電解氫氣干燥裝置的無壓再生工藝探索

黃登高1， 石勇2， 胡石林1， 阮浩1， 吳棟1， 竇勤成1， 尹玉國1，張麗1

(1.原子能科學(xué)研究院 ， 北京102413 ; 2.蘇州競立制氫設(shè)備有限責(zé)任公司 ， 江蘇 蘇州215100)

摘要：常用的氫氣純化工藝中干燥的氫氣露點(diǎn)只能達(dá)到-57 ℃，且波動(dòng)比較大，尤其是在兩干燥塔切換時(shí)露點(diǎn)一度上升到-43 ℃。本文針對(duì)水電解氫氣的干燥塔再生工藝進(jìn)行了探討，提出了一種新的改進(jìn)方法，將再生氣由原料氫氣改為產(chǎn)品氫氣，并且在原裝置上增加四個(gè)單向閥和兩個(gè)計(jì)量閥，獲得了一種新的無壓再生工藝。研究結(jié)果表明，新工藝大大降低了干燥塔再生能耗，產(chǎn)品氫氣露點(diǎn)能穩(wěn)定在-79℃，提高了產(chǎn)品氫氣的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：氫氣 ； 干燥 ； 再生 ； 露點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TQ050.2

收稿日期：2015-01-21

作者簡介：黃登高(1982- )，男，博士，從事制氫工藝研究工作，郵箱：hdg320@163.com。

在電力行業(yè)，氫氣因密度小、比熱容大、磨擦損耗小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地用作發(fā)電機(jī)的冷卻介質(zhì)[1-2]。但是，氫氣濕度對(duì)發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行影響很大[1]，而化工、冶金和電子工業(yè)對(duì)氫氣純度要求比較高[3]，它們都需要對(duì)氫氣進(jìn)行深度干燥。

氫氣干燥和純化的方法有多種[4]，其中水電解制備氫氣的純化包含脫氧裝置和干燥裝置。

常用的氫氣干燥工藝流程有兩個(gè)干燥塔，一個(gè)干燥塔在加熱下用氫氣吹掃再生，另一個(gè)干燥塔干燥氫氣[5]。正常工作后只能把氫氣的露點(diǎn)溫度降低到-57 ℃，并且不穩(wěn)定。當(dāng)兩塔切換時(shí)氫氣露點(diǎn)上升到-43 ℃，需要30～60 min才能再次下降到-57 ℃。為了獲得露點(diǎn)更低和更穩(wěn)定的氫氣，本文改進(jìn)了傳統(tǒng)的干燥塔有壓再生工藝，獲得一種結(jié)構(gòu)不復(fù)雜和能耗更低的干燥塔無壓再生工藝。

1工藝流程

常用的氫氣干燥工藝有有壓再生工藝和無壓再生工藝兩種。它們都有一個(gè)脫氧塔、兩個(gè)干燥塔、三個(gè)冷卻器和一些閥門組成。干燥塔內(nèi)部安裝了電加熱管、測(cè)溫鉑電阻和13X分子篩干燥劑，底部有防止分子篩流失的不銹鋼篩板及濾網(wǎng)。整個(gè)干燥過程中，兩種工藝的兩個(gè)干燥塔都周期性輪換進(jìn)行干燥氣體工作或干燥劑再生。

1.1有壓再生工藝

氫氣有壓再生工藝流程見圖1，該系統(tǒng)是原料氫氣吹掃的干燥塔加熱再生工藝，系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力為1.6 MPa。該工藝的特點(diǎn)是：當(dāng)有干燥塔需要再生時(shí)，所有氫氣經(jīng)脫氧和冷卻后都先作再生氣，再冷卻后通過工作的干燥塔干燥后得到產(chǎn)品氫氣(兩干燥塔中，始終有一個(gè)干燥塔在工作)。

為了簡述工藝流程，本文以干燥塔B(簡稱B塔)工作和干燥塔A(簡稱A塔)再生時(shí)為例，如圖1所示。原料氫氣在脫氧塔脫氧后，進(jìn)入冷卻器E冷卻，初步脫除水分，再由兩位三通氣動(dòng)球閥V3(內(nèi)有兩個(gè)管道，一次一個(gè)管道工作)和兩位四通氣動(dòng)球閥[6]V2(內(nèi)有兩組各兩個(gè)管道，一次一組管道工作)調(diào)度進(jìn)入A塔，吹掃塔中因加熱蒸發(fā)的干燥劑水分(工作時(shí)吸收的水分)，對(duì)A塔進(jìn)行再生。再生形成的濕熱氫氣由冷卻器A和B冷凝除水，再由B塔的干燥劑進(jìn)一步吸收水分，得到干燥的產(chǎn)品氫氣。產(chǎn)品氫氣通過兩位四通氣動(dòng)球閥V2調(diào)節(jié)流過氫氣過濾器，由調(diào)節(jié)閥V1調(diào)節(jié)流量及壓力后向用氫設(shè)備提供產(chǎn)品氫氣。冷卻器冷凝得到的水分通過閥門V4、V5和V6排放。當(dāng)A塔完成再生后，停止加熱，轉(zhuǎn)入吹冷階段；當(dāng)塔溫降到80 ℃，停止吹冷，調(diào)節(jié)兩位三通氣動(dòng)球閥V3，使氣體直接通過冷卻器B進(jìn)入B塔(此時(shí)沒有也不需要再生用氫氣)，而A塔處于待用過程。

B塔工作24 h后，對(duì)B塔再生，轉(zhuǎn)為A塔工作。

圖1　有壓再生工藝流程圖

這通過同時(shí)調(diào)節(jié)兩位三通氣動(dòng)球閥V3和兩位四通氣動(dòng)球閥V2來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)B塔開啟加熱，解吸此塔因工作而吸附的水分。此時(shí)氫氣的流向是通過閥門V3，再通過閥門V2后，流入到正在加熱的B塔；氣流帶走B塔干燥劑解吸附的水分，再通過冷卻器B及冷卻器A來冷凝氣體中的水分；冷凝后的氣體通過工作的A塔吸附氣體中殘余的水分后經(jīng)過濾器，由調(diào)節(jié)閥V1調(diào)節(jié)流量及壓力后向用氫設(shè)備提供產(chǎn)品氫氣。

1.2無壓再生工藝

無壓再生工藝流程見圖2，其裝置是在有壓再生工藝裝置的基礎(chǔ)上，加裝四個(gè)單向閥和兩個(gè)計(jì)量閥。該工藝的特點(diǎn)是：脫氧和冷卻后的所有氫氣都先經(jīng)過工作的干燥塔干燥后得到產(chǎn)品氫氣。當(dāng)另一個(gè)干燥塔需要再生時(shí)，取10%的產(chǎn)品氫氣為再生氣體。再生氣體通過計(jì)量閥調(diào)節(jié)后再通過單向閥進(jìn)入需再生的干燥塔，對(duì)加熱中的干燥塔進(jìn)行吹掃，吹掃之后的氫氣經(jīng)冷卻后放空。

為了方便說明，本文以干燥塔D(簡稱D塔)工作、干燥塔C(簡稱C塔)再生為例，其工藝流程如下：原料氫氣經(jīng)過脫氧塔脫氧及冷卻器F初步冷卻后，由兩位四通氣動(dòng)球閥V17調(diào)節(jié)通過冷卻器D再次冷卻后進(jìn)入D塔中干燥，得到產(chǎn)品氫氣。產(chǎn)品氫氣通過單向閥V8和氫氣過濾器，然后再通過氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥V13調(diào)節(jié)壓力后進(jìn)入用氫單元。當(dāng)C塔需要再生時(shí)關(guān)閉氣動(dòng)球閥V16，先打開氣動(dòng)球閥V18，使得C塔的壓力釋放為常壓。當(dāng)壓力釋放完畢后，再關(guān)閉V18，打開V16以便于觀察再生流量。此時(shí)計(jì)量閥V12調(diào)節(jié)10%的產(chǎn)品氫氣通過單向閥V10(C塔再生時(shí)4個(gè)單向閥里只有V10和V8通氣，此時(shí)用于D塔再生的單向閥V9和V7由于出口端氣壓更大，所以不通氣，計(jì)量閥雖是常開的，但單向閥不通氣，也就不會(huì)通氣)進(jìn)入處于再生狀態(tài)的C塔，吹走C塔中因加熱而解吸附干燥劑內(nèi)的水分。這些氫氣在冷凝后通過兩位四通球閥V17、球閥V16和流量計(jì)后排空。當(dāng)加熱C塔6 h后，停止加熱，進(jìn)入吹冷階段。當(dāng)塔溫降到80 ℃后，關(guān)閉球閥V16，對(duì)C塔進(jìn)行預(yù)壓，直到兩塔壓力平衡。

D塔工作24 h后，對(duì)D塔再生，使C塔工作。這通過切換兩位四通球閥V17而改變氫氣流向來實(shí)現(xiàn)。然后按C塔再生那樣操作，將D塔的壓力釋放為常壓。切換V17后，氫氣的流向改變了，氫氣通過冷卻器C再次冷凝初步去除水分后，再到C塔吸附氫氣中殘余的水分。得到的產(chǎn)品氫氣通過單向閥

圖2　無壓再生工藝流程圖

V7及氫氣過濾器后再通過調(diào)節(jié)閥V13調(diào)節(jié)壓力后進(jìn)入后續(xù)用氫單元。10%的再生氣體通過計(jì)量閥V11及單向閥V9后，進(jìn)入再生的D塔，吹走D塔中干燥劑因加熱而解吸附的水分。這些氫氣在冷凝后通過兩位四通球閥V17、球閥V16和流量計(jì)后排空。當(dāng)加熱D塔6 h后，停止加熱，進(jìn)入吹冷階段。當(dāng)塔溫降到80 ℃后，關(guān)閉球閥V16，對(duì)C塔進(jìn)行預(yù)壓，直到兩塔壓力平衡。

1.3再生實(shí)驗(yàn)條件

有壓再生工藝的再生用氫氣為冷卻后的原料氫氣，其露點(diǎn)為的冷卻水出口溫度(15～35 ℃，由季節(jié)決定)，氣壓為系統(tǒng)壓力(1.6 MPa)，干燥塔再生條件溫度為280 ℃，保持 8 h；或320 ℃，保持 9 h。再生完成后，把干燥塔吹冷到80 ℃。無壓再生工藝的再生用氫氣為10%的產(chǎn)品氫氣(露點(diǎn)-79 ℃)，氣壓為常壓，干燥塔再生溫度為110 ℃，保持6 h，然后吹冷到 80 ℃。

2結(jié)果和分析

有壓再生工藝的氫氣露點(diǎn)在正常工作后能夠達(dá)到-57 ℃，但當(dāng)兩個(gè)干燥塔切換工作/再生模式時(shí)，露點(diǎn)會(huì)上升到-43 ℃。無壓再生工藝的產(chǎn)品氫氣露點(diǎn)降低至-79 ℃，而且當(dāng)兩塔切換工作/再生模式時(shí)，露點(diǎn)比較穩(wěn)定。

干燥塔再生就是加熱干燥塔，使干燥劑吸附的水分受熱蒸發(fā)，再用再生氣體吹走水蒸氣，使干燥劑恢復(fù)了吸附能力。干燥劑恢復(fù)的吸附容量由它的干燥程度決定。根據(jù)再生程序，干燥塔先加熱通氣吹掃，再通氣冷卻。因此干燥塔的再生效果受再生氣體的露點(diǎn)、干燥塔加熱溫度和時(shí)間影響。而產(chǎn)品氫氣的露點(diǎn)除受干燥塔再生效果影響外，還受冷卻器冷卻效果和干燥塔中殘留氫氣的影響。

2.1再生溫度和保溫時(shí)間的影響

干燥塔的加熱溫度和時(shí)間都對(duì)干燥劑吸附的水分能否完全脫附存在影響。一般情況下，加熱溫度越高，水分脫附越快；加熱時(shí)間越長，水分脫附越多。

為了改善有壓再生工藝的干燥劑再生效果，將干燥塔再生溫度從280 ℃提高到320 ℃，同時(shí)保溫時(shí)間從8 h延長到9 h。結(jié)果表明，產(chǎn)品氫氣的露點(diǎn)沒有降低。這說明，有壓再生工藝的再生溫度、保溫時(shí)間是充足的，未能降低產(chǎn)品氫氣露點(diǎn)是該工藝的設(shè)計(jì)缺點(diǎn)導(dǎo)致的。

無壓再生工藝的干燥塔再生溫度為110 ℃，保溫時(shí)間為6 h，但該工藝的產(chǎn)品氫氣露點(diǎn)比有壓再生工藝更低、更穩(wěn)定。這說明，相對(duì)于有壓再生工藝，無壓再生工藝在更低能耗情況下，干燥劑的再生效果更好，干燥劑的干燥能力更強(qiáng)。

2.2再生用氣體露點(diǎn)的影響

有壓再生工藝的再生氣體是脫氧后冷凝的氣體，其露點(diǎn)受冷卻水溫度影響，通常工業(yè)冷卻水出口溫度一般為15～35 ℃。因此有壓再生工藝的再生氣體露點(diǎn)為15～35 ℃。而無壓再生工藝的再生氣體是經(jīng)過冷卻塔冷凝和干燥塔干燥的氣體，其露點(diǎn)為-79 ℃，因此，無壓再生的再生氣體更干燥。再生氣體干燥程度的差異導(dǎo)致兩種工藝的干燥劑再生程度不同，導(dǎo)致無壓再生的干燥劑吸附能力更強(qiáng)。由于干燥塔工作時(shí)，兩種工藝的原料氫氣的流速一樣，原料氫氣與干燥劑的接觸時(shí)間也一樣，因此，無壓再生工藝的產(chǎn)品氫氣露點(diǎn)更低。

2.3干燥塔工作條件的影響

一方面，冷卻水溫度越高，氫氣含水量越高，這都會(huì)導(dǎo)致兩工藝的干燥劑的吸附容量更快飽和。同時(shí)，由于冷卻后的氣體直接用于有壓再生工藝，會(huì)導(dǎo)致有壓再生工藝再生效果更差和露點(diǎn)更不穩(wěn)定。另一方面，處理的氫氣流速越快，氫氣與干燥劑接觸時(shí)間就越短，氫氣中水分被吸收就越少，得到的產(chǎn)品氫氣露點(diǎn)就越高。由于無壓再生工藝的再生氣體是產(chǎn)品氫氣，因此氫氣流速越快，無壓再生工藝的干燥劑再生效果就越差，比有壓再生工藝的干燥劑再生效果好。由于兩塔的工作條件一樣，故兩個(gè)工藝的產(chǎn)品氫氣的露點(diǎn)的差異不是冷卻器造成的。

2.4干燥塔待用時(shí)間的影響

有壓再生工藝的干燥塔再生用氣體是脫氧后僅冷卻器冷卻后的原料氫氣，再生結(jié)束后也暴露在同露點(diǎn)的原料氫氣下，因此，它的等待使用過程也是干燥劑不斷吸附靜止的原料氫氣的水分的過程。盡管待用時(shí)間內(nèi)干燥劑吸附靜止氣體的水分時(shí)間不快，但時(shí)間越長，干燥劑吸附的水分就越多，其吸附容量也越小，導(dǎo)致產(chǎn)品氫氣露點(diǎn)更高。而無壓再生的干燥塔待用過程，其再生氣體是產(chǎn)品氫氣，不存在干燥劑受污染的問題。

2.5冷卻器冷卻效果影響

進(jìn)入干燥塔的氫氣是冷卻水出口溫度下的水汽飽和氣體，因此，進(jìn)入干燥塔的氫氣的含水量取決于冷卻水出口溫度。冷卻后的氣體溫度越高，進(jìn)干燥塔的氣體水含量就越高，干燥塔的工作負(fù)擔(dān)就越大。因此，冷卻器的冷卻效果越好，產(chǎn)品氫氣露點(diǎn)就越低、越穩(wěn)定。

由于兩種工藝的冷卻塔、冷卻水溫度和流量是一樣的，因此，兩種工藝的產(chǎn)品氫氣露點(diǎn)的差異不是冷卻器造成的。

2.6干燥塔內(nèi)殘存氫氣的影響

有壓再生工藝的干燥劑再生后，干燥塔及其連接管道內(nèi)會(huì)一直保留有未被吸附的原料氫氣，這使得干燥塔從再生模式或待用狀態(tài)切換為干燥工作模式后，開始階段塔和管道內(nèi)原料氫氣未干燥，造成產(chǎn)品氫氣露點(diǎn)變高。

但在本文探討的無壓再生工藝中，由于再生用氫氣是干燥后產(chǎn)品氫氣，所以不存在兩塔切換工作造成的露點(diǎn)不穩(wěn)定問題。

3結(jié)論

本文在常用的干燥塔有壓再生工藝設(shè)備上增加四個(gè)單向閥和兩個(gè)計(jì)量閥，改變了再生氣體來源，得到干燥塔無壓再生工藝。研究結(jié)果表明，新工藝能耗低，獲得的產(chǎn)品氫氣露點(diǎn)更低、更穩(wěn)定。

干燥塔有壓再生工藝由于再生氣體露點(diǎn)高，塔內(nèi)有露點(diǎn)高的氣體，導(dǎo)致該工藝干燥劑再生效果差，得到的產(chǎn)品氫氣露點(diǎn)較高；同時(shí)，塔內(nèi)露點(diǎn)高的氣體的存在使得兩塔切換工作時(shí)產(chǎn)品氫氣露點(diǎn)不穩(wěn)定。相對(duì)于有壓再生工藝，無壓再生工藝的再生用氣體露點(diǎn)極低，使該工藝在低溫下短時(shí)間內(nèi)干燥劑再生效果就更好，獲得的氫氣露點(diǎn)更低；同時(shí)，無壓再生流程工藝塔內(nèi)沒有污染氣體，因此，獲得的氫氣露點(diǎn)更穩(wěn)定。因此無壓再生工藝是比有壓再生工藝更好的氫氣干燥工藝。

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