CN114561235A - 一种基于压力能回收的氢气天然气混输与分离装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于压力能回收的氢气天然气混输与分离装置及方法，装置包括掺氢天然气管路、压力能回收***、分离***和升压***；方法为：(1)将掺氢天然气通入压力能回收***；(2)将低压掺氢天然气通入分离***，经分离形成低氢天然气和高浓度氢气；(3)分别通入第一天然气缓冲罐和第一氢气缓冲罐，然后分别返回压力能回收***；(4)分别通入升压***；(5)分别通入氢气用户端和天然气用户端，或返回掺氢天然气管路。本发明的方法能耗低，实现了压力能的回收，大幅降低氢气分离的能耗；相比于现有的氢气运输手段，利用天然气掺氢运输终端分离，实现氢气的大规模低成本的运输。

Description

一种基于压力能回收的氢气天然气混输与分离装置及方法
技术领域
本发明属于能源技术领域，特别涉及一种基于压力能回收的氢气天然气混输与分离装置及方法。
背景技术
氢能源在世界范围内不断地得到各国的大力支持，目前，日本、澳大利亚、德国、意大利等发达国家均在积极研究天然气掺氢，可以说氢能在天然气行业的应用将成为一种趋势。然而将氢气从天然气中分离目前有几种方法分别是深冷分离、膜分离、PSA工艺，例如公开号为CN101535174A的专利申请报道了氢气的分离方法和分离装置，采用的是PSA工艺，其工艺过程是反复进行包括吸附工序和解吸工序的循环，在上述吸附工序中，将混合气体导入吸附塔中，使吸附剂吸附该混合气体中不需要的气体，从该吸附塔导出氢气浓度高的制品气体，在上述解吸工序中，使不需要的气体从吸附材料解吸，并从该吸附塔导出。公开号为CN 108147365A的专利申请报道的分离方法，本质上是采用膜分离的方法，利用膜材料的选择透过性达到氢气分离的目的。
上述几种氢气工艺手段，普遍存在能耗高投资大的缺点，深冷分离工艺需要将大量的气体液化，PSA工艺需要反复的加压与减压，膜分离工艺对于高浓度带压气体，其运行能耗是几种方法最低的，但是若气体不带压，则需要压缩机来提供压力。
以上几种分离手段运行能耗高是应用于掺氢天然气分离的重要制约因素之一。
发明内容
针对现有氢气天然气混输技术的以上缺点，本发明提供一种基于压力能回收的氢气天然气混输与分离装置及方法，采用压力能回收模块、膜分离模块和升压模块，将掺氢天然气泄压的压力能转化为机械能，为分离后的氢气/天然气加压提供动力，回收压力能，降低***运行能耗。
本发明的基于压力能回收的氢气天然气混输与分离装置包括掺氢天然气管路、压力能回收***、分离***和升压***；压力能回收***由膨胀机、第一天然气压缩机和第一氢气压缩机组成；膨胀机上设有进气口、出气口、进水口和出水口；第一天然气压缩机上设有进气口、出气口、进水口和出水口；第一氢气压缩机上进气口、出气口，进水口和出水口；膨胀机与辅助电机装配在一起，第一天然气压缩机和第一氢气压缩机并联与辅助电机装配在一起；分离***由分离装置、第一氢气缓冲罐和第一天然气缓冲罐组成；分离装置设有进气口、氢气出口和天然气出口；第一氢气缓冲罐上设有进气口和出气口，第一天然气缓冲罐上设有进气口和出气口；升压***由第二天然气压缩机和第二氢气压缩机组成；第二天然气压缩机上设有进气口和出气口，第二氢气压缩机上设有进气口和出气口；掺氢天然气管路的出气口与总缓冲罐的进口连通，总缓冲罐的出口与膨胀机的进气口连通，膨胀机的出气口与分离装置的进气口连通，分离装置的氢气出口与第一氢气缓冲罐的进气口连通，分离装置的天然气出口与第一天然气缓冲罐的进气口连通；第一氢气缓冲罐的出气口与第一氢气压缩机的进气口连通，第一天然气缓冲罐的出气口与第一天然气压缩机的进气口连通；第一氢气压缩机的出气口与第二氢气缓冲罐的进气口连通，第一天然气压缩机的出气口与第二天然气缓冲罐的进气口连通；第二氢气缓冲罐的出气口与第二氢气压缩机的进气口连通，第二天然气缓冲罐的出气口与第二天然气压缩机的进气口连通；第二氢气压缩机的出气口与氢气用户端连通，或与掺氢天然气管路连通；第二天然气压缩机的出气口与掺氢天然气管路连通，或与天然气用户端连通。
上述装置中，膨胀机的出水口与储水罐的进水口连通，储水罐的出水口通过带有水泵的管路同时与第一天然气压缩机和第一氢气压缩机的进水口连通；第一天然气压缩机的出水口和第一氢气压缩机的出水口同时通过管路与膨胀机的进水口连通。
上述装置中，分离装置为膜分离装置，或者为变压吸附装置，或者为膜分离-变压吸附装置。
本发明的基于压力能回收的氢气天然气混输与分离方法按以下步骤进行：
(1)将掺氢天然气管路的掺氢天然气通入总缓冲罐，将总缓冲罐内的掺氢天然气通入膨胀机，经膨胀机泄压后形成低压掺氢天然气；压力能回收装置从启动到平稳运行分为两个阶段：起始阶段和稳定阶段，起始阶段掺氢天然气进入膨胀机，通过辅助电机为压力能回收***提供主要动力，通过气体膨胀释放的能量提供部分动力；在气体膨胀过程中，控制辅助电机提供的动力逐渐降低，并使气体膨胀提供的动力逐渐增加；当膨胀机的涡轮机叶轮转速到达稳定状态后，进入稳定阶段，此时辅助电机仅用于保持膨胀机的涡轮机叶轮转速保持在正常工作区间；
(2)将低压掺氢天然气通入分离装置，经过分离后分别从氢气出口和天然气出口排出，分别形成低氢天然气和高浓度氢气；所述的低氢天然气中氢气的体积浓度≤3％；所述的高浓度氢气的氢气体积浓度≥80％；
(3)将低氢天然气和高浓度氢气分别通入第一天然气缓冲罐和第一氢气缓冲罐，然后分别通入第一天然气压缩机和第一氢气压缩机，经第一次压缩后分别形成一次压缩天然气和一次压缩氢气；
(4)将一次压缩天然气和一次压缩氢气分别通入第二天然气缓冲罐和第二氢气缓冲罐，然后分别通入第二天然气压缩机和第二氢气压缩机，经第二次压缩后分别形成二次压缩天然气和二次压缩氢气；
(5)将二次压缩天然气和二次压缩氢气分别通入天然气用户端和氢气用户端，或返回掺氢天然气管路。
上述的步骤(3)中，膨胀机的涡轮机叶轮转速到达稳定状态后，气体在膨胀机内膨胀时推动膨胀机的叶轮转动；膨胀机的叶轮转动时，带动转轴转动为第一天然气压缩机和第一氢气压缩机提供机械能。
上述的步骤(3)中，开启与储水罐装配在一起的水泵，将储水罐内的冷却水通入第一天然气压缩机和第一氢气压缩机；第一天然气压缩机和第一氢气压缩机工作时产生的热能被冷却水吸收，吸收热能的冷却水通入膨胀机，与膨胀机工作产生的余冷换热，再次形成冷却水返回储水罐；此过程中，第一天然气压缩机和第一氢气压缩机产生的热能，与膨胀机产生的冷能中和。
上述的步骤(1)中，掺氢天然气管路内的掺氢天然气的压力≤10MPa。
上述的步骤(1)中，膨胀机泄压后形成低压掺氢天然气的压力≤4MPa。
上述的步骤(3)中，一次压缩天然气的压力为掺氢天然气压力的50～95％；一次压缩氢气的压力为为掺氢天然气压力的50～95％。
上述的步骤(3)中，利用膨胀机泄压时将机械能回收，将回收的机械能作为第一天然气压缩机和第一氢气压缩机的机械能，机械能的回收率为50～95％。
上述的步骤(4)中，二次压缩天然气的压力为掺氢天然气压力的1.1～1.2倍；当二次压缩氢气返回掺氢天然气管路时，其压力为掺氢天然气压力的1.1～1.2倍；当二次压缩氢气通入氢气用户端，其压力根据用户要求设定。
本发明的方法基于压力能回收的氢气天然气掺氢混输分离工艺，无压力能回收的工艺能耗远高于带有压力能回收的工艺；利用压力能回收装置的热平衡***，利用压力能装置的膨胀和压缩产生的热量进行装置自身的热平衡；本发明的方法能耗低，实现了压力能的回收，并转化为压缩机的机械能，大幅降低氢气分离的能耗；相比于现有的氢气运输手段(长管拖车，液氢罐车)，利用天然气掺氢运输终端分离，实现氢气的大规模低成本的运输。
附图说明
图1为本发明的基于压力能回收的氢气天然气混输与分离装置结构示意图；
图中，1、掺氢天然气管路，2、总缓冲罐，3、膨胀机，4、第一天然气压缩机，5、第一氢气压缩机，6、储水罐，7、分离***，8、第一氢气缓冲罐，9、第一天然气缓冲罐，10、第二氢气缓冲罐，11、第二天然气缓冲罐，12、第二氢气压缩机，13、第二天然气压缩机，14、连接天然气用户端的管路，15、连接氢气用户端的管路；16、水泵，17、膨胀机的进气口，18、膨胀机的出气口，19、第一天然气压缩机的进气口，20、第一天然气压缩机的出气口，21第一氢气压缩机的进气口，22、第一氢气压缩机的出气口，23、第二天然气压缩机的进气口，24、第二天然气压缩机的出气口，25、第二氢气压缩机的进气口，26、第二氢气压缩机的出气口，27、辅助电机。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例中的膜分离装置根据文献《33万吨/年干气提氢新工艺的工程应用研究》(温霜)记载的氢气分离膜***，主要的功能在于分离氢气与原料气，可以分离不同浓度氢气的原料气，得到高浓度氢气。
本发明实施例中的变压吸附装置根据公开号为CN101535174A的专利《氢气的分离方法和分离装置》所记载的方案，其主要的功能在于分离氢气与原料气，采用不同的带压吸附与减压解吸的循环交替，实现氢气的分离。
本发明实施例中的膜分离-变压吸附装置根据文献《膜分离和PSA耦合工艺在某千万吨炼厂氢气回收装置的应用及运行情况分析》(于永洋)，其工艺膜分离装置负责氢气提浓，变压吸附分离装置负责氢气提纯，实现分离得到高纯度氢气。
本发明实施例中冷却水的温度为常温，吸收热能的冷却水温度≤35℃。
本发明实施例中的稳定状态是指膨胀机的工作参数在正常值范围内。
实施例1
基于压力能回收的氢气天然气混输与分离装置结构如图1所示，包括掺氢天然气管路1、压力能回收***、分离***和升压***；
压力能回收***由膨胀机3、第一天然气压缩机4和第一氢气压缩机5组成；膨胀机3上设有膨胀机的进气口17、膨胀机的出气口18、膨胀机的进水口和膨胀机的出水口；第一天然气压缩机4上设有第一天然气压缩机的进气口19、第一天然气压缩机的出气口20、第一天然气压缩机的进水口和第一天然气压缩机的出水口；第一氢气压缩机5上第一氢气压缩机的进气口21、第一氢气压缩机的出气口22，第一氢气压缩机的进水口和第一氢气压缩机的出水口；
膨胀机3与辅助电机27装配在一起，第一天然气压缩机4和第一氢气压缩机5并联与辅助电机27装配在一起；分离***由分离装置7、第一氢气缓冲罐8和第一天然气缓冲罐9组成；
分离装置7设有进气口、氢气出口和天然气出口；第一氢气缓冲罐8上设有进气口和出气口，第一天然气缓冲罐9上设有进气口和出气口；升压***由第二天然气压缩机12和第二氢气压缩机13组成；第二天然气压缩机12上设有第二天然气压缩机的进气口23和第二天然气压缩机的出气口24，第二氢气压缩机上设有第二氢气压缩机的进气口25和第二氢气压缩机的出气口26；
掺氢天然气管路1的出气口与总缓冲罐2的进口连通，总缓冲罐2的出口与膨胀机的进气口17连通，膨胀机的出气口18与分离装置7的进气口连通，分离装置7的氢气出口与第一氢气缓冲罐8的进气口连通，分离装置7的天然气出口与第一天然气缓冲罐9的进气口连通；
第一氢气缓冲罐8的出气口与第一氢气压缩机的进气口21连通，第一天然气缓冲罐9的出气口与第一天然气压缩机的进气口19连通；
第一氢气压缩机的出气口22与第二氢气缓冲罐10的进气口连通，第一天然气压缩机的出气口20与第二天然气缓冲罐11的进气口连通；第二氢气缓冲罐10的出气口与第二氢气压缩机的进气口25连通，第二天然气缓冲罐11的出气口与第二天然气压缩机的进气口23连通；第二氢气压缩机的出气口26与连接氢气用户端的管路15连通，或与掺氢天然气管路1连通；第二天然气压缩机的出气口24与连接天然气用户端的官路14连通；
膨胀机3的出水口与储水罐6的进水口连通，储水罐6的出水口通过带有水泵16的管路同时与第一天然气压缩机4和第一氢气压缩机5的进水口连通；第一天然气压缩机4的出水口和第一氢气压缩机5的出水口同时通过管路与膨胀机3的进水口连通；
分离装置7为膜分离装置；
方法按以下步骤进行：
将掺氢天然气管路的掺氢天然气通入总缓冲罐，将总缓冲罐内的掺氢天然气通入膨胀机，经膨胀机泄压后形成低压掺氢天然气；压力能回收装置从启动到平稳运行分为两个阶段：起始阶段和稳定阶段，起始阶段掺氢天然气进入膨胀机，通过辅助电机为压力能回收***提供主要动力，通过气体膨胀释放的能量提供部分动力；在气体膨胀过程中，控制辅助电机提供的动力逐渐降低，并使气体膨胀提供的动力逐渐增加；当膨胀机的涡轮机叶轮转速到达稳定状态后，进入稳定阶段，此时辅助电机仅用于保持膨胀机的涡轮机叶轮转速保持在正常工作区间；
将低压掺氢天然气通入分离装置，经过分离后分别从氢气出口和天然气出口排出，分别形成低氢天然气和高浓度氢气；所述的低氢天然气中氢气的体积浓度3％；所述的高浓度氢气的氢气体积浓度80％；
将低氢天然气和高浓度氢气分别通入第一天然气缓冲罐和第一氢气缓冲罐，然后分别通入第一天然气压缩机和第一氢气压缩机，经第一次压缩后分别形成一次压缩天然气和一次压缩氢气；膨胀机的涡轮机叶轮转速到达稳定状态后，气体在膨胀机内膨胀时推动膨胀机的叶轮转动；膨胀机的叶轮转动时，带动转轴转动为第一天然气压缩机和第一氢气压缩机提供机械能；开启与储水罐装配在一起的水泵，将储水罐内的冷却水通入第一天然气压缩机和第一氢气压缩机；第一天然气压缩机和第一氢气压缩机工作时产生的热能被冷却水吸收，吸收热能的冷却水通入膨胀机，与膨胀机工作产生的余冷换热，再次形成冷却水返回储水罐；此过程中，第一天然气压缩机和第一氢气压缩机产生的热能，与膨胀机产生的冷能中和；
将一次压缩天然气和一次压缩氢气分别通入第二天然气缓冲罐和第二氢气缓冲罐，然后分别通入第二天然气压缩机和第二氢气压缩机，经第二次压缩后分别形成二次压缩天然气和二次压缩氢气；
将二次压缩天然气和二次压缩氢气分别通入天然气用户端和氢气用户端，或返回掺氢天然气管路；
掺氢天然气管路内的掺氢天然气的压力10MPa，其成分按体积百分比含H2 10％，CH490％；
低压掺氢天然气的压力4Mpa；
一次压缩天然气的压力为掺氢天然气压力的95％；一次压缩氢气的压力为为掺氢天然气压力的95％；
利用膨胀机泄压时将机械能回收，将回收的机械能作为第一天然气压缩机和第一氢气压缩机的机械能，机械能的回收率为95％；
二次压缩天然气的压力为掺氢天然气压力的1.1倍；当二次压缩氢气返回掺氢天然气管路时，其压力为掺氢天然气压力的1.1倍；当二次压缩氢气通入氢气用户端，其压力根据用户要求设定；采用本实施例装置及方法，热交换之后总功率为20kw；在无压力能回收装置情况下，需要压缩机进行升压，总功率为65kw，同时浪费掉从10MPa泄压到4MPa的压力能。
实施例2
基于压力能回收的氢气天然气混输与分离装置结构同实施例1，不同点在于：
分离装置7为变压吸附装置；
方法同实施例1，不同点在于：
(1)低氢天然气中氢气的体积浓度2％；所述的高浓度氢气的氢气体积浓度85％；
(2)掺氢天然气管路内的掺氢天然气的压力9MPa。
(3)膨胀机泄压后形成低压掺氢天然气的压力4.5MPa。
(4)一次压缩天然气的压力为掺氢天然气压力的80％；一次压缩氢气的压力为为掺氢天然气压力的80％。
(5)机械能的回收率为80％。
(6)二次压缩天然气的压力为掺氢天然气压力的1.2倍；当二次压缩氢气返回掺氢天然气管路时，其压力为掺氢天然气压力的1.2倍。
实施例3
基于压力能回收的氢气天然气混输与分离装置结构同实施例1，不同点在于：
分离装置7为膜分离-变压吸附装置；
方法同实施例1，不同点在于：
(1)低氢天然气中氢气的体积浓度2％；所述的高浓度氢气的氢气体积浓度85％；
(2)掺氢天然气管路内的掺氢天然气的压力8MPa；
(3)膨胀机泄压后形成低压掺氢天然气的压力3MPa；
(4)一次压缩天然气的压力为掺氢天然气压力的50％；一次压缩氢气的压力为为掺氢天然气压力的50％；
(5)机械能的回收率为50％；
(6)二次压缩天然气的压力为掺氢天然气压力的1.2倍；当二次压缩氢气返回掺氢天然气管路时，其压力为掺氢天然气压力的1.2倍。

Claims (10)

1.一种基于压力能回收的氢气天然气混输与分离装置，其特征在于包括掺氢天然气管路、压力能回收***、分离***和升压***；压力能回收***由膨胀机、第一天然气压缩机和第一氢气压缩机组成；膨胀机上设有进气口、出气口、进水口和出水口；第一天然气压缩机上设有进气口、出气口、进水口和出水口；第一氢气压缩机上进气口、出气口，进水口和出水口；膨胀机与辅助电机装配在一起，第一天然气压缩机和第一氢气压缩机并联与辅助电机装配在一起；分离***由分离装置、第一氢气缓冲罐和第一天然气缓冲罐组成；分离装置设有进气口、氢气出口和天然气出口；第一氢气缓冲罐上设有进气口和出气口，第一天然气缓冲罐上设有进气口和出气口；升压***由第二天然气压缩机和第二氢气压缩机组成；第二天然气压缩机上设有进气口和出气口，第二氢气压缩机上设有进气口和出气口；掺氢天然气管路的出气口与总缓冲罐的进口连通，总缓冲罐的出口与膨胀机的进气口连通，膨胀机的出气口与分离装置的进气口连通，分离装置的氢气出口与第一氢气缓冲罐的进气口连通，分离装置的天然气出口与第一天然气缓冲罐的进气口连通；第一氢气缓冲罐的出气口与第一氢气压缩机的进气口连通，第一天然气缓冲罐的出气口与第一天然气压缩机的进气口连通；第一氢气压缩机的出气口与第二氢气缓冲罐的进气口连通，第一天然气压缩机的出气口与第二天然气缓冲罐的进气口连通；第二氢气缓冲罐的出气口与第二氢气压缩机的进气口连通，第二天然气缓冲罐的出气口与第二天然气压缩机的进气口连通；第二氢气压缩机的出气口与氢气用户端连通，或与掺氢天然气管路连通；第二天然气压缩机的出气口与掺氢天然气管路连通，或与天然气用户端连通。
2.根据权利要求1所述的基于压力能回收的氢气天然气混输与分离装置，所述的膨胀机的出水口与储水罐的进水口连通，储水罐的出水口通过带有水泵的管路同时与第一天然气压缩机和第一氢气压缩机的进水口连通；第一天然气压缩机的出水口和第一氢气压缩机的出水口同时通过管路与膨胀机的进水口连通。
3.根据权利要求1所述的基于压力能回收的氢气天然气混输与分离装置，所述的分离装置为膜分离装置，或者为变压吸附装置，或者为膜分离-变压吸附装置。
4.一种基于压力能回收的氢气天然气混输与分离方法，其特征在于采用权利要求1所述的装置，按以下步骤进行：
(1)将掺氢天然气管路的掺氢天然气通入总缓冲罐，将总缓冲罐内的掺氢天然气通入膨胀机，经膨胀机泄压后形成低压掺氢天然气；压力能回收装置从启动到平稳运行分为两个阶段：起始阶段和稳定阶段，起始阶段掺氢天然气进入膨胀机，通过辅助电机为压力能回收***提供主要动力，通过气体膨胀释放的能量提供部分动力；在气体膨胀过程中，控制辅助电机提供的动力逐渐降低，并使气体膨胀提供的动力逐渐增加；当膨胀机的涡轮机叶轮转速到达稳定状态后，进入稳定阶段，此时辅助电机仅用于保持膨胀机的涡轮机叶轮转速保持在正常工作区间；
(2)将低压掺氢天然气通入分离装置，经过分离后分别从氢气出口和天然气出口排出，分别形成低氢天然气和高浓度氢气；所述的低氢天然气中氢气的体积浓度≤3％；所述的高浓度氢气的氢气体积浓度≥80％；
(3)将低氢天然气和高浓度氢气分别通入第一天然气缓冲罐和第一氢气缓冲罐，然后分别通入第一天然气压缩机和第一氢气压缩机，经第一次压缩后分别形成一次压缩天然气和一次压缩氢气；
(4)将一次压缩天然气和一次压缩氢气分别通入第二天然气缓冲罐和第二氢气缓冲罐，然后分别通入第二天然气压缩机和第二氢气压缩机，经第二次压缩后分别形成二次压缩天然气和二次压缩氢气；
(5)将二次压缩天然气和二次压缩氢气分别通入天然气用户端和氢气用户端，或返回掺氢天然气管路。
5.根据权利要求4所述的种基于压力能回收的氢气天然气混输与分离方法，其特征在于步骤(3)中，膨胀机的涡轮机叶轮转速到达稳定状态后，气体在膨胀机内膨胀时推动膨胀机的叶轮转动；膨胀机的叶轮转动时，带动转轴转动为第一天然气压缩机和第一氢气压缩机提供机械能。
6.根据权利要求4所述的种基于压力能回收的氢气天然气混输与分离方法，其特征在于步骤(3)中，开启与储水罐装配在一起的水泵，将储水罐内的冷却水通入第一天然气压缩机和第一氢气压缩机；第一天然气压缩机和第一氢气压缩机工作时产生的热能被冷却水吸收，吸收热能的冷却水通入膨胀机，与膨胀机工作产生的余冷换热，再次形成冷却水返回储水罐；此过程中，第一天然气压缩机和第一氢气压缩机产生的热能，与膨胀机产生的冷能中和。
7.根据权利要求4所述的种基于压力能回收的氢气天然气混输与分离方法，其特征在于步骤(1)中，掺氢天然气管路内的掺氢天然气的压力≤10MPa。
8.根据权利要求4所述的种基于压力能回收的氢气天然气混输与分离方法，其特征在于步骤(1)中，膨胀机泄压后形成低压掺氢天然气的压力≤4MPa。
9.根据权利要求4所述的种基于压力能回收的氢气天然气混输与分离方法，其特征在于步骤(3)中，一次压缩天然气的压力为掺氢天然气压力的50～95％；一次压缩氢气的压力为为掺氢天然气压力的50～95％。
10.根据权利要求4所述的种基于压力能回收的氢气天然气混输与分离方法，其特征在于步骤(3)中，利用膨胀机泄压时将机械能回收，将回收的机械能作为第一天然气压缩机和第一氢气压缩机的机械能，机械能的回收率为50～95％。
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