一种用于高氧含量气体的循环返气脱氧系统及方法与流程

1.本发明属于气体脱氧技术领域，涉及一种用于高氧含量气体的循环返气脱氧系统及方法。


背景技术：

2.化工、电子、燃料汽车等行业均需要使用大量的纯度较高的氢气。氢气的来源主要有电解水制氢、天然气制氢、甲醇转化制氢、丙烷脱氢和一些含氢气源通过提纯净化得到。这些方法制得的氢气中通常含有氧气等杂质，特别是采用电解水制氢、焦炉煤气通过变压吸附后提纯的粗氢中，氧含量基本在0.8-1.2％左右，若不将其中的氧脱除，氢气产品难以直接使用。工业上广泛采用含有pt/al2o3催化剂的固定床反应器进行反应脱氧，可达到小于1ppm指标。然而，若气源中氧含量较高，则无法通过固定床催化反应脱氧。例如，富氢气中脱除1％的氧，理论温升为165℃，而电解氯酸钠富氢尾气中氧含量在3-4％，若要将4％的氧全部脱除，则理论温升为660℃，超过了脱氧催化剂的使用温度，同时增加了设备选材等的成本，所以无法采用固定床催化反应脱氧，只能采用成本更高的脱氧方法。
3.因此，有必要开发出一种能够在氧含量较高的气体中脱除氧气且成本较低的技术。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种用于高氧含量气体的循环返气脱氧系统及方法。本发明将较高氧含量的气体与产品气进行部分混合，以降低原料气中的氧含量，进而可通过固定床催化反应脱氧。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种用于高氧含量气体的循环返气脱氧系统，该系统包括主气路以及与主气路相连通的循环气路，所述的主气路上沿气流方向依次设有第一气液分离缓冲罐、脱氧器、第二气液分离缓冲罐，所述的循环气路上设有循环气压缩机，所述的循环气路的一端与主气路相交于第一气液分离缓冲罐的上游，另一端与主气路相交于第二气液分离缓冲罐的下游。
7.进一步地，所述的主气路包括原料气进气管路及产品气出气管路，所述的脱氧器位于原料气进气管路与产品气出气管路之间，所述的第一气液分离缓冲罐设置在原料气进气管路上，所述的第二气液分离缓冲罐设置在产品气出气管路上。
8.进一步地，所述的原料气进气管路上设有电加热器，该电加热器位于第一气液分离缓冲罐与脱氧器之间。
9.进一步地，所述的电加热器为开工电加热器。
10.进一步地，所述的产品气出气管路上设有水冷器，该水冷器位于脱氧器与第二气液分离缓冲罐之间。
11.进一步地，所述的原料气进气管路上设有与原料气进气管路、产品气出气管路相适配的换热器。
12.进一步地，所述的脱氧器的进气口经换热器与电加热器相连通，所述的脱氧器的出气口经换热器与水冷器相连通。
13.或者，所述的脱氧器的进气口经电加热器与换热器相连通，所述的脱氧器的出气口经水冷器与换热器相连通。电加热器、水冷器和换热器可配合使用或独立使用。
14.进一步地，所述的脱氧器为含有pt/al2o3催化剂的固定床反应器。
15.一种用于高氧含量气体的循环返气脱氧方法，基于所述的系统，所述的方法为：含有氧气的原料气经脱氧器脱除氧气，得到产品气，将部分产品气引出并与原料气混合，以降低原料气中的氧气含量。
16.本发明可以将工业气体中较高氧含量的气体通过循环返气的方法，使原料气中的氧含量降到1％，再通过固定床催化反应方法将原料气中的氧脱除。本发明可以采用工业上广泛使用的含有pt/al2o3催化剂的固定床反应器，脱除1％的氧反应温升165℃，在脱氧催化剂使用范围内，设备可以采用q345r材质，减少投资成本。
17.具体实施过程如下：
18.原料气来自界区外管网，首先与返回的部分产品气混合并进入第一气液分离缓冲罐，再经过电加热器，之后在换热器中将原料气温度加热到高于露点温度10-20℃后进入脱氧器，氧气和氢气在脱氧器中催化剂的作用下，发生如下反应：
19.h2+o2→
h2o
20.同时放出反应热，在与进脱氧器前的混合原料气进行换热后，再经水冷器冷却到常温，之后经第二气液分离缓冲罐后送出系统界区。其中，部分产品气通过流量控制，经循环气压缩机加压返回与原料气混合，以调节去固定床催化脱氧反应的原料气中的氧含量。
21.与现有技术相比，本发明具有以下特点：
22.1)本发明流程简单，通过循环返气的方法降低了原料气中氧的含量，使脱氧反应的温升能得到有效控制，并使原料气组分偏离爆炸范围，系统运行更安全；
23.2)本发明能实现较高浓度原料工业气体的脱氧，解决了原料工业气体中含氧量高时无法采用成熟且投资低的固定床催化反应脱氧的方法，脱氧催化剂可以采用工业上广泛使用的pt/al2o3催化剂，脱氧器的材质可以选择q345r。
24.3)本发明同时还能避免原料气中氧含量波动、造成脱氧反应飞温等情况，保证设备的使用安全。
25.4)本发明能使催化脱氧反应始终保持在温度稳定的情况下进行，使催化剂使用寿命延长。
26.5)本发明采用脱氧后热量与原料气进行换热的方式，预热了原料气，能保护脱氧催化剂，提高脱氧催化剂的催化效果，进而可不使用电加热器，同时降低脱氧后产品气的温度，减少水冷器的负荷，使系统整体更节能。
附图说明
27.图1为本发明中脱氧系统的结构示意图；
28.图中标记说明：
29.1—主气路、101—原料气进气管路、102—产品气出气管路、2—第一气液分离缓冲罐、3—电加热器、4—换热器、5—脱氧器、6—水冷器、7—第二气液分离缓冲罐、8—循环气
压缩机、9—循环气路。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
31.本发明提供了一种用于高氧含量气体的循环返气脱氧系统，如图1所示，包括主气路1以及与主气路1相连通的循环气路9，主气路1上沿气流方向依次设有第一气液分离缓冲罐2、脱氧器5、第二气液分离缓冲罐7，循环气路9上设有循环气压缩机8，循环气路9的一端与主气路1相交于第一气液分离缓冲罐2的上游，另一端与主气路1相交于第二气液分离缓冲罐7的下游。
32.其中，主气路1包括原料气进气管路101及产品气出气管路102，脱氧器5位于原料气进气管路101与产品气出气管路102之间，第一气液分离缓冲罐2设置在原料气进气管路101上，第二气液分离缓冲罐7设置在产品气出气管路102上。原料气进气管路101上设有电加热器3，该电加热器3位于第一气液分离缓冲罐2与脱氧器5之间。电加热器3为开工电加热器。产品气出气管路102上设有水冷器6，该水冷器6位于脱氧器5与第二气液分离缓冲罐7之间。
33.原料气进气管路101上设有与原料气进气管路101、产品气出气管路102相适配的换热器4。
34.脱氧器5的进气口经换热器4与电加热器3相连通，脱氧器5的出气口经换热器4与水冷器6相连通。或者，脱氧器5的进气口经电加热器3与换热器4相连通，脱氧器5的出气口经水冷器6与换热器4相连通。
35.脱氧器5为含有pt/al2o3催化剂的固定床反应器。
36.本发明同时提供了一种用于高氧含量气体的循环返气脱氧方法，方法为：含有氧气的原料气经脱氧器5脱除氧气，得到产品气，将部分产品气引出并与原料气混合，以降低原料气中的氧气含量。
37.本发明采用循环返气的方法控制原料气中的氧含量，使高浓度原料气中的氧通过固定床催化反应脱除，且脱氧后的热量能回收利用。
38.实施例：
39.来自界区外管道的电解氯酸钠富氢尾气，流量为500nm3/h，压力为0.6mpa，组分如下：
40.组成h2o2h2oco2总计v％94321100nm3/h47015105500
41.原料气与循环气压缩机8返回的1000nm3/h氢气混合后，总混合气流量为1500nm3/h，压力为0.6mpa，氧含量为1％，之后进入第一气液分离缓冲罐2，再经电加热器3加热到100℃，进入脱氧器5，氧气和氢气在脱氧器5中催化剂的作用下，发生如下反应：
42.h2+o2→
h2o
43.同时放出反应热，与进脱氧器5前的混合原料气进行换热后，再经水冷器6冷却到
常温，送出系统界区。
44.经过循环返气流程后，控制了进入脱氧器5的反应气中的氧含量，使脱氧后温度始终维持在150-155℃，对催化剂、设备等无损害。
45.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于高氧含量气体的循环返气脱氧系统，其特征在于，该系统包括主气路(1)以及与主气路(1)相连通的循环气路(9)，所述的主气路(1)上沿气流方向依次设有第一气液分离缓冲罐(2)、脱氧器(5)、第二气液分离缓冲罐(7)，所述的循环气路(9)上设有循环气压缩机(8)，所述的循环气路(9)的一端与主气路(1)相交于第一气液分离缓冲罐(2)的上游，另一端与主气路(1)相交于第二气液分离缓冲罐(7)的下游。2.根据权利要求1所述的一种用于高氧含量气体的循环返气脱氧系统，其特征在于，所述的主气路(1)包括原料气进气管路(101)及产品气出气管路(102)，所述的脱氧器(5)位于原料气进气管路(101)与产品气出气管路(102)之间，所述的第一气液分离缓冲罐(2)设置在原料气进气管路(101)上，所述的第二气液分离缓冲罐(7)设置在产品气出气管路(102)上。3.根据权利要求2所述的一种用于高氧含量气体的循环返气脱氧系统，其特征在于，所述的原料气进气管路(101)上设有电加热器(3)，该电加热器(3)位于第一气液分离缓冲罐(2)与脱氧器(5)之间。4.根据权利要求3所述的一种用于高氧含量气体的循环返气脱氧系统，其特征在于，所述的电加热器(3)为开工电加热器。5.根据权利要求3所述的一种用于高氧含量气体的循环返气脱氧系统，其特征在于，所述的产品气出气管路(102)上设有水冷器(6)，该水冷器(6)位于脱氧器(5)与第二气液分离缓冲罐(7)之间。6.根据权利要求5所述的一种用于高氧含量气体的循环返气脱氧系统，其特征在于，所述的原料气进气管路(101)上设有与原料气进气管路(101)、产品气出气管路(102)相适配的换热器(4)。7.根据权利要求6所述的一种用于高氧含量气体的循环返气脱氧系统，其特征在于，所述的脱氧器(5)的进气口经换热器(4)与电加热器(3)相连通，所述的脱氧器(5)的出气口经换热器(4)与水冷器(6)相连通。8.根据权利要求6所述的一种用于高氧含量气体的循环返气脱氧系统，其特征在于，所述的脱氧器(5)的进气口经电加热器(3)与换热器(4)相连通，所述的脱氧器(5)的出气口经水冷器(6)与换热器(4)相连通。9.根据权利要求1所述的一种用于高氧含量气体的循环返气脱氧系统，其特征在于，所述的脱氧器(5)为含有pt/al2o3催化剂的固定床反应器。10.一种用于高氧含量气体的循环返气脱氧方法，基于如权利要求1至9任一项所述的系统，其特征在于，所述的方法为：含有氧气的原料气经脱氧器(5)脱除氧气，得到产品气，将部分产品气引出并与原料气混合，以降低原料气中的氧气含量。

技术总结
本发明涉及一种用于高氧含量气体的循环返气脱氧系统及方法，系统包括主气路以及与主气路相连通的循环气路，主气路上沿气流方向依次设有第一气液分离缓冲罐、脱氧器、第二气液分离缓冲罐，循环气路上设有循环气压缩机，循环气路的一端与主气路相交于第一气液分离缓冲罐的上游，另一端与主气路相交于第二气液分离缓冲罐的下游。方法为：含有氧气的原料气经脱氧器脱除氧气，得到产品气，将部分产品气引出并与原料气混合，以降低原料气中的氧气含量。与现有技术相比，本发明流程简单，通过循环返气的方法降低了原料气中氧的含量，使脱氧反应的温升能得到有效控制，并使原料气组分偏离爆炸范围，系统运行更安全。系统运行更安全。系统运行更安全。


技术研发人员：李志军 刘京京 郑明强 叶文宇
受保护的技术使用者：上海舜华新能源系统有限公司
技术研发日：2022.01.25
技术公布日：2023/8/5