[发明专利]一种面向醇类重整制氢的氢气分离系统

说明书

本发明涉及一种面向醇类重整制氢的氢气分离系统，氢气分离系统主要包含重整制氢单元、钯膜分离器、甲烷化反应器、换热器、第一吸附器、第二吸附器、真空泵、加热器、燃烧室。通过引入甲烷化反应器和吸附器，除了有效脱除氢气中对燃料电池具有毒害作用的CO气体外，还进一步脱除了从钯膜微孔处泄漏的甲醇及副产有机蒸气，保障氢气输出质量，减少氢气分离系统对钯膜致密度的要求，延长钯膜使用寿命，降低实际运行成本。

技术领域

本发明属于气体分离领域，涉及一种氢气分离系统，特别是涉及一种面向醇类重整制氢的氢气分离系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池技术是将氢气中的化学能通过电化学反应转换成电能的技术，具有红外辐射低、污染低、噪音低的三低特点，受到了学术界、政府及各企事业单位的普遍重视。质子交换膜燃料电池以氢气作为工作原料，氢气在阳极催化剂表面解离成质子和电子，质子经过质子交换膜到达阴极，而电子通过电路由阳极转移到阴极。传统质子交换膜的工作温度一般低于80℃，当氢气源中的CO含量大于10ppm时，将导致质子交换膜的铂电极发生“中毒”效应，从而导致质子交换膜性能下降。因此，在现阶段氢气储存和运输困难的情况下，高集成度的高纯氢制备系统对氢能的发展应用至关重要。而现阶段几乎只有钯膜能够满足高集成度现场制氢装置的体积小、分离能力强的要求。

当选择醇类重整作为现场制氢方式，其醇类原料、副产有机物以及CO等产物对质子交换膜有着致命的伤害，因此结合钯膜分离作为氢气分离方法，可以为质子交换膜燃料电池提供高质量的氢气，保证质子交换膜的稳定工作。但随着运行时间的增加，钯膜因晶粒之间的高温烧结效应，逐渐产生微孔，导致钯膜的H₂/杂质气(CO、CO₂、CH₄、CH₃OH等)的选择性逐渐降低，从而使得产出的氢气纯度下降，一旦氢气中的“有害杂质”含量超过质子交换膜燃料电池的耐受限度时，即意味着钯膜的使用寿命终结，而频繁的钯膜更换必然带来客户应用成本的增加。

因此，针对醇类重整制氢装置，急需设计一种具有长寿命、高稳定性的氢气分离系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向醇类重整制氢的氢气分离系统，保障醇类重整制氢装置的氢气输出质量，降低客户综合运行成本。

为解决上述问题，本发明采用具体技术方案为：一种面向醇类重整制氢的氢气分离系统，其特征在于：所述氢气分离系统包含重整制氢单元、钯膜分离器、甲烷化反应器、换热器、第一吸附器、第二吸附器、真空泵、加热器、燃烧室；所述重整制氢单元用于醇类重整制氢反应生成富氢气体；所述钯膜分离器用于对重整反应的富氢气体进行分离，并向甲烷化反应器中输送分离后的氢气；所述甲烷化反应器用于将经钯膜分离器分离后的氢气中的一氧化碳转化为甲烷；所述换热器用于预热醇类重整原料并对甲烷化反应器输出的氢气降温；所述第一吸附器和第二吸附器用于吸附降温后的氢气中的其余有机杂质；所述真空泵用于对第一吸附器和第二吸附器抽真空脱附所吸附的有机杂质，以及在氢气分离系统启动和停机过程中，对系统管路抽真空；所述加热器用于加热钯膜分离器和甲烷化反应器；所述燃烧室用于燃烧醇类重整原料、经钯膜分离器分离后的尾气以及第一吸附器和第二吸附器脱附过程中输出的有机杂质，并为重整制氢单元提供制氢反应所需的热量。

所述钯膜分离器的核心分离元件为钯或钯合金膜。

所述甲烷化反应器的催化剂为钌、镍、钯、铁等金属元素的一元或多元催化剂。

所述钯膜分离器与甲烷化反应器置于同一加热器内，钯膜分离器和甲烷化反应器的工作温度为350～500℃。

所述第一吸附器和第二吸附器的吸附剂相同，吸附剂为活性炭、硅胶和分子筛中的一种或多种；所述第一吸附器和第二吸附器交替执行吸附剂的吸附和脱附再生步骤。

所述真空泵的极限压力小于20kPa。