零排放氫氣純化器的工藝過程和運行分析①

劉京華,安 剛,曹 建

(北京航天試驗技術(shù)研究所 ,北京 100074）

·工藝與設(shè)備·

零排放氫氣純化器的工藝過程和運行分析①

劉京華,安 剛,曹 建

(北京航天試驗技術(shù)研究所 ,北京 100074）

零排放電解氫氣純化器在氫氣純化過程中再生氫氣不排放,極大地降低了能源消耗,是值得推廣的氫氣純化技術(shù)。著重介紹了我所研制的零排放電解氫氣純化器的工藝過程、主要工藝設(shè)備的特點和調(diào)試及生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)分析。調(diào)試和生產(chǎn)運行證實零排放純化器生產(chǎn)工藝滿足產(chǎn)品氫氣質(zhì)量要求,完全達到設(shè)計技術(shù)指標(biāo)。

零排放;氫氣;純化器;工藝過程

電解氫氣純化器廣泛應(yīng)用在航空、航天、電子、電力等領(lǐng)域。在普通的純化器中將電解原料氫氣脫氧干燥純化成高純氫氣的純化過程中要排放約10%～15%的再生氫氣,這就造成了能源的浪費和生產(chǎn)成本的提高。目前我國政府廣泛宣傳節(jié)能減排政策,為了節(jié)能減排、降低生產(chǎn)成本,我所研制了零排放電解氫氣純化器。

1 零排放電解氫氣純化器的工藝設(shè)計技術(shù)參數(shù)

處理氣體電解氫氣;工作壓力≤1.6M Pa;氫氣處理量≤600 Nm3/h;原料氫含氧量≤2000× 10-6;原料氫含 40℃飽和水蒸氣;產(chǎn)品氫氣氧含量≤1×10-6;產(chǎn)品氫氣露點≤-70℃;再生氫氣零排放。

2 零排放電解氫氣純化器工藝流程示意圖和安裝結(jié)構(gòu)布置圖

3 主要工藝過程

氫氣除氧過程:主要設(shè)備包括脫氧器和脫氧回?zé)崞鳌?/p>

氫氣冷卻除水過程:主要設(shè)備包括一個冷卻水換熱器、兩個冷凍水換熱器、三個氣液分離器以及冷卻水和冷凍水設(shè)備。

氫氣吸附干燥過程:包括主吸附過程和再生吸附過程。主要設(shè)備包括三個干燥吸附塔、再生加熱器、再生回?zé)崞饕约安顗赫{(diào)節(jié)系統(tǒng)、流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)和再生氫氣冷凍除水設(shè)施。

吸附塔是三塔輪換工作,依次進行吸附—再生—再生吸附,24 h一個周期。

主吸附過程:大部分的原料氫氣除氧后經(jīng)主吸附塔吸附干燥得到產(chǎn)品氫氣。

再生過程加熱 10 h,冷吹 10 h,靜置 4 h。再生氫氣流量 70～110 Nm3/h。

再生吹除的氫氣經(jīng)加熱器加熱至 350℃進入需再生的吸附塔,進行再生吹除,吸附塔出口的再生氫氣進再生回?zé)崞鹘禍?降溫后再進冷凍水換熱器冷凝析出明水,經(jīng)氣液分離器排出明水,分離后的氫氣進入再生吸附塔,吸附干燥得到產(chǎn)品氫氣。

4 主要工藝設(shè)備介紹

脫氧器:用于除去電解氫氣中含有的氧。脫氧器高徑比＞ 4。內(nèi)裝鈀觸媒催化劑,使用條件常溫,空速 ≤8000 h-1,催化反應(yīng)殘氧量≤1×10-6,氫氣通過脫氧器的平均溫度 82℃。

脫氧回?zé)崞?將原料氫氣與脫氧反應(yīng)后的 80℃左右的氫氣進行熱交換,提高反應(yīng)溫度,進一步提高脫氧效率。

脫氧后的氫氣進入冷卻水換熱器、冷凍水換熱器。由于脫氧后的氫氣含有大量的水分,必須采用冷凝的方法冷凝出大量的水分。冷卻水換熱器將脫氧后的氫氣降溫至冷卻水溫度。冷凍水換熱器將氫氣繼續(xù)降溫至 10℃。經(jīng)過兩級氣液分離器分離排放大部分的明水。再生吹除的氫氣是不排放的,必須經(jīng)回?zé)崞鹘禍?、冷凍水換熱器冷卻至 13℃。

干燥吸附器:用于吸附原料氫氣中帶來的水分和氫氧化合產(chǎn)生的水分。吸附器高徑比＞ 5。內(nèi)裝分子篩干燥劑。吸附器共有三個。吸附器再生過程中氫氣入口溫度 350℃,加熱過程中出口溫度可達260℃,以保證整個吸附塔的再生效果。

再生加熱器:再生加熱器用于加熱再生的氫氣。再生氫氣加熱器采用流態(tài)型電加熱器,氫氣直接經(jīng)電熱管加熱,效率高且易控制。由一個加熱器分別給三個吸附器加熱。加熱器電控柜可實現(xiàn)本控和遠(yuǎn)控的功能。

再生吸附回?zé)崞?為了回收熱量和降低再生氫氣出口溫度,設(shè)計了套管式換熱器,回?zé)崞鞒隹跉錃鉁囟瓤傻陀?100℃,防止了冷卻水的大量氣化并提高了回?zé)崞鞯膿Q熱效率。

氣液分離器:脫氧后的原料氫經(jīng)兩級冷卻水換熱器冷卻,再經(jīng)兩級氣液分離器分離并排出明水。再生吹除的氫氣亦經(jīng)冷凍水換熱器冷卻和氣液分離器分離并排出明水。

在線露點分析系統(tǒng):露點傳感器安裝在現(xiàn)場。二次儀表在控制間,二次儀表可以顯示露點溫度值和 ppm含量?？伤统?4～20mA的信號給 PLC進行顯示,可直接顯示產(chǎn)品氫氣的露點。

工藝系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu):由于場地限制,純化器采用2600mm×2800mm×31500mm框架式結(jié)構(gòu),積木式安裝,脫氧器部分和氫氣進出部分采用手動控制。干燥器干燥吸附、加熱再生部分采用程序自動控制,執(zhí)行機構(gòu)由氣動球閥和高溫氣動截止閥完成。全部氫氣管線、閥門、設(shè)備均采用 304不銹鋼材料。

高溫氣動截止閥的使用:再生氫氣由一個高溫流態(tài)加熱器給三個吸附器加熱,涉及到高溫氫氣的切換問題,為保證高溫氫氣條件下閥門不泄漏氫氣,采用特殊結(jié)構(gòu)的氣動截止閥。

排水器的使用:氫氣冷卻過程中冷凝出的明水經(jīng)三個氣液分離器向外排出。從安全考慮,為確保排水時不向廠房內(nèi)排放氫氣,我們設(shè)計了排水器,將水與氫氣的混合氣經(jīng)透明管路匯流排水器,氫氣經(jīng)放空管放空,水經(jīng)排水器自動排放至地溝。

控制系統(tǒng):控制系統(tǒng)采用西門子公司的PLC200,由觸摸屏進行人機交流通訊、顯示和控制整個純化過程?？刂苹芈酚刹顗嚎刂苹芈?、流量控制回路和溫度控制回路組成。所有氣動閥門均由PLC程序自動控制。

5 調(diào)試過程和生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)分析

氫氣純化器安裝完成,在未裝吸附劑和脫氧劑的情況下進行氮氣氣密性檢查,徹底解決系統(tǒng)閥門、管路和設(shè)備的泄漏問題。

在確認(rèn)系統(tǒng)氣密性良好的情況下,將吸附劑和脫氧劑裝入系統(tǒng)。在氮氣條件下進行再生過程的閥門、管路和設(shè)備的再生溫度的檢驗,加熱器和吸附器應(yīng)達到再生溫度和加熱再生的時間。整個氫氣純化系統(tǒng)恢復(fù)常溫后,重新緊固閥門和設(shè)備的法蘭連接件,以保證系統(tǒng)氣密性。同時在氮氣狀態(tài)下調(diào)試PLC控制程序。

純化器相關(guān)系統(tǒng)正常后,全系統(tǒng)進行氫氣置換。在氫氣狀態(tài)進行考核性運行。

氫氣純化器進行氫氣狀態(tài) 72 h試生產(chǎn)運行。每個吸附塔按程序依次進行吸附—再生—再生吸附過程,同時對系統(tǒng)的工藝過程和控制過程進行考核。

經(jīng)運行證實氫氣系統(tǒng)差壓可在 0.1～0.2M Pa范圍調(diào)整。再生氫氣流量依產(chǎn)品氫氣流量可進行70～110m3/h的調(diào)節(jié)。加熱器溫度控制設(shè)定在 350℃,在生產(chǎn)運行中溫度控制實現(xiàn) ±1℃的控制精度。

再生過程 24 h一個周期。再生加熱時間 10 h,冷吹時間 10 h,靜置 4 h。加熱過程在 10 h內(nèi)吸附器出口溫度依再生氫氣流量可達 250～260℃,冷吹時間內(nèi)出口溫度可達常溫,完全滿足工藝要求。

冷凍水換熱器氫氣經(jīng)氣液分離器出口溫度≤10℃,再生冷凍水換熱器氫氣經(jīng)氣液分離器出口溫度≤13℃。保證了氫氣氣液分離的效果。由于再生脫附的水分的釋放是突發(fā)性的,所以要仔細(xì)考慮氣液分離器的放液間隔和時段頻次,以保證分離出的液體及時排放。

脫氧回?zé)崞鞯氖褂锰岣吡嗣撗跗鳒囟?提高了脫氧效果。

再生回?zé)崞鳉錃獬隹跍囟?＜85℃,保證了再生氫氣冷凍水換熱器的正常使用。

在生產(chǎn)運行過程中產(chǎn)品氫氣分析,O2含量≤1 ×10-6,N2含量 ≤5×10-6(色譜分析）,露點 ≤-72℃ (在線和現(xiàn)場分析）。

6 結(jié) 論

(1）零排放氫氣純化器在生產(chǎn)運行過程中再生氫氣不排放,真正實現(xiàn)了氫氣零排放,節(jié)能降耗效果顯著。

(2）加入脫氧回?zé)崞魈岣吡嗣撗跛拇呋磻?yīng)溫度,脫氧效果顯著,產(chǎn)品氫氣含氧量分析≤1 ×10-6。

(3）吸附塔運行效果:在純化器生產(chǎn)運行期間露點儀現(xiàn)場分析、在線露點分析均≤-72℃。證明純化器的吸附干燥效果是好的,零排放的方法是可行的。

(4）加熱再生過程在壓差控制在 0.1～0.2 M Pa的壓差狀態(tài)下再生氫氣流量可在 70～100 Nm3/h范圍內(nèi)調(diào)整,在加熱期間吸附塔出口溫度可達 250～260℃,滿足分子篩再生溫度要求。

(5）吸附器再生加熱過程中氣液分離器的放液時段和頻次是保證吸附塔正常工作的重要因素,必須合理安排。

(6）綜上所述,零排放電解氫氣純化器的設(shè)計合理,產(chǎn)品氫氣達到設(shè)計技術(shù)指標(biāo)。實現(xiàn)了電解氫氣純化過程氫氣零排放,節(jié)能減排效果明顯,大大降低了生產(chǎn)運行成本。零排放電解氫氣純化器技術(shù)先進,達到了國內(nèi)水電解氫氣純化設(shè)備的先進水平。

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[3]曲彩云 .管道與管道附件 [M]//.機械設(shè)計手冊 .北京:機械工業(yè)出版社,2007.

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[5]貢克勤 .西門子 PLC編程技術(shù)及過程應(yīng)用 [M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

The Techno logy Process And Da ta Ana lysis of Zero-Ven t Hydrogen Pur ifica tion Equ ipm en t

L IU Jing-hua,AN Gang,CAO Jian
(Beijing Institute of Aerospace Testing Techno logy,Beijing 100074,China）

There isno regeneration hyd rogen ventingwhen the zero-ventelectro lysishydrogen purification equipm entwo rks. This k ind of hyd rogen purification technique iswo rth generalizing as it saves energy,reduces ven ting and decreasesproduction cost.This artic le introduced the techno logy process,the function ofm ain device and process data analysisof the zero venting hyd rogen purification equipm ent researched and developed by our institute.The equipm ent debugging and wo rking data show s that the equipm enthas satisfied the quality requirem entofproduction hyd rogen and accordedw ith the design target.

zero-vent;hyd rogen;purification equipm ent;technology process

TQ116.2+1

B

1007-7804(2010）01-0010-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2010.01.003

2009-07-03

劉京華,男,54歲,1977年畢業(yè)于浙江大學(xué)化工自動化與儀表專業(yè),高級工程師。在航天領(lǐng)域長期從事低溫工程、低溫試驗和工業(yè)氣體純化技術(shù)的工程應(yīng)用研究工作。