一种分离提纯焦炉煤气中氢气的装置和工艺

1.本发明总体地涉及焦炉煤气回收和利用技术领域，具体地涉及一种分离提纯焦炉煤气中氢气的装置和工艺。


背景技术：

2.氢气有优良的物理化学性能，是一种很重要的清洁能源。主要应用在核研究、氘核加速器的轰击粒子、示踪剂，做气相色谱氢焰化验原料、密度小充探空气球、新型的高能燃料(驱动火箭)、冶炼金属钨、钼等，还有石油精炼、浮法玻璃、电子、食品、饮水、化工生产、航天、汽车业等行业氢气的工业用途。
3.跨音速喷管是一种喇叭形喷管，其前半部是由大变小向中间收缩至一个窄喉，窄喉之后又由小变大向外扩张至箭底，压缩泵中的气体受高压流入喷嘴的前半部，穿过窄喉后由后半部逸出，这一架构可使气流的速度因喷截面积的变化而变化，使气流从亚音速到音速，直至加速至超音速。由于它是瑞典人拉瓦尔发明的，因此也称为“拉瓦尔喷管”。
4.40多年前，itw首创了涡流管原理在工业制冷场合的应用，并成为这一领域的先行者，其后这一项目成为今天的vortec品牌。通用压力的压缩空气，通过涡流管转换，一端产生冷空气(在干燥空气的前提下最低温度可达-46℃)，一端产生热空气(最高温度可达127℃)。涡流管可以通过调节热气端的阀来调节气体的流量和冷气端温度的高低，得到你满意的冷气参数——输入的压缩空气和产出的冷气比。
5.将跨音速喷管和涡流技术用于分离提纯焦炉煤气，将大大减少能源浪费，简化处理装置和流程。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种分离提纯焦炉煤气中氢气的装置和工艺，可以实现仅通过使用物理的方法分离提纯氢气，全过程无额外废弃物产生，生产方法干净、清洁、高效。
7.本发明的技术方案是，一种分离提纯焦分离提纯焦炉煤气中氢气的装置，其特征在于，包括依次连接的如下装置：焦炉煤气储气罐、加压泵、超声速喷管和涡流管，所涡流管的一端连接氢气储气罐，另一端连接尾气储气罐。
8.进一步的，本发明的加压泵与超声速喷管之间的输气管路上设置有阀门和流量计；所述涡流管与氢气储气罐之间的管路上设置有流量计，用于测量氢气的流量。
9.进一步的，所述加压泵使用高强度合金钢制成，缸径160mm以上，增压比4：1到8：1，储气容积5-10l，加压泵承受压力0-2mpa，与所述加压泵相连的气体管道均为使用不锈钢材质制成的压力管道。
10.进一步的，超声速喷管的喷射流量100-200l/min，输出压力5-10mpa。
11.进一步的，氢气储气罐为压力容器，能够承受20mpa以上的压强，储罐容积为5-20m3。1立方米的储气瓶在20mpa时能装200立方的气体。
12.进一步的，涡流管的处理流量6-12m3/h,工作压力为5-10mpa。
13.进一步的，所述氢气储气罐设置在涡流管顶部，所述尾气储气罐设置在涡流管底部。
14.本发明还提供了上述分离提纯焦分离提纯焦炉煤气中氢气的工艺，使用如上述分离提纯焦分离提纯焦炉煤气中氢气的装置，包括以下步骤：
15.s1、将焦炉煤气储气罐中的焦炉煤气输送到加压泵中加压，将焦炉煤气加压到1mpa；
16.s2、加压后的气体进入超声速喷管中，气体在超声速喷管由高压低速气体加速到超声速；
17.s3、超声速的焦炉煤气沿切线方向进入涡流管的涡流室，形成自由涡流，旋流运动，其中的氢气被分离从涡流管顶部氢气储气罐，尾气从涡流管底部进入尾气储气罐。
18.进一步的，上述步骤s1中，待将焦炉煤气加压到1mpa之后，还包括打开和调节阀门的步骤，以设置固定流速，保证气流稳定输送。所述步骤s2中，超声速喷管中入口的气体压力控制在1mpa左右，出口处气体喷射速度大于380m/s。
19.本发明所述的焦炉煤气主要由氢气和甲烷构成，分别占56％和27％，并有少量一氧化碳、二氧化碳、氮气、氧气和其他烃类；其低发热值为18250kj/m3，密度为0.4～0.5kg/m3，运动粘度为25
×
10-6
m2/s。因为其已经经过下述处理流程：根据焦炉本体和鼓冷系统流程，从焦炉出来的荒煤气进入之前，已被大量冷凝成液体，同时煤气中夹带的煤尘、焦粉也被捕集下来，煤气中的水溶性的成分也溶入氨水中。焦油、氨水以及粉尘和焦油渣一起流入机械化焦油氨水分离池。分离后氨水循环使用，焦油送去集中加工，焦油渣可回配到煤料中炼焦煤气进入初冷器被直接冷却或间接冷却至常温，此时，残留在煤气中的水分和焦油被进一步除去。出初冷器后的煤气经机械捕焦油使悬浮在煤气中的焦油雾通过机械的方法除去，然后进入鼓风机被升压至19600帕(2000毫米水柱)左右。为了不影响以后的煤气精制的操作，例如硫铵带色、脱硫液老化等，使煤气通过电捕焦油器除去残余的焦油雾。为了防止萘在温度低时从煤气中结晶析出，煤气进入脱硫塔前设洗萘塔用于洗油吸收萘。在脱硫塔内用脱硫剂吸收煤气中的硫化氢，与此同时，煤气中的氰化氢也被吸收了。
20.可以看出，本发明的装置首先焦炉煤气通过加压泵加压后输送到喷管中，利用喷管把高压低速气体变成低压高速气体。焦炉煤气经过加压泵压缩进入超声速喷管的喷嘴，在喷嘴中膨胀并加速到音速，从涡流管的切线方向射入涡流管中，形成自由涡流，由于焦炉煤气主要成分是氢气和甲烷，各气体喷出的速度相同，产生几万个重力加速度。但甲烷和氢气质量分数差距较大，所以甲烷的离心力较大，会在最外层做绕流运动。而较轻的氢气会在中心处运动，并不断上升，由此可把氢气分离出来。
21.本发明利用涡流管和超声速喷管分离提纯焦炉煤气中氢气的装置和工艺，较其他方法而言更有优势，其工艺简单，所使用的原料少、提纯度高、周期短、能耗低，并且实现了整个流程无污染，无排放；是一种有绿色且具有广阔应用前景的分离提纯氢气技术，随着研究的不断深入及对喷管和涡流管设计的日益成熟和基础数据的进一步取得、对涡流管和喷管运行原理有了更深的了解，分离氢气技术必将更加完善，其应用将会进一步得到推广。涡流管和超声速喷管分离提纯焦炉煤气中氢气的工艺，在未来一定会给国家和社会提供源源不断的清洁高效的氢能。
附图说明
22.从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：
23.图1是本发明实施例中装置的结构示意图。
24.图2是本发明的制备流程图。
具体实施方式
25.为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
26.实施例1
27.一种分离提纯焦分离提纯焦炉煤气中氢气的装置，其结构示意图如图1所示，包括依次连接的如下装置：焦炉煤气储气罐1、加压泵2、超声速喷管4、和涡流管7，所涡流管7的一端连接氢气储气罐6，另一端连接尾气储气罐9，其中所述加压泵2与超声速喷管4之间的输气管路上设置有阀门3和流量计5，各部分的功用如下：焦炉煤气储气罐1用于储存原料气体，然后由加压泵2加压，经输气管道输送气体到喷管4中；其中加压泵2的主要作用是把高炉煤气加压到1mpa左右，把低压气体加压到高压气体；输气管道用于将高压焦炉煤气输送到喷管4中；喷管4的作用是利用喷管结构性质，把高压低速的焦炉煤气变成低压高速的气体；阀门3作用是通过控制阀门开关来控制焦炉煤气的进气，流量计5的作用是控制进气量从而控制氢气产生量，以及生产速率；氢气储气罐6的作用是储存有涡流管7中分离出的氢气；尾气储气罐9用于回收分离氢气后的尾气，如甲烷、一氧化碳等气体。其中涡流管7是利用氢气和其他气体在涡流管中角速度不同，分离出焦炉煤气中的氢气。
28.各部件的优选具体设计如下：
29.加压泵2使用高强度合金钢制成，缸径160mm以上，增压比为4：1到8：1，储气容积为5-10l，加压泵承受压力为0-2mpa，与所述加压泵2相连的气体管道为使用不锈钢材质制成的压力管道。
30.超声速喷管4的喷射流量100-200l/min，输出压力5-10mpa。
31.氢气储气罐6为压力容器，能够承受20mpa以上的压强，储罐容积为5-20m3。
32.涡流管7的处理流量6-12m3/h，工作压力为5-10mpa。
33.氢气储气罐6设置在涡流管7顶部，所述尾气储气罐9设置在涡流管7底部。
34.实施例2
35.利用实施例1的装置分离提纯焦炉煤气中氢气的工艺，其工艺流程如图2所示，
36.其中的原料-焦炉煤气中含有氢气(55％～60％)和甲烷(23％～27％)，另外还含有少量的一氧化碳(5％～8％)、二氧化碳(1.5％～3％)、氧气(0.3％～0.8％))、氮气(3％～7％)。将焦炉煤气原料放入到焦炉煤气储气罐1中，打开焦炉煤气储气罐1的阀门，打开加压泵2的开关。当加压泵2中的压力达到设定压强时，打开加压泵2与喷管4之间的阀门3和流量计5，同时测量超声速喷管尾部气体速度，待到气体速度稳定后，立马计量分离出的氢气体积并同时计量进气量。(6为氢气储气罐，8为氢气的流量计，该目的就是计算出在不同的速度下，涡流管的分离效率。)该示例中焦炉煤气的进气量(流量乘以时间可以计算出进气总量)为200立方米，喷管4加速后的气体速度为200m/s。气体通过管道进入超声速喷管当
中，当气体进入超声速喷管当中加速后进入涡流管，氢气被涡流管从上端分离出来。
37.特征参数如下表：
[0038][0039]
喷管出口速度等于涡流管入口速度，氢气产生量和纯度与涡流管入口速度有关，该三组实例大致确定了分离效率较高时的气体速度范围为400m/s左右
[0040]
实施例2
[0041]
利用实施例1的装置分离提纯焦炉煤气中氢气的工艺，其工艺流程如图2所示，其中的焦炉煤气中含有氢气(55％～60％)和甲烷(23％～27％)，另外还含有少量的一氧化碳(5％～8％)、二氧化碳(1.5％～3％)、氧气(0.3％～0.8％))、氮气(3％～7％)。将焦炉煤气原料放入到储气罐中，打开阀门，打开加压泵开关。当加压泵达到设定压强时，打开加压泵放气阀门。测量超声速喷管尾部气体速度，待到气体速度稳定后，立马计量分离出的氢气体积并同时计量进气量。该示例中进气量为200立方米，喷管加速后的气体速度为300m/s。气体通过管道进入超声速喷管当中，当气体进入超声速喷管当中加速后进入涡流管，氢气被涡流管从上端分离出来。
[0042]
特征参数如下表：
[0043][0044]
实施例3
[0045]
利用实施例1的装置分离提纯焦炉煤气中氢气的工艺，其工艺流程如图2所示，其中焦炉煤气中含有氢气(55％～60％)和甲烷(23％～27％)，另外还含有少量的一氧化碳(5％～8％)、二氧化碳(1.5％～3％)、氧气(0.3％～0.8％))、氮气(3％～7％)。将焦炉煤气原料放入到储气罐中，打开阀门，打开加压泵开关。当加压泵达到设定压强时，打开加压泵放气阀门。测量超声速喷管尾部气体速度，待到气体速度稳定后，立马计量分离出的氢气体积并同时计量进气量。该示例中进气量为200立方米，喷管加速后的气体速度为400m/s。气
体通过管道进入超声速喷管当中，当气体进入超声速喷管当中加速后进入涡流管，氢气被涡流管从上端分离出来。
[0046]
特征参数如下表：
[0047][0048]
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种分离提纯焦分离提纯焦炉煤气中氢气的装置，其特征在于，包括依次连接的如下装置：焦炉煤气储气罐(1)、加压泵(2)、超声速喷管(4)、和涡流管(7)，所涡流管(7)的一端连接氢气储气罐(6)，另一端连接尾气储气罐(9)。2.根据权利要求1所述的分离提纯焦分离提纯焦炉煤气中氢气的装置，其特征在于，所述加压泵(2)与超声速喷管(4)的之间的输气管路上设置有阀门(3)和流量计(5)；所述涡流管(7)与氢气储气罐(6)之间的管路上设置有流量计(8)。3.根据权利要求1所述的分离提纯焦分离提纯焦炉煤气中氢气的装置，其特征在于，所述加压泵(2)使用高强度合金钢制成，缸径160mm以上，增压比为4：1到8：1，储气容积为5-10l，加压泵承受压力为0-2mpa，与所述加压泵(2)相连的气体管道为使用不锈钢材质制成的压力管道。4.根据权利要求1所述的分离提纯焦分离提纯焦炉煤气中氢气的装置，其特征在于，所述超声速喷管(4)的喷射流量100-200l/min，输出压力5-10mpa。5.根据权利要求1所述的分离提纯焦分离提纯焦炉煤气中氢气的装置，其特征在于，所述氢气储气罐(6)为压力容器，能够承受20mpa以上的压强，储罐容积为5-20m3。6.根据权利要求1所述的分离提纯焦分离提纯焦炉煤气中氢气的装置，其特征在于，所述涡流管(7)的处理流量6-12m3/h，工作压力为5-10mpa。7.根据权利要求1所述的分离提纯焦分离提纯焦炉煤气中氢气的装置，其特征在于，所述氢气储气罐(6)设置在涡流管(7)顶部，所述尾气储气罐(9)设置在涡流管(7)底部。8.一种分离提纯焦分离提纯焦炉煤气中氢气的工艺，其特征在于，使用如权利要求1-7中任一权利要求所述的分离提纯焦分离提纯焦炉煤气中氢气的装置，包括以下步骤：s1、将焦炉煤气储气罐(1)中的焦炉煤气输送到加压泵(2)中加压，将焦炉煤气加压到1mpa；s2、加压后的气体进入超声速喷管(4)中，气体在超声速喷管(4)由高压低速气体加速到超声速；s3、超声速的焦炉煤气沿切线方向进入涡流管(7)的涡流室，形成自由涡流，旋流运动，其中的氢气被分离从涡流管(7)顶部氢气储气罐(6)，尾气从涡流管(7)底部进入尾气储气罐(9)。9.根据权利要求8所述的分离提纯焦分离提纯焦炉煤气中氢气的工艺，其特征在于，所述步骤s1中，待将焦炉煤气加压到1mpa之后，还包括打开阀门(3)和调节流量计(5)的步骤，以设置固定流速，保证气流稳定输送；所述步骤s2中，超声速喷管(4)中入口的气体压力控制在1mpa左右，出口处气体喷射速度大于380m/s。

技术总结
提供了一种分离提纯焦分离提纯焦炉煤气中氢气的装置，包括依次连接的如下装置：焦炉煤气储气罐(1)、加压泵(2)、超声速喷管(4)、和涡流管(7)，涡流管(7)的一端连接氢气储气罐(6)，另一端连接尾气储气罐(9)；焦炉煤气储气罐(1)与加压泵(2)的之间的管路上设置有阀门(3)和流量计(5)；加压泵(2)使用高强度合金钢制成，缸径160mm以上，增压比4：1到8：1，储气容积5-10L，加压泵承受压力0-2MPa；超声速喷管(4)的喷射流量100-200L/min，输出压力5-10Mpa。涡流管(7)的处理流量6-12m3/h,工作压力为5-10Mpa。10Mpa。10Mpa。


技术研发人员：李科 赵东波
受保护的技术使用者：内蒙古科技大学
技术研发日：2021.12.03
技术公布日：2022/3/8