[發明專利]一種采用鈀合金膜純化制取高純氫工藝

有效

• 申請號: 201910198293.1
• 申請日: 2019-03-15
• 公開（公告）號: CN111689469B
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發明（設計）人: 江洋洋;張楚璠;孔京;黃偉;賀向坡
• 申請（專利權）人: 中國石油化工股份有限公司;中石化南京化工研究院有限公司
• 主分類號: C01B3/50
• 分類號: C01B3/50
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 湯志武

本發明涉及一種采用鈀合金膜純化制取高純氫工藝，將粗氫通過脫硫吸附床，顆粒過濾器，加熱器，增壓泵，接著粗氫進入金屬鈀合金膜分離器中，一級分離器的出口氣經換熱器把熱量交換到入口處。一級分離器的截流氣通入二次分離器中提純到一定純度，再匯入到一級分離器進口氣管路。另外，利用蓄熱式加熱爐回收廢氣熱量進一步提高能量利用率。本發明過程較簡單、清潔、節能，所得氫氣適用于燃料電池、半導體器件和精密儀器等。同時，對原料氣要求不高，所用撬裝式設備方便移動，可以直接以工業化產氫為原料實現現場提純得到高純氫氣。

技術領域

本發明屬于氫氣膜分離純化領域，特別涉及一種氫氣膜分離純化工藝方法。

背景技術

隨著化石能源的減少和動力電池能源的發展瓶頸到來，以及氫氣作為二次能源的優異特性，如燃燒性能好，效率高，清潔無污染，不造成溫室效應等，政府和研究機構都將目光轉移到了氫能源方向。近日，國家發改委和國家能源局在系統內部印發《能源技術革命創新行動計劃（2016-2030年）》，并同時發布了《能源技術革命重點創新行動路線圖》，提出了15項重點創新任務，包括煤炭清潔高效利用技術創新、先進核能技術創新、氫能與燃料電池技術創新、先進儲能技術創新、能源互聯網技術創新等。

研究基于可再生能源及先進核能的制氫技術、新一代煤催化氣化制氫和甲烷重整/部分氧化制氫技術、分布式制氫技術、氫氣純化技術，開發氫氣儲運的關鍵材料及技術設備，實現大規模、低成本氫氣的制取、存儲、運輸、應用一體化，以及加氫站現場儲氫、制氫模式的標準化和推廣應用等，都是氫能與燃料電池技術的重點任務。傳統工藝制氫中往往產生許多副產物，如CO、CO₂、O₂、H₂O、CH₄等雜質，而氫的大部分應用領域對氫的純度都有很高的要求。根據國標《氫燃料品質要求第1部分：質子交換膜燃料電池汽車用燃料》中的要求，用于燃料電池的氫氣純度標準至少要達到99.999%。同時，近十年來，我國大規模集成電路、液晶顯示和光纖通訊器件等半導體行業爆發式增長，對高純氣體(99.999%～99.9999%)的質量要求也十分嚴苛。因此，當前，市場對高純氫的需求數量和質量均逐步提升，市場前景較好。

低耗和高效的分離方法一直是氣體分離領域的難題，傳統的氫的分離與純化主要用變壓吸附技術，對設備的要求較高，投入大。隨著技術的發展，成本問題成為關系氫能成本與應用的關鍵環節。膜分離法是一種根據膜對特定氣體的選擇透過性實現氣體的分離，在壓力驅動下，借助于氣體中各組分在膜表面上的吸附能力或在膜內溶解-擴散上的差異，通過膜的選擇滲透作用將氣體分離得到目的氣體。膜分離法具有無變相，投資省、能耗低、占地少，而且設備簡單，操作方便，運行可靠性高等特點。金屬鈀及其合金膜是最早用于氫氣分離研究的金屬膜，這歸結于其對氫氣具有優異的滲透性和選擇性。

專利CN201710568915.6、CN201720903241.6給出了從煤制氣中提純氫氣制備高純及超高純氫氣的工藝方法，機械裝置、控制系統和分離流程。其中要將低品位的煤制混合氣提純到高純氫氣，是將PSA變壓吸附和膜分離氫氣結合使用，這也是目前常規使用的混合手段提純氫氣。PSA設備投入大，操作彈性小，操作壓力大，再投入和安全性上優勢不明顯。而不經過PSA直接采用金屬膜分離工藝中，為了獲得較大的氫氣回收率，一般選用較大的操作壓力，且截流氣直接排放或燃燒（有明火），安全性存疑且未能充分利用能量。

發明內容

本發明的目的旨在提供一種采用中試級別的撬裝式裝置提純氫氣的工藝方法，將前處理、氣體分離提純、尾氣再利用等設備集成。占地面積小，氫氣利用率高，操作壓力小，安全性高，操作彈性大，適合多種應用場景。

采用鈀合金膜分離的工藝方法能夠將分離提純后得到的高純氣和截流氣抽離出反應體系，可以起到促進化學平衡移動的作用，有利于分離得到更高純度的氫氣；采用二級分離將一級截流氣提濃再返回到進料管道，保留氫氣利用率的同時降低了操作壓力；充分利用最終截留的低濃度氫氣，通過蓄熱式加熱爐收集出口氫氣熱量，用于加熱換熱介質，提高能源利用率和安全性。