CN108328577A - 一种氢气纯化器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢气纯化器，包括主体提纯装置、自动控制器、换热装置和废气处理装置；主体提纯装置包括进气管、进气泵、进气阀、进气截止阀、反应罐、排气截止阀、排气阀、排气泵、排气管、旁路阀、换向气管、排气换向阀和废气排气管；反应罐包括反应罐外壁、反应罐夹层、反应罐内壁、储氢合金反应床体、压力表和过滤器；换热装置包括热水箱、冷水箱、双向水泵和换热器，本发明的氢气纯化器利用储氢合金的材料特性进行氢气提纯，装置体积小巧，成本低廉，工艺简单，可直接在线或离线使用，相比其他氢气纯化方法有很大优势。

Description

一种氢气纯化器

技术领域

本发明涉及氢气纯化技术领域，具体是一种氢气纯化器。

背景技术

氢气作为一种十分重要的工业原料和一种洁净的能源，它广泛应用于石油化工、电力、冶金等行业，随着科学技术的飞速发展，各行各业对氢气的纯度都提出了越来越高的要求。

氢气具有导热性高、流动性强、密度小、不助燃等优点，是目前大型汽轮发电机主要采用的冷却介质，而发电机中氢气的纯度直接影响着机组运行的安全性和经济性。氢气是一种极易爆炸的危险品，当空气中的氢气含量在4.1%-74.2%之间时，混合气体即为爆炸性气体正常机组运行时氢气纯度应保证在95%以上；另外氢气纯度下降还会增加通风损耗，致使发电机效率下降，发电机容量越大，风磨损耗随氢气纯度下降而增大的影响就越大。因此，控制好运行机组的氢气品质是确保氢冷发电机安全经济运行的重要前提。

然而,很多电厂经常出现发电机运行时氢气纯度下降过快的问题,仅仅靠频繁补氢来弥补纯度的损失,对机组的安全运行是有潜在风险的,同时也会造成一定的经济损失。此外，还有一些工业上常用的氢气纯化方法，如吸收法、深冷法、吸附法、膜分离法等。但这些氢气纯化方法或是设备笨重，或是工艺复杂，或是成本高昂，或是维护繁琐，都有或多或少的不足之处。

储氢合金是一类能够可逆地吸收和释放氢气的材料，在一定温度下，储氢合金可以吸收氢气合成金属氢化物，加热升温后，金属氢化物又能够释放氢气还原为储氢合金。这种储氢合金可以重复利用，而且储氢能力很强，单位体积储氢的密度，是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍，因此采用储氢合金研制的设备体积可以十分小巧轻便。利用储氢合金对氢原子有特殊的亲和力，和对其他气体杂质择优排斥的特性，可以使提纯后的氢纯度高于99.9999%以上。这种氢气纯化方法，设备小巧、成本低廉、操作简便、安全稳定，具有十分重要的社会效益和经济意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氢气纯化器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种氢气纯化器，包括主体提纯装置、自动控制器、换热装置和废气处理装置；

所述主体提纯装置包括进气管、进气泵、进气阀、进气截止阀、反应罐、排气截止阀、排气阀、排气泵、排气管、旁路阀、换向气管、排气换向阀和废气排气管，反应罐的内腔中安装有储氢合金反应床体和换热器，反应罐的两侧分别安装有与其连通的进气管和排气管，进气管上由左向右依次安装有进气泵、进气阀和进气截止阀，排气管上由左至右依次安装有排气截止阀、排气阀和排气泵，进气管和排气管之间还设有一旁管路，旁管路两端分别接入进气阀与进气截止阀之间的进气管和排气截止阀与排气阀之间的排气管上，旁管路上安装有旁路阀；

所述换热器的两端分别通过水管与热水箱和冷水箱连接，且水管上安装有双向水泵，排气管的末端通过排气换向阀分流为排气口和废气排气管，排气管与用氢设备连接，废气排气管与废气处理装置连接；

所述反应罐上还安装有用于测量反应罐内部压力的压力表。

作为本发明进一步的方案：所述进气管和排气管与反应罐之间均安装有过滤器。

作为本发明再进一步的方案：所述反应罐为由反应罐外壁、反应罐夹层和反应罐内壁组成的三层结构。

作为本发明再进一步的方案：所述反应罐外壁采用刚性材料制成，反应罐内壁采用柔性材料制成，反应罐夹层采用具有缓冲功能的弹性结构材料制成。

作为本发明再进一步的方案：所述换热器由多根均匀排布在反应罐腔体内的换热水管组成，储氢合金反应床体包裹在换热器每根换热水管的四周，形成蜂窝状结构。

作为本发明再进一步的方案：一种氢气纯化器，还包括自动控制器，自动控制器负责氢气纯化器的信号检测和电气控制，自动控制器检测压力表的压力信号和热水箱及冷水箱的温度信号，自动控制器控制进气泵、排气泵和双向水泵的启停及方向，自动控制器控制进气阀、进气截止阀、排气阀、排气截止阀、排气换向阀和旁路阀的开关及方向，自动控制器控制热水箱和冷水箱的温度保持。

作为本发明再进一步的方案：多个所述主体提纯装置并联，且多个所述主体提纯装置共用进气管和排气管。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的氢气纯化器利用储氢合金的材料特性进行氢气提纯，装置体积小巧，成本低廉，工艺简单，可直接在线或离线使用，相比其他氢气纯化方法有很大优势。同时，独特的双向进气排气设计可有效抑制储氢合金粉末的单向聚积，大幅提高储氢合金纯化效率，减少设备维护工作，增强系统安全可靠性。不仅如此，废气处理装置进一步增加氢气纯化器的安全性能，有效避免环境污染和人身伤害。

附图说明

图1为一种氢气纯化器的结构示意图。

图2为一种氢气纯化器中反应罐的截面示意图。

图中：1-主体提纯装置，2-自动控制器，3-热水箱，4-冷水箱，5-废气处理装置，6-反应罐，7-反应罐外壁，8-反应罐夹层，9-反应罐内壁，10-储氢合金反应床体，11-换热器，12-压力表，13-过滤器，14-进气管，15-进气泵，16-进气阀，17-进气截止阀，18-排气截止阀，19-排气阀，20-排气泵，21-排气管，22-旁路阀，23-换向气管，24-排气换向阀，25-废气排气管，26-双向水泵。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

请参阅图1～2，本发明实施例中，一种氢气纯化器，包括主体提纯装置1、自动控制器2、换热装置和废气处理装置5；

所述主体提纯装置1包括进气管14、进气泵15、进气阀16、进气截止阀17、反应罐6、排气截止阀18、排气阀19、排气泵20、排气管21、旁路阀22、换向气管23、排气换向阀24和废气排气管25，反应罐6的内腔中安装有储氢合金反应床体10和换热器11，反应罐6的两侧分别安装有与其连通的进气管14和排气管21，进气管14上由左向右依次安装有进气泵15、进气阀16和进气截止阀17，排气管21上由左至右依次安装有排气截止阀18、排气阀19和排气泵20，进气管14和排气管21之间还设有一旁管路，旁管路两端分别接入进气阀16与进气截止阀17之间的进气管14和排气截止阀18与排气阀19之间的排气管21上，旁管路上安装有旁路阀22，用于灵活的控制气体的流向；

所述换热器11的两端分别通过水管与热水箱3和冷水箱4连接，且水管上安装有双向水泵26，用于和储氢合金反应床体10发生热交换，排气管21的末端通过排气换向阀24分流为排气口和废气排气管25，排气管与用氢设备连接，废气排气管25与废气处理装置5连接；

所述反应罐6上还安装有用于测量反应罐6内部压力的压力表12。

所述进气管14和排气管21与反应罐6之间均安装有过滤器13，过滤器13能够有效过滤氢气中的储氢合金粉末。

所述反应罐6为由反应罐外壁7、反应罐夹层8和反应罐内壁9组成的三层结构。

所述反应罐外壁7采用刚性材料制成，反应罐内壁9采用柔性材料制成，反应罐夹层8采用具有缓冲功能的弹性结构材料制成。

所述换热器11由多根均匀排布在反应罐6腔体内的换热水管组成，储氢合金反应床体10包裹在换热器11每根换热水管的四周，形成蜂窝状结构，换热效率高。

一种氢气纯化器，还包括自动控制器2，自动控制器2负责氢气纯化器的信号检测和电气控制，自动控制器2检测压力表12的压力信号和热水箱3及冷水箱4的温度信号，自动控制器2控制进气泵15、排气泵20和双向水泵26的启停及方向，自动控制器2控制进气阀16、进气截止阀17、排气阀19、排气截止阀18、排气换向阀24和旁路阀22的开关及方向，自动控制器2控制热水箱3和冷水箱4的温度保持。

多个所述主体提纯装置1并联，且多个所述主体提纯装置1共用进气管14和排气管21，通过控制多个主体提纯装置1依次连续往复工作，就能实现系统的连续供氢，主体提纯装置1的并联个数视系统用氢流量而定。

本发明的工作原理是：

氢气纯化器的进气管14接至所需提纯的氢源，排气管21接至用氢设备，在经过氢气纯化器后可得到高纯度氢气。具体提纯过程由以下两个阶段交替进行：

反应罐6正向气流提纯过程：在此阶段首先打开进气泵15从进气管14抽取所需提纯氢气，同时打开进气阀16和进气截止阀17，关闭旁路阀22和排气截止阀18，让氢气从进气管侧进入反应罐6，这时双向水泵26反向抽水，将冷水箱4的冷水抽送至热水箱3，换热器11处于低温状态，进入反应罐6的氢气和储氢合金反应床体10充分反应生成金属氢化物，反应同时放出大量热量，由换热器11中的冷水带走至热水箱3，其余杂志气体则仍处于气态，残留在反应罐6腔体中；当自动控制器2检测压力表12的气压达到一定压力后，关闭进气泵15、进气阀16和进气截止阀17，停止进气，待储氢合金反应床体10和氢气充分反应完后，打开排气泵20、排气阀19和排气截止阀18，排气换向阀24切换排气方向至废气排气管25，此时将反应罐6内的残余混合气体经排气管侧排出至废气处理装置5，经废气处理装置5做进一步环保处理后，排出氢气纯化器；当自动控制器2检测压力表12的气压达到一定负压后，关闭排气泵20、排气阀19和排气截止阀18，停止废气排放，然后双向水泵26正向抽水，将热水箱3的热水抽送至冷水箱4，换热器11处于高温状态，金属氢化物经过加热释放出氢气，反应同时需要从换热器11中的热水吸收大量热量，经冷却的热水被抽送至冷水箱4，此时再次打开排气泵20、排气阀19和排气截止阀18，排气换向阀24切换排气方向至排气管21，储氢合金反应床体10释放的高纯氢气从排气管侧排出反应罐6，经排气管21输送至用氢设备，排气管侧的过滤器13可以有效过滤气流中夹杂的储氢合金粉末，保证输出高纯度氢气；当自动控制器2检测压力表12的气压达到一定负压后，关闭排气泵20、排气阀19和排气截止阀18，停止氢气输送，准备进入下一反应罐6反向气流提纯过程。

反应罐6反向气流提纯过程：在此阶段首先打开进气泵15从进气管14抽取所需提纯氢气，同时打开进气阀16、旁路阀22和排气截止阀18开启，关闭排气阀19和进气截止阀17，让氢气从排气管侧反向进入反应罐6，这时双向水泵26反向抽水，将冷水箱4的冷水抽送至热水箱3，换热器11处于低温状态，进入反应罐6的氢气和储氢合金反应床体10充分反应生成金属氢化物，反应同时放出大量热量，由换热器11中的冷水带走至热水箱3，其余杂志气体则仍处于气态，残留在反应罐6腔体中；当自动控制器2检测压力表12的气压达到一定压力后，关闭进气泵15、进气阀16、旁路阀22和排气截止阀18，停止进气，待储氢合金反应床体10和氢气充分反应完后，打开排气泵20、排气阀19、旁路阀22和进气截止阀17，排气换向阀24切换排气方向至废气排气管25，此时将反应罐6内的残余混合气体经进气管侧反向排出至废气处理装置5，经废气处理装置5做进一步环保处理后，排出氢气纯化器；当自动控制器2检测压力表12的气压达到一定负压后，关闭排气泵20、排气阀19、旁路阀22和进气截止阀17，停止废气排放，然后双向水泵26正向抽水，将热水箱3的热水抽送至冷水箱4，换热器11处于高温状态，金属氢化物经过加热释放出氢气，反应同时需要从换热器11中的热水吸收大量热量，经冷却的热水被抽送至冷水箱4，此时再次打开排气泵20、排气阀19、旁路阀22和进气截止阀17，排气换向阀24切换排气方向至排气管21，储氢合金反应床体10释放的高纯氢气从进气管侧反向排出反应罐6，经排气管21输送至用氢设备，进气管侧的过滤器13可以有效过滤气流中夹杂的储氢合金粉末，保证输出高纯度氢气；当自动控制器2检测压力表12的气压达到一定负压后，关闭排气泵20、排气阀19、旁路阀22和进气截止阀17，停止氢气输送，准备进入下一反应罐6正向气流提纯过程。

储氢合金反应床体10在经过多次吸放氢气后，会逐渐粉化成细小粉末，氢气的输送会带动合金粉末朝气流方向聚积，长此以往不仅可能造成过滤器13的堵塞，还会减少氢气与合金的接触面积，影响储氢合金反应床体10的反应效率。本发明的氢气纯化器的氢气提纯工艺是由反应罐6正向气流提纯过程和反应罐6反向气流提纯过程交替进行的，这可以使反应罐6内的氢气流动方向交替改变，从而避免了合金粉末的单向聚积，有效解决过滤器堵塞和反应效率下降的难题。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种氢气纯化器，其特征在于，包括主体提纯装置、自动控制器、换热装置和废气处理装置；

所述主体提纯装置包括进气管、进气泵、进气阀、进气截止阀、反应罐、排气截止阀、排气阀、排气泵、排气管、旁路阀、换向气管、排气换向阀和废气排气管，反应罐的内腔中安装有储氢合金反应床体和换热器，反应罐的两侧分别安装有与其连通的进气管和排气管，进气管上由左向右依次安装有进气泵、进气阀和进气截止阀，排气管上由左至右依次安装有排气截止阀、排气阀和排气泵，进气管和排气管之间还设有一旁管路，旁管路两端分别接入进气阀与进气截止阀之间的进气管和排气截止阀与排气阀之间的排气管上，旁管路上安装有旁路阀；

所述换热器的两端分别通过水管与热水箱和冷水箱连接，且水管上安装有双向水泵，排气管的末端通过排气换向阀分流为排气口和废气排气管，排气管与用氢设备连接，废气排气管与废气处理装置连接；

所述反应罐上还安装有用于测量反应罐内部压力的压力表。

2.根据权利要求1所述的一种氢气纯化器，其特征在于，所述进气管和排气管与反应罐之间均安装有过滤器。

3.根据权利要求1所述的一种氢气纯化器，其特征在于，所述反应罐为由反应罐外壁、反应罐夹层和反应罐内壁组成的三层结构。

4.根据权利要求3所述的一种氢气纯化器，其特征在于，所述反应罐外壁采用刚性材料制成，反应罐内壁采用柔性材料制成，反应罐夹层采用具有缓冲功能的弹性结构材料制成。

5.根据权利要求1所述的一种氢气纯化器，其特征在于，所述换热器由多根均匀排布在反应罐腔体内的换热水管组成，储氢合金反应床体包裹在换热器每根换热水管的四周，形成蜂窝状结构。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种氢气纯化器，其特征在于，还包括自动控制器，自动控制器负责氢气纯化器的信号检测和电气控制，自动控制器检测压力表的压力信号和热水箱及冷水箱的温度信号，自动控制器控制进气泵、排气泵和双向水泵的启停及方向，自动控制器控制进气阀、进气截止阀、排气阀、排气截止阀、排气换向阀和旁路阀的开关及方向，自动控制器控制热水箱和冷水箱的温度保持。

7.根据权利要求6所述的一种氢气纯化器，其特征在于，多个所述主体提纯装置并联，且多个所述主体提纯装置共用进气管和排气管。