隨著全球對清潔能源和可持續發展的追求日益加深，氫能作為一種高效、清潔的能源載體，正逐步走進人們的視野。作為氫能產業鏈中的關鍵環節，氫氣純化技術不僅關乎氫能的安全性和可靠性，更直接影響到氫能的應用范圍和經濟效益。
氫氣作為化工原料和能源載體，其純度和雜質含量對于不同應用場景具有不同要求。在合成氨、甲醇等化工生產中，為防止催化劑中毒、保證產品質量，原料氣中的硫化物等毒物必須預先去除，使雜質含量降低至符合要求。而在冶金、陶瓷、玻璃、半導體等工業領域，氫氣直接與產品接觸，對純度和雜質含量的要求更為苛刻。例如，在半導體工業中，氫氣用于晶體和襯底的制備、氧化、退火等工序，對氫氣中的氧、水、重烴、硫化氫等雜質含量有極高的限制。具體氫氣純度等級見表1所示。
在催化劑的作用下，氫氣中的少量氧氣可與氫氣發生化合反應生成水，達到除氧目的。該反應為放熱反應，反應式如下：
因為催化劑自身的組成、化學性質和質量在反應前后均不發生變化，因此催化劑可連續使用，無需再生。
脫氧器為內、外筒結構，催化劑裝填在外筒和內筒之間，防爆電加熱組件安裝在內筒內，兩個溫度傳感器分別位于催化劑填料的頂端和底端，用于檢測和控制反應溫度。外筒外部包覆保溫層，可防止熱量散失及避免燙傷。原料氫氣從脫氧器上端入口進入內筒，經電加熱元件加熱，由下至上流經催化劑床層，原料氫氣中的氧氣與氫氣在催化劑的作用下發生化合反應生成水，從下端出口流出的氫氣中的氧含量可降至1ppm以下。化合生成的水以氣態形式隨氫氣流出脫氧器，在隨后的氫氣冷卻器中冷凝，在氣水分離器中過濾并被排出系統。
氫氣的干燥采用的是吸附法，用分子篩作為吸附劑，干燥后氫氣的露點可達到-70℃以下。分子篩是一種具有立方晶格的硅鋁酸鹽化合物，經脫水后內部形成了許多大小相同的空腔，具有極大的表面積。能把形狀直徑大小不同的分子、極性程度不同的分子、沸點不同的分子、飽和程度不同的分子分離開來，故稱為分子篩。
水是極性很強的分子，分子篩對水有強烈的親和力。分子篩的吸附為物理吸附，當吸附飽和后，需要一段時間進行加熱再生才能再次進行吸附。因此一臺純化裝置中至少包含兩臺干燥器，一臺工作時另一臺再生，才能保證連續不斷的生產露點穩定的氫氣。
干燥器為內、外筒結構，吸附劑裝填在外筒和內筒之間，防爆電加熱組件安裝在內筒內，兩個溫度傳感器分別位于分子篩填料的頂端和底端，用于檢測和控制反應溫度。外筒外部包覆保溫層，可防止熱量散失及避免燙傷。吸附狀態（包括主工作狀態和次工作狀態）和再生狀態的氣流是反向的。吸附狀態時上端管口為氣體出口，下端管口為氣體進口，再生狀態時上端管口為氣體進口，下端管口為氣體出口。干燥系統按照干燥器的數量可分為兩塔干燥器和三塔干燥器。
裝置中設置了兩臺干燥器，在一個循環周期（48小時）內進行交替工作、再生，從而實現整套裝置工作的連續性，干燥后氫氣的露點可達到-60℃以下。在一個工作周期（48h）中，干燥器A、B分別經歷工作、再生狀態。
一個切換周期中，干燥器共經歷2個狀態：工作狀態和再生狀態。
·再生狀態：處理氣量為全氣量：再生狀態包括加熱階段和吹冷階段；
1）加熱階段—干燥器內加熱器工作，當上部溫度達到設定值或加熱時間達到設定值后，自動停止加熱；
2）吹冷階段—干燥器停止加熱后，氣流繼續按原路流過干燥器，以使干燥器降溫，直至干燥器切換至工作狀態。
·工作狀態：處理氣量為全氣量，干燥器內加熱器不工作。
目前采用三塔的工藝較多。裝置中設置了三臺干燥器，干燥器內裝有吸附容量大、耐溫性好的干燥劑（分子篩）。三臺干燥器交替工作、再生、吸附，以實現整套裝置工作的連續性，干燥后氫氣的露點可達到-70℃以下。
一個切換周期中，干燥器共經歷3個狀態：工作、吸附、再生。對于每個狀態，原料氫氣經脫氧、冷卻、濾水后進入的第一個干燥器處于：
1）工作狀態：處理氣量為全氣量，干燥器內加熱器不工作，介質為未脫水的原料氫氣；
2）再生狀態：20%氣量：再生狀態包括加熱階段和吹冷階段；
加熱階段—干燥器內加熱器工作，當上部溫度達到設定值或加熱時間達到設定值后，自動停止加熱；
吹冷階段—干燥器停止加熱后，氣流繼續按原路流過干燥器，以使干燥器降溫，直至干燥器切換至工作狀態；干燥器處于再生階段時介質為經過脫水的干燥氫氣；
3）吸附狀態：處理氣量20%，干燥器內加熱器不工作，介質為再生用氫氣。
撰文 | 天際氫能測試中心經理 王星宇
審校 |?天際氫能技術總監 鄒宏偉
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原文始發于微信公眾號（Hydrizon 天際氫能）：氫·技術 | 淺析電解水制氫純化裝置
