氢气纯化系统

氢气纯化系统

赵飞飞

陕西有色天宏瑞科硅材料有限责任公司  陕西  榆林  719000

摘要：介绍水电解纯化设备纯化干燥过程的原理，干燥塔三塔流程零排放，并对纯化系统装置故障及排除方法研究分析。一般氢气纯化干燥再生工艺中，干燥器再生时加热吹除和冷却吹除过程要排放含有水汽的氢气。其排放量为整个生产产品氢气气量10-15%，这就造成了能源的浪费增加利润生产成本。因为水电解制氢生产主要用电，生产一立方氢气需要消耗5-6度电。实现再生气零排放的经济效益非常可观。介绍干燥器干燥氢气纯化工艺，其再生气零排放工艺利用生产本身的动力进行再生循环，使用冷冻水降低再生气出口温度排除大量的水分，是干燥再生过程零排放工艺实现。

关键词: 氢气纯化   干燥器  

1 .概述

众所周知,氢是自然界中最轻的元素,氢元素虽然很多,但自然界中分子态的氢却极少，氢元素都存在于众多的化合物中,如水、石油、生物体。

氢的用途极广，几乎涉及到国民经济的各个领域:化工中作为原料气;电力中作为发电机的冷却剂;电子元器件生产中作为还原气、保护气;有色金属冶炼中作为还原气;液氢可作为航天动力燃料等等。特别是近年来，随着石油，煤等一次性用的化石燃料的日益枯竭，氢作为一种清洁的可再生的能源，已为各国政府及学者所认同，因为电解氢来源于水，使用后的产物仍是水，所以是取之不尽，用之不竭的，完全是零排放的清洁能源。自然界中存在有大量自然能，如水能，风能，太阳能等，这些能量都可以转化为电能，但电能是不可能储存的，如通过水电解，电能即可转化为化学能氢，而氢是可以储存的。氢作为一种理想的能源载体，前景可谓十分看好，所以人们在制氢技术,储氢材料及氢能的利用方面正在进行着开创性的工作。

2．氢气干燥工作原理

氢气干燥是把水电解制取的氢气，利用分子筛采用常温吸附法去除氢气中的水份。其原理如下：由于水分子具有很强的极性，利用分子筛对水的强亲和力的特性，当含有水份的氢气通过分子筛床时，其中所含的水份被分子筛吸附，达到氢气干燥目的。由于当分子筛吸附水达到饱合后，需要再生才能重新使用，故本系统采用加热再生的方法，将分子筛中吸附的水份解析，从而达到干燥系统连续使用的目的。

3．干燥器三塔流程及其纯化三塔流程

纯化流程图如下：

4． 氢气纯化原理及干燥系统

干燥部分按常温吸附法去除氢气中的水份，用电加热方法根据分子筛再生的原理实现系统内氢气干燥的目的。干燥系统主要脱氧器，冷却器，汽水分离器，氢气干燥塔A、B、C，过滤器、积液罐，阀门，管路，管件，一次仪表，框架等组成，纯化控制柜是控制部分的核心，可实现自动调节、显示、报警、联锁等功能。氢气纯化设备采用产品氢气再生方式无氢气放空。

干燥器内装有吸附容量大、耐温性好的干燥剂。三台干燥器交替工作、再生、吸附，以实现整套装置工作的连续性。下面介绍干燥再生系统。

一个切换周期中，干燥器工经历三个状态：

Z1： A工作，B再生，C吸附

Z2： B工作，C再生，A吸附

Z3： C工作，A再生，B吸附

注：对每个状态，原料氢气经脱氧、冷却、滤水后进入的第一个干燥器处于工作状态。处理气量全为气体，干燥器内加热器不工作，介质为未脱水的原料氢气；

进入第二个干燥器处于再生状态。处理气量根据调试确定—可能为部分气量：再生状态包括加热阶段和吹冷阶段；

加热阶段—干燥器内加热器工作，当上部温度达到联锁值或加热时间达到设定值后，自动停止加热；

吹冷阶段—干燥器停止加热后，气流继续按原路流过干燥器，以使干燥器降温，直至干燥器切换至工作状态；

干燥器处于再生阶段时介质为经过脱水的干燥氢气；

进入第三个干燥器处于吸附状态。处理气量全气体，干燥器内加热器不工作，介质为再生用氢气。

以Z1状态为例，对干燥器的工作流程加以说明。

经过脱氧、降温、滤水处理过的氢气经气动三通球阀、气水分离器、冷却器，由干燥器A下部接口进入，容器内氢气所含有的饱和水蒸气被干燥剂吸附，干燥的氢气由干燥器A上部流出，经气动三通球阀后分为两路，一路流向干燥器B，另一路经截止阀进入产品气管道；两路的气量分配通过截止阀调节，一般情况下该截止阀处于关闭状态，全部气量都流向干燥器B，当处于再生状态的干燥器加热连锁时间超过4H，并且电加热元件万好时，可适当调节截止阀开度，使加热连锁时间小于4H即可；

由于干燥器A流出的高纯干燥氢气经气动三通球阀从干燥器B上部接口进入干燥器B，在B内加热器元件自动启动，氢气经电加热器加热升温，然后流经干燥剂床层，干燥剂上吸附的水分与热的氢气接触，以水蒸气形式从干燥剂上脱附，随氢气一同经干燥器B的下部接口流出；

较热的氢气和水蒸气混合气体进入冷却器C，氢气及被其带出的水蒸气被冷却，冷凝水随氢气一起流入气水分离器C后与氢气分离，冷凝水定期自动经排水阀排除系统；

被冷却的氢气经气动三通球阀、气动三通球阀、气水分离器D、冷却器D由干燥器C下部接口进入，氢气中含有的饱和水蒸气被干燥剂吸附，干燥后的氢气由干燥器C上部接口流出，经气动三通球阀进入过滤器，氢气中含有的粉尘被滤除，最终合格的产品氢气流出纯化装置；

Z1状态中当干燥器B连锁温度达到设定温度值或加热持续时间达到设定值后，电加热元件断电，不再加热氢气，干燥器B进入吹冷阶段。

当Z1状态运行总时间达到8H时，干燥器B再生结束，由程序控制，干燥器A、B、C，自动切换为Z2状态。Z2、Z3状态同Z1状态运行一样。

5．纯化系统装置故障及排除方法

纯化（干燥）装置主要由脱氧器、干燥器、冷却器、汽水分离器、气体过滤器及各种阀门管道组成。

（1）脱氧器

脱氧器再生加热的方法有内部加热和外部加热方式，可以采用电加热，也可以采用蒸汽加热。采用不同的加热方式时，容器的结构也由差异。QCY型纯化（干燥）装置的脱氧器采用内热式加热方式，由不锈钢电热元件和铂电阻测温元件来进行加热和控制温度，拖延催化剂再生时再生气流和工作气流同向。

   （2）干燥器

   其结构和脱氧器完全一样，不同的是吸附剂再生时，再生气流和工作气流相反 。

（3）冷却器

冷却器为列管式冷却器，管内通冷却水，管见通气体，并装有折流板，以增加传热效果。冷却水流向和气体流向一般采用逆流。

   （4）汽水分离器

    汽水分离器为不锈钢容器，其内部结装有不锈钢丝网和滤芯，其主要作用是除去气体中游离的液滴。

   （5）气体过滤器

气体过滤器为不锈钢容器，内部装有组合式气体过滤芯，主要作用是滤去夹带的微小粒装物质。

结论

综上所述：纯化系统在水电解制氢中由卓不可替代的地位，岁着光伏产业的不断扩大的市场前景，同时为了适应半导体用多晶硅生产的高纯度要求，研究和完善水电解制氢纯化系统设备进一步降低生产氢气的电耗，进一步提高氢气纯度是今后发展的趋势。

参考文献

[1]《汽轮发电机漏水、漏氢的检验》DL/T607-1996.

［2］国家核安全局.福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求［S］．北京:国家核安全局，2012.

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