技术领域
[0001] 本
发明属于氢气膜分离纯化领域，特别涉及一种撬装式高纯氢纯化装置。
背景技术
[0002] 随着化石
能源的减少和动
力电池能源的发展
瓶颈到来，以及氢气作为二次能源的优异特性，如燃烧性能好，效率高，清洁无污染，不造成
温室效应等，政府和研究机构都将目光转移到了氢能源方向。近日，国家发改委和国家能源局在系统内部印发《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》，并同时发布了《能源技术革命重点创新行动路线图》，提出了15项重点创新任务，包括
煤炭清洁高效利用技术创新、先进核能技术创新、氢能与
燃料电池技术创新、先进储能技术创新、能源互联网技术创新等。
[0003] 研究基于
可再生能源及先进核能的制氢技术、新一代煤催化
气化制氢和甲烷重整/部分
氧化制氢技术、分布式制氢技术、氢气纯化技术，开发氢气储运的关键材料及技术设备，实现大规模、低成本氢气的制取、存储、运输、应用一体化，以及加氢站现场储氢、制氢模式的标准化和推广应用等，都是氢能与
燃料电池技术的重点任务。传统工艺制氢中往往产生许多副产物，如CO、CO2、O2、H2O、CH4等杂质，而氢的大部分应用领域对氢的纯度都有很高的要求。根据国标《氢燃料品质要求第1部分：
质子交换膜燃料电池
汽车用燃料》中的要求，用于燃料电池的氢气纯度标准至少要达到99.999%。同时，近十年来，我国大规模集成
电路、
液晶显示和光纤通讯器件等
半导体行业爆发式增长，对高纯气体(99.999%～99.9999%)的
质量要求也十分严苛。因此，当前，市场对高纯氢的需求数量和质量均逐步提升，市场前景较好。
[0004] 低耗和高效的分离方法一直是气体分离领域的难题，传统的氢的分离与纯化主要用变压
吸附技术，对设备的要求较高，投入大。随着技术的发展，成本问题成为关系氢能成本与应用的关键环节。膜分离法是一种根据膜对特定气体的选择透过性实现气体的分离，在压力驱动下，借助于气体中各组分在膜表面上的吸附能力或在膜内溶解-扩散上的差异，通过膜的选择渗透作用将气体分离得到目的气体。膜分离法具有无变相，投资省、能耗低、占地少，而且设备简单，操作方便，运行可靠性高等特点。金属钯及其
合金膜是最早用于氢气分离研究的金属膜，这归结于其对氢气具有优异的渗透性和选择性。
专利CN101372314、CN201301223给出了提纯氢气制备高纯及超高纯氢气的设备及钯膜组件装置，阐述了增加预处理步骤或者在换热器和钯膜分离器之间增加气液分离器，有助于除去
合成气或经换热器的原料气中的大量
水蒸汽，膜分离效率得到提高。
发明内容
[0005] 本实用新型旨在提供一种撬装式高纯氢纯化装置，将用于前处理、气体分离提纯、尾气再利用等的设备集成。占地面积小，氢气利用率高，操作压力小，安全性高，操作弹性大，适合多种应用场景。
[0006] 本实用新型的主要技术方案：撬装式高纯氢纯化装置，其特征在于包括如下设备：
脱硫吸附床、颗粒
过滤器、一级金属钯合金膜分离器、二级金属钯合金膜分离器、一级加热器、二级加热器、一级
增压泵、二级
增压泵、第一储气罐、第二储气罐、第三储气罐、第四储气罐、换热器、蓄热式加热炉，各设备通过管道相连：粗氢通过脱硫吸附床、颗粒过滤器后进入第一储气罐，通过一级增压泵进行增压储存在第二储气罐；加压后的气体从第二储气罐进入一级加热器，增压加热后的气体进入一级金属钯合金膜分离器，一部分透过钯合金膜分离器成为高纯氢气产品，另一部分截流气进入第三储气罐；从一级金属钯合金膜分离器出口流出的高纯氢气经过换热器把热量交换到一级金属钯合金膜分离器入口气，作为补充热量循环使用；第三储气罐中的气体经二级增压泵增压后进入第四储气罐，再经二级加热器加热，通入二级金属钯合金膜分离器提纯，汇入到第一储气罐，二级金属钯合金膜分离器的截流气经蓄热式加热炉燃烧后热量再利用。
[0007] 进一步地，所述管道上设置有流量调节
阀并配有流量显示器，显示管路中气体流量。
[0008] 进一步地，所述、第一储气罐、第二储气罐、第三储气罐、第四储气罐上连接压力计和压力报警装置，显示储气罐内压力，在压力过高时报警。
[0009] 进一步地，所述一级金属钯合金膜分离器和二级金属钯合金膜分离器内部，钯合金膜在管件表面的组织方式为卷绕式、平板式中的一种或两种。
[0010] 进一步地，所述一级金属钯合金膜分离器和二级金属钯合金膜分离器中，钯合金膜由钯和其他金属组成，其他金属选自
银、金、
铜、镍、锆、镓、
铝、
钛中的一种或多种。
[0011] 进一步地，所述一级加热器和二级加热器为
套管式、板式、列管式或管壳式换热器中的一种或多种。
[0012] 进一步地，所述蓄热式加热炉采用大气式
燃烧器，利用该热量将换热介质加热。
[0013] 本实用新型提出的撬装式高纯氢纯化装置采用钯合金膜分离器从粗氢（来源可能是
电解水制氢、甲醇
裂解气、煤制气、
水煤气转化等）中分离得到纯化的高纯度氢时，综合考虑操作的弹性、经济性和安全性，通过二次分离提纯尽可能减少粗氢中氢气的损失，利用蓄热式加热炉回收废气热量，通过换热器将出口气
温度交换到入口气处，提高入口器温度的同时提高
能量利用率。
[0014] 本实用新型中的撬装式高纯氢纯化装置操作较为简便，操作压力小、弹性大、安全性好，钯合金膜分离氢气效率高，经济效益好，充分利用了一级分离器的截流气，为高效生产高纯度氢气提供了一种更优化的成套装置。
附图说明
[0015] 图 1 为
实施例撬装式高纯氢纯化装置的连接结构示意图。
[0016] 图中，1为脱硫吸附床，2为颗粒过滤器，3为第一储气罐，4为一级增压泵，5为第二储气罐，6为一级加热器，7为一级金属钯合金膜分离器，8为换热器，9为第三储气罐，10为二级增压泵，11为第四储气罐，12为二级加热器，13为二级金属钯合金膜分离器，14为蓄热式加热炉。
具体实施方式
[0017] 为了更好地理解本实用新型的技术方案，以下结合实施例和附图进一步说明本实用新型，需要说明的是，实施例并不构成对本发明保护范围的限定。实施例
[0018] 撬装式高纯氢纯化装置如图 1 所示，采用钯合金膜纯化氢气得到高纯氢，装置包括脱硫吸附床1，颗粒过滤器2，第一储气罐3，一级增压泵4，第二储气罐5，一级加热器6，一级金属钯合金膜分离器7，换热器8，第三储气罐9，二级增压泵10，第四储气罐11，二级加热器12，二级金属钯合金膜分离器13，蓄热式加热炉14。由管道将上述装置按照图1中顺序进行连接。
[0019] 根据工艺，上述各设备之间存在下述关系：粗氢通过脱硫吸附床，颗粒过滤器，去除原料粗氢中的
硫化氢等硫化物和颗粒杂质；过滤后的粗氢经管线进入第一储气罐，通过一级增压泵进行增压接着储存在第二储气罐；加压后的气体从第二储气罐进入一级加热器，气体在一级加热器中被加热；增压加热后的气体进入一级金属钯合金膜分离器中，一部分透过钯合金膜分离器成为高纯氢气产品，另一部分截流气经进入第三储气罐；从一级金属钯合金膜分离器出口流出的高纯氢气经过换热器把热量交换到一级金属钯合金膜分离器入口气，作为补充热量循环使用；第三储气罐中的气体经二级增压泵增压后进入第四储气罐，再经二级加热器加热，通入二级金属钯合金膜分离器提纯，汇入到第一储气罐。二级金属钯合金膜分离器的截流气经燃烧将热量再利用。其中，在粗氢进入脱硫吸附床、过滤颗粒后的粗氢进入第一储气罐、加压加热后的粗氢进入一级金属钯合金膜分离器、提纯得到的高纯氢排出、增压加热后的截流气进入二级金属钯合金膜分离器、经二级金属钯合金膜分离器纯化过的氢气以及二级截流气的前面或后面，有针型阀或质量流量计控制和显示流量。
[0020] 实施例中，第一储气罐3、第二储气罐5、第三储气罐9、第四储气罐11上连接压力计和压力报警装置，显示储气罐内压力，在压力过高时报警。
[0021] 实施例中，一级金属钯合金膜分离器7和二级金属钯合金膜分离器13内部，钯合金膜在管件表面的组织方式为卷绕式；一级金属钯合金膜分离器7和二级金属钯合金膜分离器13中，钯合金膜由钯和其他金属组成，其他金属选自银、金、铜、镍、锆、镓、铝、钛中的一种或多种。
[0022] 实施例中，一级加热器6和二级加热器12为管壳式换热器；蓄热式加热炉14采用大气式燃烧器，利用该热量将换热介质加热。
[0023] 应用实例1
[0024] 采用实施例装置，将来自甲醇裂解气的75.2%粗氢通过脱硫吸附床，颗粒过滤器，经过一级加热器、一级加
热泵后粗氢温度350℃、压力1MPa，在质量流量计的控制下，该粗氢进入一级金属钯合金膜分离器中，在压力的驱动下仅有氢气透过钯金属膜来到膜的另一侧，富集起来，得到高纯氢气；高纯氢气成为产品由管路引出分离装置整体；而含杂质的粗氢被截留在原侧，定期打开截流气出口阀，截流气通入第三储气罐。同时，通过换热器，将高纯氢气产品的热量与从第二储气罐流出的粗氢换热。
[0025] 第二储气罐中的粗氢经过二级增压泵进入第三储气罐，再经过二级加热器和二级加热泵达到300℃，1.5MPa，在质量流量计的控制下，二级粗氢通入到二级金属钯合金膜分离器中，纯化得到的74%氢气在针型阀的控制下汇入到第一储气罐中；而二级截流气通过蓄热式加热炉将热量再利用于加热前述换热器介质。通过一级进出口换热和尾气热量
回收利用，一级入口温度可在经过一级加热器前温度提高到79℃。经过两级纯化的氢气纯度为99.999%，杂质含量符合国标，粗氢利用率为70%。
[0026] 应用实例2
[0027] 原料气为含81.7%的来自甲醇裂解气的粗氢，纯化过程中与实施例1采用相同的装置与流程步骤。
[0028] 通过一级加热器后温度为290℃，一级增压泵压力为1.2MPa；通过二级加热器加热后温度为350℃，二级增压泵后压力为1.6MPa，二级纯化得到80%的氢气汇入一级入口管线。通过一级进出口换热和尾气热量回收利用，一级入口温度可在经过一级加热器前温度提高到74℃。经过两级纯化的氢气纯度为99.999%，杂质含量符合国标，粗氢利用率为80%。
[0029] 从以上应用实例可以看出，采用实施例的装置，能够将分离提纯后得到的高纯气和截流气抽离出反应体系，可以起到促进化学平衡移动的作用，有利于分离得到更高纯度的氢气；采用二级分离将一级截流气提浓再返回到进料管道，保留氢气利用率的同时降低了操作压力；充分利用最终截留的低浓度氢气，通过蓄热式加热炉收集出口氢气热量，用于加热换热介质，提高能源利用率和安全性。
