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CN114497656A - 工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统及方法 - Google Patents

工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统及方法 Download PDF

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CN114497656A CN202011266443.7A CN202011266443A CN114497656A CN 114497656 A CN114497656 A CN 114497656A CN 202011266443 A CN202011266443 A CN 202011266443A CN 114497656 A CN114497656 A CN 114497656A
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Abstract

本发明公开了一种工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统及方法。所述工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统包括：依次通过管路连接的第一分离净化单元、第一压力调节单元、第二分离净化单元、第一变压吸附单元、第二压力调节单元、第二变压吸附单元和回用解吸气处理单元；所述第二变压吸附单元还与所述第一压力调节单元连接，以将所述第二变压吸附单元输出的产品气输送回第一压力调节单元进行循环吸附处理，所述第一变压吸附单元还与氢燃料电池堆单元连接。本发明提供的系统和方法工业附加值高、分离净化成本低、杂质去除率高、可实现满足回用条件的气体回收二次利用、耦合氢燃料电池发电并网使用。

Description

工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统及方法
技术领域
本发明特别涉及一种工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统及方法，属于机械技术领域。
背景技术
近年来，在国家相关部委的推动下，我国氢能产业在产业化和规模化发展方面取得了重大突破，氢能产业进入前所未有的加速发展阶段。中国具有丰富的氢能供给经验和产业基础，经过多年的工业积累，中国已是世界上最大的制氢国，初步评估现有工业制氢产能为2500万吨/年，可为氢能及燃料电池产业化发展初期阶段提供低成本的氢源。
当前，氢的制取技术主要有三种比较成熟的路线：一是以煤炭、石油、天然气为代表的化石能源重整制氢；二是以焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢为代表的工业副产提纯制氢；三是以电解水制氢为代表的可再生能源制氢；其中，化石能源重整制氢具有污染、而且会排出二氧化碳等温室气体；电解水制氢成本高，采用市电生产，制氢成本高达30～40元/千克，且电解水制氢1千克的碳排放量高达35.84千克，是化石能源重整制氢单位碳排放的3～4倍，工业副产氢可满足短期需求的低成本分布式氢源，主要分布在钢铁、化工等行业，主要来源包括焦炉煤气制氢、氯碱副产品制氢、轻烃裂解副产氢等几种方式，因副产氢纯度较低、成分复杂，目前这种混合废气通常只有燃烧这种低效利用途径，甚至直接送到火炬排空，一是造成环境污染，二是造成资源浪费。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统及方法，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统，其包括：依次通过管路连接的第一分离净化单元、第一压力调节单元、第二分离净化单元、第一变压吸附单元、第二压力调节单元、第二变压吸附单元和回用解吸气处理单元；
以及，所述第二变压吸附单元还与所述第一压力调节单元连接，以将所述第二变压吸附单元输出的产品气输送回第一压力调节单元进行循环吸附处理，所述第一变压吸附单元还与氢燃料电池堆单元连接；
其中，所述第一分离净化单元至少用于除去含氢废气中的焦油、挥发性有机物及碳原子数为2的有机化合物中的至少一种杂质，所述第二分离净化单元至少用于除去含氢废气中的氧气和/或水分，所述第一变压吸附单元和第二变压吸附单元至少用于分离出产品气和满足回用条件的解吸气；
所述第一压力调节单元、第二压力调节单元至少用于调节管路中气体的输送压力；
所述回用解吸气处理单元至少用于收集储存解吸气；
所述氢燃料电池堆单元至少用于将所述产品气转化为电能。
本发明实施例还提供了一种工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电的方法，其包括：
1)将含氢废气经除尘处理后输入包括除焦油机构、除挥发性有机物机构的第一分离净化单元中，以脱除含氢废气中的焦油、挥发性有机物及碳原子数为2的有机化合物；
2)将预处理后的混合气体的压力调节至0.8-2.2Mpa后输入包括脱氧机构、脱水机构的第二分离净化单元中，以将混合气体中的O2含量降至1ppm以下，水分含量降至0.5％以下；
3)将脱水后的混合气体输入包含多个吸附塔的第一PSA变压吸附机构中进行变压吸附处理，将第一PSA变压吸附机构中非吸附相的产品气输入氢燃料电池堆单元中进行发电，其中，所述产品气中H2含量≥99.97％、CO含量≤0.2ppm的产品气；
4)将第一PSA变压吸附机构产生的解吸气的压力调节至0.6Mpa后输入第二PSA变压吸附机构进行变压吸附处理，将第二PSA变压吸附机构中非吸附相的产品气的压力调节至0.8-2.2Mpa后输入第二分离净化单元中，将第二PSA变压吸附机构中的解吸气输入原生产流程再次循环利用。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1)本发明实施例提供的一种工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统，资源利用率高，废气中的氢及可以回用的气体等有效气处理率达到100％、处理后的可以回用的气体回燃气管网继续利用，处理后合格的氢气用于燃料电池发电，清洁无污染，满足环保及能源可持续发展的要求；
2)本发明实施例提供的一种工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电方法，工艺简单，采用净化前处理和两级PSA耦合联用技术，实现了工业含氢废气的精密净化，从而达到氢燃料电池发电的需要，工艺简单，经济效益显著；
3)本发明实施例提供的一种工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电方法，环保清洁，相比于现有的燃烧和直排工艺，该技术更加清洁、环保，真正实现无污染物排放，实现化工废气的最清洁高效利用；
4)本发明实施例提供的一种工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电方法，处理成本低廉、处理效率高、无二次污染、所需设备规模小、工艺放大较容易，与传统含氢废气处理方法相比能最大限度的回收提纯氢资源。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电方法的流程示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明立足于工业含氢废气氢含量较低、杂质复杂的特点，提供了一种工业废气净化提纯氢气，并且耦合高效氢燃料电池清洁发电的工艺技术和方法，实现废气资源利用，并且回收纯化满足回用条件的气体，最大程度实现废气综合利用，实现环保与能源高效综合利用，具有重大的经济和社会效益。
本发明实施例提供了一种工业附加值高、分离净化成本低、杂质去除率高、可实现满足回用条件的气体回收二次利用、耦合氢燃料电池发电并网使用的系统和方法，解决工业含氢废气氢含量较低、杂质复杂、有用气体无法回收利用的问题，具有清洁、安全、高效等优点。
本发明实施例提供了一种工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统，其包括：依次通过管路连接的第一分离净化单元、第一压力调节单元、第二分离净化单元、第一变压吸附单元、第二压力调节单元、第二变压吸附单元和回用解吸气处理单元；
以及，所述第二变压吸附单元还与所述第一压力调节单元连接，以将所述第二变压吸附单元输出的产品气输送回第一压力调节单元进行循环吸附处理，所述第一变压吸附单元还与氢燃料电池堆单元连接；
其中，所述第一分离净化单元至少用于除去含氢废气中的焦油、挥发性有机物及碳原子数为2的有机化合物中的至少一种杂质，所述第二分离净化单元至少用于除去含氢废气中的氧气和/或水分，所述第一变压吸附单元和第二变压吸附单元至少用于分离出产品气和满足回用条件的解吸气；
所述第一压力调节单元、第二压力调节单元至少用于调节管路中气体的输送压力；
所述回用解吸气处理单元至少用于收集储存解吸气；
所述氢燃料电池堆单元至少用于将所述产品气转化为电能。
进一步的，所述第一分离净化单元包括除焦油机构和/或除挥发性有机物机构。
进一步的，所述第一分离净化单元还包括第一气体缓冲机构，所述除焦油机构、除挥发性有机物机构、第一气体缓冲机构依次通过管路连接，所述第一气体缓冲机构还与所述第一压力调节单元连接。
进一步的，所述第一气体缓冲机构包括缓冲罐或气囊。
进一步的，所述第一压力调节单元和第二压力调节单元均包括增压压缩机、稳压阀组、减压阀组中的任意一者或两者以上的组合。
进一步的，所述第二分离净化单元包括脱氧机构和/或脱水机构。
进一步的，所述脱氧机构包括脱氧塔，所述脱水机构包括脱水塔。
进一步的，所述第一变压吸附单元和第二变压吸附单元均包括PSA变压吸附机构。
进一步的，所述PSA变压吸附机构包括至少一个吸附塔和至少一个缓冲罐，所述吸附塔和缓冲罐通过管路连接。
进一步的，所述回用解吸气处理单元包括依次串连的第二气体缓冲机构和第一减压机构，所述第一减压机构还与燃料气管网连接。
进一步的，所述第二气体缓冲机构包括缓冲罐或气囊，所述第一减压机构包括减压阀组。
进一步的，所述氢燃料电池堆单元包括质子交换膜氢燃料电池和与之配套的水系统、气系统。
进一步的，所述第一变压吸附单元还经产品气处理单元与所述氢燃料电池堆单元连接，所述产品气处理单元至少用于收集、释放产品气；
进一步的，所述产品气处理单元包括第三气体缓冲机构和第二减压机构，所述第三气体缓冲机构和第二减压机构依次连接。
进一步的，所述第三气体缓冲机构包括缓冲罐或气囊，所述第二减压机构包括减压阀组。
进一步的，所述工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统还包括逆变及并网单元，所述逆变及并网单元与所述氢燃料电池堆单元连接，所述逆变及并网单元至少用于将氢燃料电池堆单元产生的电能并网使用。
进一步的，所述逆变并网单元包括能量回馈机构，所述能量回馈机构包括单向逆变器或双向储能逆变器，所述能量回馈机构依次通过三相桥式变换器、变压器与电网连接。
在一些较为具体的实施方案中，所述工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统，其特征在于包括：依次通过管路连接的除焦油机构、除挥发性有机物机构、第一气体缓冲机构、第一压力调节机构、脱氧机构、脱水机构、第一PSA变压吸附机构、第二压力调节机构、第二PSA变压吸附机构和第二气体缓冲机构；
以及，所述第二PSA变压吸附机构还与所述第一压力调节机构连接，以将所述第二PSA变压吸附机构输出的产品气输送回第一压力调节机构进行循环吸附处理，所述第一PSA变压吸附机构还依次与氢燃料电池堆、逆变器连接；
其中，所述第二气体缓冲机构还能够与燃料气管网连接，所述逆变器还能够与电网连接。
本发明实施例还提供了一种工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电的方法，其包括：
1)将含氢废气经除尘处理后输入包括除焦油机构、除挥发性有机物机构的第一分离净化单元中，以脱除含氢废气中的焦油、挥发性有机物及碳原子数为2的有机化合物；
2)将预处理后的混合气体的压力调节至0.8-2.2Mpa后输入包括脱氧机构、脱水机构的第二分离净化单元中，以将混合气体中的O2含量降至1ppm以下，水分含量降至0.5％以下；
3)将脱水后的混合气体输入包含多个吸附塔的第一PSA变压吸附机构中进行变压吸附处理，将第一PSA变压吸附机构中非吸附相的产品气输入氢燃料电池堆单元中进行发电，其中，所述产品气中H2含量≥99.97％、CO含量≤0.2ppm的产品气；
4)将第一PSA变压吸附机构产生的解吸气的压力调节至0.6Mpa后输入第二PSA变压吸附机构进行变压吸附处理，将第二PSA变压吸附机构中非吸附相的产品气的压力调节至0.8-2.2Mpa后输入第二分离净化单元中，将第二PSA变压吸附机构中的解吸气输入原生产流程再次循环利用。
进一步的，在进行变压吸附处理时，所述第一PSA变压吸附机构和第二PSA变压吸附机构中的至少一个吸附塔处于吸附状态，其余吸附塔处于解吸再生状态，解吸时，采用3次缓均方式进行均压形成解吸气。
进一步的，所述第一PSA变压吸附机构和第二PSA变压吸附机构中所采用的吸附剂包括分子筛、活性炭、硅胶、活性氧化铝中的任意一种或两种以上的组合。
进一步的，若所述第一PSA变压吸附机构内的产品气中CO含量＞0.2ppm，所述的方法还包括：采用选择性吸附剂对所述第一PSA变压吸附机构内的产品气进行除杂处理，以使所述产品气中的O2含量＜1ppm、CO含量＜0.1ppm、N2含量小于10ppm。
进一步的，所述含氢废气中氢气的含量为40-90％。
进一步的，所述含氢废气来源包括热脱氢含氢尾气和/或催化脱氢含氢尾气。
进一步的，所述的热脱氢尾气来源包括化学气相沉积含氢尾气和/或乙苯负压绝热脱氢尾气，所述的催化脱氢尾气包括碳-氢键催化脱氢尾气、醇-胺直接脱氢尾气、氧-氢/氮-氢键的催化脱氢尾气中的任意一种或两种以上的组合。
进一步的，所述碳-氢键催化脱氢尾气包括烷烃、烯烃、芳烃和环烷烃的脱氢尾气。
进一步的，所述第一PSA变压吸附机构的氢气提纯效率为50-80％；
进一步的，所述第二PSA变压吸附机构中形成的解吸气中包含烷烃、烯烃、芳烃、环烷烃、直链醇、苯类中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
进一步的，所述第二PSA变压吸附机构中形成的解吸气中氢气的含量为3-20％，回用气纯度达75％以上。
进一步的，所述的方法是基于所述的工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统实施的。
如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
请参参阅图1，一种工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统包括：依次通过管路连接的除焦油机构1、除挥发性有机物机构2、第一气体缓冲机构3、第一压力调节机构4、脱氧机构5、脱水机构6、第一PSA变压吸附机构7、第二压力调节机构8、第二PSA变压吸附机构9；
以及，所述第二PSA变压吸附机构7还与所述第一压力调节机构4的入口连接，以将所述第二PSA变压吸附机构7输出的产品气输送回第一压力调节机构4进行二次循环吸附处理，所述第一PSA变压吸附机构7还依次与氢燃料电池堆10、能量回馈机构11、并网机构12连接；其中，所述第二PSA变压吸附机构7还经回用解吸气处理单元与燃料气管网13连接。
具体的，所述第一气体缓冲机构3包括缓冲罐或气囊等缓冲容器等，第一气体缓冲机构3主要实现气体收集、释放和缓冲作用；所述第一压力调节机构4和第二压力调节机构4均可以是增压压缩机、稳压阀组、减压阀组中的任意一者或两者以上的组合。
具体的，所述脱氧机构5包括脱氧塔，所述脱氧机构5中装填的脱氧剂可以是贵金属催化剂，贵金属催化剂一般使用铂族催化剂，可采用浸渍、喷涂等方法将活性成分附着在载体上，经过焙烧制成需要的形貌，其主要用于把尾气中的氧深度脱除，使氧含量降到1ppm以下，所述脱水机构6包括脱水塔，可以使用吸附剂除水、制冷除湿、真空干燥中的任意一种或两种以上组合的方式脱除水分。
具体的，所述第一PSA变压吸附机构7可以包括六个吸附塔和二个缓冲罐，工作时，其中一个吸附处于吸附状态，并采用3次均压的工艺方法进行吸附处理，其中，第一PSA变压吸附机构7塔内吸附剂可以使用粗孔硅胶、5A分子筛、13X分子筛、选择性吸附剂中的一种或几种组合，所述粗孔硅胶主要是用于吸水处理，5A分子筛主要用于除氮，13X分子筛主要用于除CO、CO2、烃类等；所述选择性吸附剂是指在13X分子筛处理效果不好的情况下，再添加使用的一种吸附剂(如丝光沸石、ZSM-5或HZSM-5等吸附剂)杂质脱除后的氢气中，O2含量小于1ppm，CO含量小于0.1ppm、N2含量小于10ppm。
具体的，所述氢燃料电池堆10质子交换膜氢燃料电池(PEMFC)和与之配套的水系统、气系统；例如，所述氢燃料电池电堆采用青岛创启信德新能源科技有限公司自主研发的CQ-S-GT40质子交换膜燃料电池堆，其具有功率密度大(可达2.5KW/L)、抗一氧化碳中毒、抗反极等优点。所述氢燃料电池电堆采用双层石墨双极板，在两层石墨双极板之间通冷却液，以保证大面积膜电极和大体积电池堆的良好换热，提高电池堆运行的稳定性；所述氢燃料电池电堆可以采用石墨双极板，所述的石墨双极板采用特殊的流场设计以保障膜电极进气、冷却均匀，避免金属双极板的腐蚀作用，延长电池堆寿命；
具体的，所述能量回馈机构11可以是单向逆变器或双向储能逆变器，逆变器11通过三相桥式变换器将燃料电池电堆输出的直流电压变换为高频的三相斩波电压，并通过变压器将LC滤波变成正弦波电压后并入电网发电；为了使系统能量得以最大利用、最大功率发电，在能量回馈机构的直流侧使用了先进的MPPT算法，在达到额定功率时，总电流波形畸变率小于3％，功率因数大于0.99，最大效率96.5％。
具体的，所述PSA变压吸附机构7还经产品气处理单元与所述氢燃料电池堆10连接，所述产品气处理单元至少用于收集、释放产品气，所述产品气处理单元包括第三气体缓冲机构和第二减压机构，所述第三气体缓冲机构和第二减压机构依次连接，所述第三气体缓冲机构包括缓冲罐或气囊，所述第二减压机构包括减压阀组。
具体的，所述回用解吸气处理单元包括依次串连的第二气体缓冲机构和第一减压机构，所述第一减压机构还与燃料气管网连接，所述第二气体缓冲机构包括缓冲罐或气囊，所述第一减压机构包括减压阀组。
需要说明的是，本发明实施例中所采用的除焦油机构1、除挥发性有机物机构2、第一气体缓冲机构3、第一压力调节机构4、脱氧机构5、脱水机构6、第一PSA变压吸附机构7、第二压力调节机构8、第二PSA变压吸附机构9、氢燃料电池堆10、能量回馈机构11、并网机构12等均可以采用本领域技术人员已知的现有设备，其均可以通过市购或自研自制方式获得，在此不对其具体的设备结构进行赘述。
具体的，请参阅图2，一种工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电的方法，其包括：
1)提供如图1所示的工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统，
2)将含氢废气经除尘处理后输入包括除焦油机构1、除挥发性有机物机构2的第一分离净化单元中，以脱除含氢废气中的焦油、挥发性有机物及碳原子数为2的有机化合物，脱除焦油、挥发性有机物及碳原子数为2的有机化合物后(即C2)被输送至第一缓冲机构3内缓存，除焦油的方式可以采用水洗法、机械法、电捕法、物理吸附法中的一种；除挥发性有机物的方式可以是吸附法等；
3)通过第一压力调节机构4将预处理后的混合气体的压力调节至0.8-2.2Mpa后输入包括脱氧机构5、脱水机构6的第二分离净化单元中，以将混合气体中的O2含量降至1ppm以下，水分含量降至0.5％以下，除氧的方式可以是热力除氧、脱氧剂中的一种或两种组合，除水的方式可以是吸附剂除水、制冷除湿、真空干燥中的任意一种或两种以上方式；
3)将脱水后的混合气体输入包含多个吸附塔的第一PSA变压吸附机构7中进行变压吸附处理，将第一PSA变压吸附机构7中非吸附相的产品气输入氢燃料电池堆单元中进行发电，其中，所述产品气中H2含量≥99.97％、CO含量≤0.2ppm的产品气；
4)将第一PSA变压吸附机构产生的解吸气的压力调节至0.6Mpa后输入第二PSA变压吸附机构进行变压吸附处理，将第二PSA变压吸附机构中非吸附相的产品气的压力调节至0.8-2.2Mpa后输入第二分离净化单元中，将第二PSA变压吸附机构中的解吸气输入原生产流程再次循环利用。
实施例1：
以福建中南部某碳基复合材料生产厂坩埚废气为例，其原料气组分见表1：
表1为复合材料废气组分
Figure BDA0002776216120000091
一种工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电的方法具体包括如下过程：
1)将表1中的含氢废气自装置引出后，首先经过包括除焦油机构1、除挥发性有机物机构2的第一分离净化单元除去焦油、VOC、苯、奈和部分水汽，再进入第一缓冲机构(本实施例中为气囊)3中缓冲，第一缓冲机构3里的气分两部分，一部分是原料气，另一部分是解吸气，解吸气中氢含量占比66％，甲烷含量占比26％，该混合气经第一压力调节机构4增压到0.8Mpa后依次输入脱氧机构5、脱水机构6中，混合气经加热脱氧、脱水后的成分如表2所示；
表2为脱氧、脱水后的气体组分
Figure BDA0002776216120000101
2)将经过初步分离的混合废气输入第一PSA变压吸附机构7进行第一次变压吸附，混合废气从第一PSA变压吸附机构7的底部进入，于塔顶获得氢气，第一PSA变压吸附机构7采用6-1-3/P(6个吸附塔，1个塔同时吸附，3次均压)的解吸工作方式，每个吸附塔在一次循环中均需要经历吸附(A)、一均降(E1D)、二均降(E2D)、三均降(E3D)、四均降(E4D)、顺放(PP)、逆放(D)、冲洗(P)、四均升(E4R)、三均升(E3R)、二均升(E2R)、一均升(E1R)以及终冲(FR)等十三个步骤，第一PSA变压吸附机构7出口输出的产品气中氢气纯度≥99.99％(V)，氮气≤50ppm，甲烷≤2ppm，没有CO。
3)经上述步骤净化后，将符合质量要求即氢气纯度≥99.97％，CO≤0.2ppm的气体(即产品气或产品氢气)作为燃料电池原料气，进入燃料电池电堆10发电，输出的电能经一台单向100KW并网逆变器逆变将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流，一部分给当地负荷供电，剩余电力馈入电网；
经第一PSA变压吸附机构7变压吸附的解吸气经第二压力调节机构8增压至0.6Mpa后输入第二PSA变压吸附机构9第二次变压吸附，于塔顶获得纯度为66％氢气；并将获得氢气送至第一缓冲机构3和第一压力调节机构4之间，同时，将第二次变压吸附产生的解吸气引入到原生产流程，该解吸气中的甲烷纯度达75％以上。
实施例2：
以天津东部部某石化生产厂乙烷废气为例，其原料气组分见表3；
表1为复合材料废气组分
Figure BDA0002776216120000111
一种工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电的方法具体包括如下过程：
1)将表1中的含氢废气自装置引出后无需降压，首先经过包括除焦油机构1、除挥发性有机物机构2的第一分离净化单元除去气体中悬浮固体颗粒和液体油滴，再进入第一缓冲机构(本实施例中为气囊)3中缓冲，第一缓冲机构3内的气体经第一压力调节机构4由3.5Mpa减压至2.2Mpa后依次输入脱氧机构5、脱水机构6中，混合气经加热脱氧、脱水后的成分如表4所示；
表4为脱氧、脱水后的气体组分
Figure BDA0002776216120000112
2)将经过初步分离的混合废气输入第一PSA变压吸附机构7进行第一次变压吸附，混合废气从第一PSA变压吸附机构7的底部进入，于塔顶获得氢气，第一PSA变压吸附机构7采用6-1-3/P方式，自第一PSA变压吸附机构7出口输出的产品气中氢气纯度≥99.99％(V)，甲烷≤2ppm，没有CO；
3)经上述步骤净化后，将符合质量要求的产品氢气(氢气纯度≥99.97％，CO≤0.2ppm)作为燃料电池的原料气，输入至燃料电池电堆10发电，输出的电能经10台单向100KW并网逆变器逆变将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流，一部分给当地负荷供电，剩余电力馈入电网；
经第一PSA变压吸附机构7变压吸附的解吸气中甲烷占比52.64％、氢气占比44.77％，经第二压力调节机构7调压压至0.6Mpa后输入第二PSA变压吸附机构9第二次变压吸附，于塔顶获得纯度为66％氢气；并将获得的氢气送至第一缓冲机构3和第一压力调节机构4之间，同时，将第二次变压吸附产生的解吸气调整到适合用户需求的压力后，引入到原生产流程，供用户使用。
本发明实施例提供的一种工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统，通过工业含氢废气净化分离处理耦合燃料电池发电，回收利用可以回用的气体，可解决石油化工、煤化工以及新材料等多领域含氢废气的资源化利用问题。
本发明实施例提供的一种工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统，资源利用率高，废气中的氢及可以回用的气体等有效气处理率达到100％、处理后的可以回用的气体回燃气管网继续利用，处理后合格的氢气用于燃料电池发电，清洁无污染，满足环保及能源可持续发展的要求。
本发明实施例提供的一种工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电方法，工艺简单，采用净化前处理和两级PSA耦合联用技术，实现了工业含氢废气的精密净化，从而达到氢燃料电池发电的需要，工艺简单，经济效益显著。
本发明实施例提供的一种工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电方法，环保清洁，相比于现有的燃烧和直排工艺，该技术更加清洁、环保，真正实现无污染物排放，实现化工废气的最清洁高效利用。
本发明实施例提供的一种工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电方法，处理成本低廉、处理效率高、无二次污染、所需设备规模小、工艺放大较容易，与传统含氢废气处理方法相比能最大限度的回收提纯氢资源。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统，其特征在于包括：依次通过管路连接的第一分离净化单元、第一压力调节单元、第二分离净化单元、第一变压吸附单元、第二压力调节单元、第二变压吸附单元和回用解吸气处理单元；
以及，所述第二变压吸附单元还与所述第一压力调节单元连接，以将所述第二变压吸附单元输出的产品气输送回第一压力调节单元进行循环吸附处理，所述第一变压吸附单元还与氢燃料电池堆单元连接；
其中，所述第一分离净化单元至少用于除去含氢废气中的焦油、挥发性有机物及碳原子数为2的有机化合物中的至少一种杂质，所述第二分离净化单元至少用于除去含氢废气中的氧气和/或水分，所述第一变压吸附单元和第二变压吸附单元至少用于分离出产品气和满足回用条件的解吸气；
所述第一压力调节单元、第二压力调节单元至少用于调节管路中气体的输送压力；
所述回用解吸气处理单元至少用于收集储存解吸气；
所述氢燃料电池堆单元至少用于将所述产品气转化为电能。
2.根据权利要求1所述工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统，其特征在于：所述第一分离净化单元包括除焦油机构和/或除挥发性有机物机构；
优选的，所述第一分离净化单元还包括第一气体缓冲机构，所述除焦油机构、除挥发性有机物机构、第一气体缓冲机构依次通过管路连接，所述第一气体缓冲机构还与所述第一压力调节单元连接；
优选的，所述第一气体缓冲机构包括缓冲罐或气囊。
3.根据权利要求1所述工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统，其特征在于：所述第一压力调节单元和第二压力调节单元均包括增压压缩机、稳压阀组、减压阀组中的任意一者或两者以上的组合。
4.根据权利要求1所述工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统，其特征在于：所述第二分离净化单元包括脱氧机构和/或脱水机构；
优选的，所述脱氧机构包括脱氧塔，所述脱水机构包括脱水塔；
和/或，所述第一变压吸附单元和第二变压吸附单元均包括PSA变压吸附机构；
优选的，所述PSA变压吸附机构包括至少一个吸附塔和至少一个缓冲罐，所述吸附塔和缓冲罐通过管路连接。
5.根据权利要求1所述工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统，其特征在于：所述回用解吸气处理单元包括依次串连的第二气体缓冲机构和第一减压机构，所述第一减压机构还与燃料气管网连接；
优选的，所述第二气体缓冲机构包括缓冲罐或气囊，所述第一减压机构包括减压阀组；
和/或，所述氢燃料电池堆单元包括质子交换膜氢燃料电池和与之配套的水系统、气系统。
6.根据权利要求1所述工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统，其特征在于：所述第一变压吸附单元还经产品气处理单元与所述氢燃料电池堆单元连接，所述产品气处理单元至少用于收集、释放产品气；
优选的，所述产品气处理单元包括第三气体缓冲机构和第二减压机构，所述第三气体缓冲机构和第二减压机构依次连接；
优选的，所述第三气体缓冲机构包括缓冲罐或气囊，所述第二减压机构包括减压阀组；
和/或，所述工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统还包括逆变及并网单元，所述逆变及并网单元与所述氢燃料电池堆单元连接，所述逆变及并网单元至少用于将氢燃料电池堆单元产生的电能并网使用；
优选的，所述逆变并网单元包括能量回馈机构，所述能量回馈机构包括单向逆变器或双向储能逆变器，所述能量回馈机构依次通过三相桥式变换器、变压器与电网连接。
7.根据权利要求1所述工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统，其特征在于包括：依次通过管路连接的除焦油机构、除挥发性有机物机构、第一气体缓冲机构、第一压力调节机构、脱氧机构、脱水机构、第一PSA变压吸附机构、第二压力调节机构、第二PSA变压吸附机构和第二气体缓冲机构；
以及，所述第二PSA变压吸附机构还与所述第一压力调节机构连接，以将所述第二PSA变压吸附机构输出的产品气输送回第一压力调节机构进行循环吸附处理，所述第一PSA变压吸附机构还依次与氢燃料电池堆、逆变器连接；
其中，所述第二气体缓冲机构还能够与燃料气管网连接，所述逆变器还能够与电网连接。
8.一种工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电的方法，其特征在于包括：
1)将含氢废气经除尘处理后输入包括除焦油机构、除挥发性有机物机构的第一分离净化单元中，以脱除含氢废气中的焦油、挥发性有机物及碳原子数为2的有机化合物；
2)将预处理后的混合气体的压力调节至0.8-2.2Mpa后输入包括脱氧机构、脱水机构的第二分离净化单元中，以将混合气体中的O2含量降至1ppm以下，水分含量降至0.5％以下；
3)将脱水后的混合气体输入包含多个吸附塔的第一PSA变压吸附机构中进行变压吸附处理，将第一PSA变压吸附机构中非吸附相的产品气输入氢燃料电池堆单元中进行发电，其中，所述产品气中H2含量≥99.97％、CO含量≤0.2ppm的产品气；
4)将第一PSA变压吸附机构产生的解吸气的压力调节至0.6Mpa后输入第二PSA变压吸附机构进行变压吸附处理，将第二PSA变压吸附机构中非吸附相的产品气的压力调节至0.8-2.2Mpa后输入第二分离净化单元中，将第二PSA变压吸附机构中的解吸气输入原生产流程再次循环利用。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：在进行变压吸附处理时，所述第一PSA变压吸附机构和第二PSA变压吸附机构中的至少一个吸附塔处于吸附状态，其余吸附塔处于解吸再生状态，解吸时，采用3次缓均方式进行均压形成解吸气；
优选的，所述第一PSA变压吸附机构和第二PSA变压吸附机构中所采用的吸附剂包括分子筛、活性炭、硅胶、活性氧化铝中的任意一种或两种以上的组合；
优选的，若所述第一PSA变压吸附机构内的产品气中CO含量＞0.2ppm，所述的方法还包括：采用选择性吸附剂对所述第一PSA变压吸附机构内的产品气进行除杂处理，以使所述产品气中的O2含量＜1ppm、CO含量＜0.1ppm、N2含量小于10ppm。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述含氢废气中氢气的含量为40-90％；
优选的，所述含氢废气来源包括热脱氢含氢尾气和/或催化脱氢含氢尾气；
优选的，所述的热脱氢尾气来源包括化学气相沉积含氢尾气和/或乙苯负压绝热脱氢尾气，所述的催化脱氢尾气包括碳-氢键催化脱氢尾气、醇-胺直接脱氢尾气、氧-氢/氮-氢键的催化脱氢尾气中的任意一种或两种以上的组合；
优选的，所述碳-氢键催化脱氢尾气包括烷烃、烯烃、芳烃和环烷烃的脱氢尾气；
优选的，所述第一PSA变压吸附机构的氢气提纯效率为50-80％；
优选的，所述第二PSA变压吸附机构中形成的解吸气中包含烷烃、烯烃、芳烃、环烷烃、直链醇、苯类中的任意一种或两种以上的组合；
优选的，所述第二PSA变压吸附机构中形成的解吸气中氢气的含量为3-20％；
优选的，所述的方法是基于权利要求1-7中任一项所述的工业含氢废气净化分离耦合氢燃料电池发电系统实施的。
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