气燃烧装置一端与二级提纯单元5连通，另一端分别与第一尾气排放路径和第二尾气排放路径连通，用于燃烧二级提纯单元5输出的尾气，并将高温烟气通过第一尾气排放路径通入到去CO装置6内，通过第二尾气排放路径通入到换热单元4内，本实施例中增设的尾气燃烧装置将钯膜分离器的尾气进行燃烧，由于钯膜提纯后还有少部分氢气未进行回收，氢气的热值较大，燃烧后获取的热量比尾气余热利用更多，相比较上述实施例而言，尾气燃烧后的高温烟气通入到换热单元4和去CO装置6中，能进一步提升能源利用效率，并减少有毒、有害污染气体排放，经过提纯后得到99.9999％的高纯氢气，且CO小于0.2ppm；
在本实施例中，采用前级过滤和多级提纯的方式，能实现低纯度原料气的净化提纯，可直接在前端连接蒸汽重整原料气或工业副氢气等。其次，通过多根钯膜分离器串联或并联，或者多通道钯膜分离器能实现不同气量的氢气提纯，并结合去CO装置6能实现氢气中CO含量满足氢燃料电池要求。氢气回收率大于75％，提纯气体量大于15m3/h。整个流程能够将原料氢气进行过滤，去杂质，初步提纯，而后升温至300～500℃进入到二级提纯单元5，透过钯膜提纯后再去除微量的CO，得到超高纯氢气。再次，将二级提纯单元5中的尾气排放进行余热利用，进一步提高能源利用率。最后，通过压力控制器9能够实现尾气带压排放，满足水下动力系统或者其它类似操作工况。该流程具有结构紧凑，操作简单，成本廉价，节能减排等优点综合上述优点，该流程对于工程应用具有实际的经济价值。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
