一种联产氮气的制氢系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种联产氮气的制氢系统及方法，包括第三透氧膜反应器、第四透氧膜反应器、第二透氧膜反应器、第一透氧膜反应器、第一冷凝器；第三透氧膜反应器的贫氧空气出料口与第四透氧膜反应器的入料口连通，第三透氧膜反应器的高温气体三出料口与第二透氧膜反应器的入料口连通，第四透氧膜反应器的高温气体四出料口与第二透氧膜反应器的入料口连通，第二透氧膜反应器的高温气体二出料口与第一透氧膜反应器的入料口连通，第一透氧膜反应器的富氢气体出料口与第一冷凝器的入料口连通，第一透氧膜反应器的高温气体一出料口与第三透氧膜反应器、第四透氧膜反应器的入料口连通；该系统能在便捷、高效、经济制取氢气的同时获得高纯度氮气。高纯度氮气。高纯度氮气。

【技术实现步骤摘要】
一种联产氮气的制氢系统及方法


[0001]本专利技术涉及制氢领域，具体涉及一种联产氮气的制氢系统及方法。

技术介绍

[0002]全球能源主要包括以煤炭、石油、天然气等为主的传统化石能源和风能、水能、太阳能、海洋能、氢能等新型清洁能源。传统化石能源不可再生，其燃烧产生的有毒气体、温室气体等严重污染环境。随着工业发展，能源需求日益增加，为应对日益增加的能源需求和低碳需求，加快全球从化石经济向低碳经济的过渡，开发清洁、价廉的新型能源迫在眉睫。氢气是一种高效、理想的清洁能源。由于其燃烧无污染、能量密度大、化学活性高、丰富可再生等众多优点，被认为是取代传统化石能源的较理想能源之一。
[0003]目前，制氢在工艺和技术上可分为四大主流：电解水制氢、化石燃料制氢、工业副产物制氢、生物质制氢。电解水制氢成本较高，仅限于小规模范围使用，不利于该技术广泛推广。化石燃料制氢原材料属于不可再生能源，并且制氢过程中耗能大，影响环境，大量排出的二氧化碳会产生温室效应。工业副产物制氢产生的氢气纯度不高，后续需要氢气净化提纯系统，系统复杂、能耗较高且产生温室气体。生物质制氢，其产生的氢气纯度不高，技术尚未完全成熟，且投资成本较高。
[0004]透氧膜是一种新的氧气分离膜，其原理是在一定温度下，利用膜两端的氧分压差，将水蒸气在膜的分离作用下，分解为氧气和氢气，氧气从高分压侧扩散迁移到低分压侧，剩下的富氢水蒸气经过冷凝分离后，即可制得高纯度氢气。相比于常规的制氢技术，其具有系统简单、能耗低、启动快、成本低、操作便捷等优点，制氢同时进一步制得高纯度氮气，将大幅提升制氢技术的经济性及系统效率。
[0005]中国专利文献CN201410440172.0提供了一种透氧膜、透氢膜交替分解水制取氢气的装置。该装置包括：扁平状盒体，其内部分成若干个间隔排列的透氧腔室和透氢腔室；以及内管道，在各个透氧腔室和透氢腔室内延伸，相邻腔室的内管道通过外管道首尾相连，内管道和外管道共同构成连通的蛇形蒸汽通道，透氧腔室中的内管道由透氧膜制成，透氢腔室中的内管道由透氢膜制成，透氢腔室中内管道透氢膜内外两侧以及透氧腔室中内管道透氧膜内外两侧均具有化学势差，在化学势差的作用下，氧气透过透氧膜，氢气通过透氢膜，分别进入内管道和相应腔室内壁之间的区域；但该系统无法在制取氢气的同时制取氮气。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种联产氮气的制氢系统及方法，解决传统制氢技术产生污染物、系统复杂、成本高等问题，能在便捷、高效、经济制取氢气的同时获得高纯度氮气。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种联产氮气的制氢系统，包括第三透氧膜反应器、第四透氧膜反应器、第二透氧膜反应器、第一透氧膜反应器、第一冷凝器；
[0009]第三透氧膜反应器的贫氧空气出料口与第四透氧膜反应器的入料口连通，第三透氧膜反应器的高温气体三出料口与第二透氧膜反应器的入料口连通，第四透氧膜反应器的高温气体四出料口与第二透氧膜反应器的入料口连通，第二透氧膜反应器的高温气体二出料口与第一透氧膜反应器的入料口连通，第一透氧膜反应器的富氢气体出料口与第一冷凝器的入料口连通，第一透氧膜反应器的高温气体一出料口与第三透氧膜反应器、第四透氧膜反应器的入料口连通。
[0010]本专利技术还要求保护一种利用所述系统联产氮气的制氢方法，包括如下步骤：
[0011](1)将空气引入第三透氧膜反应器，氧气经透氧膜迁移至氧气侧与燃料、循环气体混合，反应产生高温气体三，从第三透氧膜反应器引出；第三透氧膜反应器的空气侧剩余贫氧空气，将贫氧空气引入第四透氧膜反应器，贫氧空气中的氧气经透氧膜迁移至氧气侧与燃料、循环气体混合，反应产生高温气体四，与高温气体三混合得到混合气二，引入第二透氧膜反应器；第四透氧膜反应器的贫氧空气侧得到高纯氮气；
[0012](2)将水蒸气引入第二透氧膜反应器，氧气经透氧膜迁移至氧气侧与混合气二混合，反应产生高温气体二；第二透氧膜反应器的水蒸气侧剩余含氢气体，将其与高温气体二混合得到混合气一，引入第一透氧膜反应器；
[0013](3)将水蒸气引入第一透氧膜反应器，氧气经透氧膜迁移至氧气侧与混合气一混合，反应产生高温气体一，高温气体一的一部分排出系统，另一部分作为循环气体引入第三透氧膜反应器、第四透氧膜反应器；第一透氧膜反应器的水蒸气侧剩余富氢气体，引入第一冷凝器，得到高纯氢气和冷凝水。
[0014]优选的，透氧膜反应器为管板式和/或平板式结构。
[0015]优选的，透氧膜为钙钛矿类、萤石
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钙钛矿类、萤石
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金属类、钙钛矿
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金属类结构中的一种或多种。
[0016]优选的，透氧膜为单层膜、双层膜、混合导体透氧膜中的一种或多种。
[0017]优选的，第一透氧膜反应器、第二透氧膜反应器所使用的透氧膜为萤石
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金属类和/或钙钛矿
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金属类双层透氧膜。
[0018]优选的，管板式透氧膜膜管直径1～20mm，膜厚度0.1～5mm，管间距为0.5～5倍管直径；平板式透氧膜膜厚度0.1～5mm，膜间距0.5～25mm。
[0019]优选的，透氧膜反应器工作温度为400～1000℃，透氧膜两侧的压力差为0～9MPa，膜空腔内侧压力不低于膜空腔外侧压力。
[0020]优选的，步骤(1)中，燃料与循环气体混合后形成的气体，体积的50～80％进入第三透氧膜反应器，体积的20～50％进入第四透氧膜反应器。
[0021]优选的，步骤(2)中，含氢气体中氢气的体积浓度为0～40％。
[0022]优选的，步骤(2)中，含氢气体中氢气的体积浓度为5～20％。
[0023]优选的，步骤(3)中，循环气体占高温气体一体积的10～90％。
[0024]优选的，步骤(3)中，富氢气体中氢气的体积浓度为0～95％。
[0025]优选的，步骤(3)中，富氢气体中氢气的体积浓度为50～80％。
[0026]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0027]1)本专利技术提供的一种联产氮气的制氢系统及方法，利用透氧膜的氧气富集特性和氢气、燃料的还原性能，将空气中的氮气以及水蒸气中的氢气和氧气进行分离，可同时制取
纯度99％以上的氮气和氢气，大幅提升了透氧膜制氢技术的经济性及系统效率；相比于常规的制氢技术，具有系统简单、能耗低、启动快、成本低、操作便捷等优点，与常规制氢技术相比运行成本降低1/3左右。
[0028]2)本专利技术提供的一种联产氮气的制氢系统及方法，燃料在第四透氧膜反应器、第三透氧膜反应器中与空气发生不完全燃烧，产生含CO的高温气体，含CO的混合气二相较于单纯含燃料的气体与氧气的反应速率更快；同时，将透氧膜反应器二得到的含氢气体与高温气体二混合，也能够有效提升混合气一在第一透氧膜反应器中与氧气的反应速率；通过多个透氧膜反应器的相互配合，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种联产氮气的制氢系统，其特征在于，包括第三透氧膜反应器(R3)、第四透氧膜反应器(R4)、第二透氧膜反应器(R2)、第一透氧膜反应器(R1)、第一冷凝器(C1)；第三透氧膜反应器(R3)的贫氧空气出料口与第四透氧膜反应器(R4)的入料口连通，第三透氧膜反应器(R3)的高温气体三出料口与第二透氧膜反应器(R2)的入料口连通，第四透氧膜反应器(R4)的高温气体四出料口与第二透氧膜反应器(R2)的入料口连通，第二透氧膜反应器(R2)的高温气体二出料口与第一透氧膜反应器(R1)的入料口连通，第一透氧膜反应器(R1)的富氢气体出料口与第一冷凝器(C1)的入料口连通，第一透氧膜反应器(R1)的高温气体一出料口与第三透氧膜反应器(R3)、第四透氧膜反应器(R4)的入料口连通。2.一种利用权利要求1所述系统联产氮气的制氢方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将空气引入第三透氧膜反应器(R3)，氧气经透氧膜迁移至氧气侧与燃料、循环气体混合，反应产生高温气体三，从第三透氧膜反应器(R3)引出；第三透氧膜反应器(R3)的空气侧剩余贫氧空气，将贫氧空气引入第四透氧膜反应器(R4)，贫氧空气中的氧气经透氧膜迁移至氧气侧与燃料、循环气体混合，反应产生高温气体四，与高温气体三混合得到混合气二，引入第二透氧膜反应器(R2)；第四透氧膜反应器(R4)的贫氧空气侧得到高纯氮气；(2)将水蒸气引入第二透氧膜反应器(R2)，氧气经透氧膜迁移至氧气侧与混合气二混合，反应产生高温气体二；第二透氧膜反应器(R2)的水蒸气侧剩余含氢气体，将其与高温气体二混合得到混合气一，引入第一透氧膜反应器(R1)；(3)将水蒸气引入第一透氧膜反应器(R1)，氧气经透氧膜迁移至氧气侧与混合气一混合，反应产生高温气体一，高温气体一的一部分排出系统，另一部分作为循环气体引入第三透氧膜反应器(R...

【专利技术属性】
技术研发人员：李玖重，周天宇，郜建松，张婧帆，王恒博，苏耀伦，
申请(专利权)人：中石化炼化工程集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：