电解氢气干燥装置的无压再生工艺探索

电解氢气干燥装置的无压再生工艺探索

黄登高1， 石勇2， 胡石林1， 阮浩1， 吴栋1， 窦勤成1， 尹玉国1，张丽1

(1.原子能科学研究院 ， 北京102413 ; 2.苏州竞立制氢设备有限责任公司 ， 江苏 苏州215100)

摘要：常用的氢气纯化工艺中干燥的氢气露点只能达到-57 ℃，且波动比较大，尤其是在两干燥塔切换时露点一度上升到-43 ℃。本文针对水电解氢气的干燥塔再生工艺进行了探讨，提出了一种新的改进方法，将再生气由原料氢气改为产品氢气，并且在原装置上增加四个单向阀和两个计量阀，获得了一种新的无压再生工艺。研究结果表明，新工艺大大降低了干燥塔再生能耗，产品氢气露点能稳定在-79℃，提高了产品氢气的质量。

关键词：氢气 ； 干燥 ； 再生 ； 露点

中图分类号：TQ050.2

收稿日期：2015-01-21

作者简介：黄登高(1982- )，男，博士，从事制氢工艺研究工作，邮箱：hdg320@163.com。

在电力行业，氢气因密度小、比热容大、磨擦损耗小等优点被广泛地用作发电机的冷却介质[1-2]。但是，氢气湿度对发电机的安全运行影响很大[1]，而化工、冶金和电子工业对氢气纯度要求比较高[3]，它们都需要对氢气进行深度干燥。

氢气干燥和纯化的方法有多种[4]，其中水电解制备氢气的纯化包含脱氧装置和干燥装置。

常用的氢气干燥工艺流程有两个干燥塔，一个干燥塔在加热下用氢气吹扫再生，另一个干燥塔干燥氢气[5]。正常工作后只能把氢气的露点温度降低到-57 ℃，并且不稳定。当两塔切换时氢气露点上升到-43 ℃，需要30～60 min才能再次下降到-57 ℃。为了获得露点更低和更稳定的氢气，本文改进了传统的干燥塔有压再生工艺，获得一种结构不复杂和能耗更低的干燥塔无压再生工艺。

1工艺流程

常用的氢气干燥工艺有有压再生工艺和无压再生工艺两种。它们都有一个脱氧塔、两个干燥塔、三个冷却器和一些阀门组成。干燥塔内部安装了电加热管、测温铂电阻和13X分子筛干燥剂，底部有防止分子筛流失的不锈钢筛板及滤网。整个干燥过程中，两种工艺的两个干燥塔都周期性轮换进行干燥气体工作或干燥剂再生。

1.1有压再生工艺

氢气有压再生工艺流程见图1，该系统是原料氢气吹扫的干燥塔加热再生工艺，系统设计运行压力为1.6 MPa。该工艺的特点是：当有干燥塔需要再生时，所有氢气经脱氧和冷却后都先作再生气，再冷却后通过工作的干燥塔干燥后得到产品氢气(两干燥塔中，始终有一个干燥塔在工作)。

为了简述工艺流程，本文以干燥塔B(简称B塔)工作和干燥塔A(简称A塔)再生时为例，如图1所示。原料氢气在脱氧塔脱氧后，进入冷却器E冷却，初步脱除水分，再由两位三通气动球阀V3(内有两个管道，一次一个管道工作)和两位四通气动球阀[6]V2(内有两组各两个管道，一次一组管道工作)调度进入A塔，吹扫塔中因加热蒸发的干燥剂水分(工作时吸收的水分)，对A塔进行再生。再生形成的湿热氢气由冷却器A和B冷凝除水，再由B塔的干燥剂进一步吸收水分，得到干燥的产品氢气。产品氢气通过两位四通气动球阀V2调节流过氢气过滤器，由调节阀V1调节流量及压力后向用氢设备提供产品氢气。冷却器冷凝得到的水分通过阀门V4、V5和V6排放。当A塔完成再生后，停止加热，转入吹冷阶段；当塔温降到80 ℃，停止吹冷，调节两位三通气动球阀V3，使气体直接通过冷却器B进入B塔(此时没有也不需要再生用氢气)，而A塔处于待用过程。

B塔工作24 h后，对B塔再生，转为A塔工作。

图1　有压再生工艺流程图

这通过同时调节两位三通气动球阀V3和两位四通气动球阀V2来实现，同时B塔开启加热，解吸此塔因工作而吸附的水分。此时氢气的流向是通过阀门V3，再通过阀门V2后，流入到正在加热的B塔；气流带走B塔干燥剂解吸附的水分，再通过冷却器B及冷却器A来冷凝气体中的水分；冷凝后的气体通过工作的A塔吸附气体中残余的水分后经过滤器，由调节阀V1调节流量及压力后向用氢设备提供产品氢气。

1.2无压再生工艺

无压再生工艺流程见图2，其装置是在有压再生工艺装置的基础上，加装四个单向阀和两个计量阀。该工艺的特点是：脱氧和冷却后的所有氢气都先经过工作的干燥塔干燥后得到产品氢气。当另一个干燥塔需要再生时，取10%的产品氢气为再生气体。再生气体通过计量阀调节后再通过单向阀进入需再生的干燥塔，对加热中的干燥塔进行吹扫，吹扫之后的氢气经冷却后放空。

为了方便说明，本文以干燥塔D(简称D塔)工作、干燥塔C(简称C塔)再生为例，其工艺流程如下：原料氢气经过脱氧塔脱氧及冷却器F初步冷却后，由两位四通气动球阀V17调节通过冷却器D再次冷却后进入D塔中干燥，得到产品氢气。产品氢气通过单向阀V8和氢气过滤器，然后再通过气动调节阀V13调节压力后进入用氢单元。当C塔需要再生时关闭气动球阀V16，先打开气动球阀V18，使得C塔的压力释放为常压。当压力释放完毕后，再关闭V18，打开V16以便于观察再生流量。此时计量阀V12调节10%的产品氢气通过单向阀V10(C塔再生时4个单向阀里只有V10和V8通气，此时用于D塔再生的单向阀V9和V7由于出口端气压更大，所以不通气，计量阀虽是常开的，但单向阀不通气，也就不会通气)进入处于再生状态的C塔，吹走C塔中因加热而解吸附干燥剂内的水分。这些氢气在冷凝后通过两位四通球阀V17、球阀V16和流量计后排空。当加热C塔6 h后，停止加热，进入吹冷阶段。当塔温降到80 ℃后，关闭球阀V16，对C塔进行预压，直到两塔压力平衡。

D塔工作24 h后，对D塔再生，使C塔工作。这通过切换两位四通球阀V17而改变氢气流向来实现。然后按C塔再生那样操作，将D塔的压力释放为常压。切换V17后，氢气的流向改变了，氢气通过冷却器C再次冷凝初步去除水分后，再到C塔吸附氢气中残余的水分。得到的产品氢气通过单向阀

图2　无压再生工艺流程图

V7及氢气过滤器后再通过调节阀V13调节压力后进入后续用氢单元。10%的再生气体通过计量阀V11及单向阀V9后，进入再生的D塔，吹走D塔中干燥剂因加热而解吸附的水分。这些氢气在冷凝后通过两位四通球阀V17、球阀V16和流量计后排空。当加热D塔6 h后，停止加热，进入吹冷阶段。当塔温降到80 ℃后，关闭球阀V16，对C塔进行预压，直到两塔压力平衡。

1.3再生实验条件

有压再生工艺的再生用氢气为冷却后的原料氢气，其露点为的冷却水出口温度(15～35 ℃，由季节决定)，气压为系统压力(1.6 MPa)，干燥塔再生条件温度为280 ℃，保持 8 h；或320 ℃，保持 9 h。再生完成后，把干燥塔吹冷到80 ℃。无压再生工艺的再生用氢气为10%的产品氢气(露点-79 ℃)，气压为常压，干燥塔再生温度为110 ℃，保持6 h，然后吹冷到 80 ℃。

2结果和分析

有压再生工艺的氢气露点在正常工作后能够达到-57 ℃，但当两个干燥塔切换工作/再生模式时，露点会上升到-43 ℃。无压再生工艺的产品氢气露点降低至-79 ℃，而且当两塔切换工作/再生模式时，露点比较稳定。

干燥塔再生就是加热干燥塔，使干燥剂吸附的水分受热蒸发，再用再生气体吹走水蒸气，使干燥剂恢复了吸附能力。干燥剂恢复的吸附容量由它的干燥程度决定。根据再生程序，干燥塔先加热通气吹扫，再通气冷却。因此干燥塔的再生效果受再生气体的露点、干燥塔加热温度和时间影响。而产品氢气的露点除受干燥塔再生效果影响外，还受冷却器冷却效果和干燥塔中残留氢气的影响。

2.1再生温度和保温时间的影响

干燥塔的加热温度和时间都对干燥剂吸附的水分能否完全脱附存在影响。一般情况下，加热温度越高，水分脱附越快；加热时间越长，水分脱附越多。

为了改善有压再生工艺的干燥剂再生效果，将干燥塔再生温度从280 ℃提高到320 ℃，同时保温时间从8 h延长到9 h。结果表明，产品氢气的露点没有降低。这说明，有压再生工艺的再生温度、保温时间是充足的，未能降低产品氢气露点是该工艺的设计缺点导致的。

无压再生工艺的干燥塔再生温度为110 ℃，保温时间为6 h，但该工艺的产品氢气露点比有压再生工艺更低、更稳定。这说明，相对于有压再生工艺，无压再生工艺在更低能耗情况下，干燥剂的再生效果更好，干燥剂的干燥能力更强。

2.2再生用气体露点的影响

有压再生工艺的再生气体是脱氧后冷凝的气体，其露点受冷却水温度影响，通常工业冷却水出口温度一般为15～35 ℃。因此有压再生工艺的再生气体露点为15～35 ℃。而无压再生工艺的再生气体是经过冷却塔冷凝和干燥塔干燥的气体，其露点为-79 ℃，因此，无压再生的再生气体更干燥。再生气体干燥程度的差异导致两种工艺的干燥剂再生程度不同，导致无压再生的干燥剂吸附能力更强。由于干燥塔工作时，两种工艺的原料氢气的流速一样，原料氢气与干燥剂的接触时间也一样，因此，无压再生工艺的产品氢气露点更低。

2.3干燥塔工作条件的影响

一方面，冷却水温度越高，氢气含水量越高，这都会导致两工艺的干燥剂的吸附容量更快饱和。同时，由于冷却后的气体直接用于有压再生工艺，会导致有压再生工艺再生效果更差和露点更不稳定。另一方面，处理的氢气流速越快，氢气与干燥剂接触时间就越短，氢气中水分被吸收就越少，得到的产品氢气露点就越高。由于无压再生工艺的再生气体是产品氢气，因此氢气流速越快，无压再生工艺的干燥剂再生效果就越差，比有压再生工艺的干燥剂再生效果好。由于两塔的工作条件一样，故两个工艺的产品氢气的露点的差异不是冷却器造成的。

2.4干燥塔待用时间的影响

有压再生工艺的干燥塔再生用气体是脱氧后仅冷却器冷却后的原料氢气，再生结束后也暴露在同露点的原料氢气下，因此，它的等待使用过程也是干燥剂不断吸附静止的原料氢气的水分的过程。尽管待用时间内干燥剂吸附静止气体的水分时间不快，但时间越长，干燥剂吸附的水分就越多，其吸附容量也越小，导致产品氢气露点更高。而无压再生的干燥塔待用过程，其再生气体是产品氢气，不存在干燥剂受污染的问题。

2.5冷却器冷却效果影响

进入干燥塔的氢气是冷却水出口温度下的水汽饱和气体，因此，进入干燥塔的氢气的含水量取决于冷却水出口温度。冷却后的气体温度越高，进干燥塔的气体水含量就越高，干燥塔的工作负担就越大。因此，冷却器的冷却效果越好，产品氢气露点就越低、越稳定。

由于两种工艺的冷却塔、冷却水温度和流量是一样的，因此，两种工艺的产品氢气露点的差异不是冷却器造成的。

2.6干燥塔内残存氢气的影响

有压再生工艺的干燥剂再生后，干燥塔及其连接管道内会一直保留有未被吸附的原料氢气，这使得干燥塔从再生模式或待用状态切换为干燥工作模式后，开始阶段塔和管道内原料氢气未干燥，造成产品氢气露点变高。

但在本文探讨的无压再生工艺中，由于再生用氢气是干燥后产品氢气，所以不存在两塔切换工作造成的露点不稳定问题。

3结论

本文在常用的干燥塔有压再生工艺设备上增加四个单向阀和两个计量阀，改变了再生气体来源，得到干燥塔无压再生工艺。研究结果表明，新工艺能耗低，获得的产品氢气露点更低、更稳定。

干燥塔有压再生工艺由于再生气体露点高，塔内有露点高的气体，导致该工艺干燥剂再生效果差，得到的产品氢气露点较高；同时，塔内露点高的气体的存在使得两塔切换工作时产品氢气露点不稳定。相对于有压再生工艺，无压再生工艺的再生用气体露点极低，使该工艺在低温下短时间内干燥剂再生效果就更好，获得的氢气露点更低；同时，无压再生流程工艺塔内没有污染气体，因此，获得的氢气露点更稳定。因此无压再生工艺是比有压再生工艺更好的氢气干燥工艺。

参考文献：

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