随着全球对清洁能源和可持续发展的追求日益加深，氢能作为一种高效、清洁的能源载体，正逐步走进人们的视野。作为氢能产业链中的关键环节，氢气纯化技术不仅关乎氢能的安全性和可靠性，更直接影响到氢能的应用范围和经济效益。
氢气作为化工原料和能源载体，其纯度和杂质含量对于不同应用场景具有不同要求。在合成氨、甲醇等化工生产中，为防止催化剂中毒、保证产品质量，原料气中的硫化物等毒物必须预先去除，使杂质含量降低至符合要求。而在冶金、陶瓷、玻璃、半导体等工业领域，氢气直接与产品接触，对纯度和杂质含量的要求更为苛刻。例如，在半导体工业中，氢气用于晶体和衬底的制备、氧化、退火等工序，对氢气中的氧、水、重烃、硫化氢等杂质含量有极高的限制。具体氢气纯度等级见表1所示。
在催化剂的作用下，氢气中的少量氧气可与氢气发生化合反应生成水，达到除氧目的。该反应为放热反应，反应式如下：
因为催化剂自身的组成、化学性质和质量在反应前后均不发生变化，因此催化剂可连续使用，无需再生。
脱氧器为内、外筒结构，催化剂装填在外筒和内筒之间，防爆电加热组件安装在内筒内，两个温度传感器分别位于催化剂填料的顶端和底端，用于检测和控制反应温度。外筒外部包覆保温层，可防止热量散失及避免烫伤。原料氢气从脱氧器上端入口进入内筒，经电加热元件加热，由下至上流经催化剂床层，原料氢气中的氧气与氢气在催化剂的作用下发生化合反应生成水，从下端出口流出的氢气中的氧含量可降至1ppm以下。化合生成的水以气态形式随氢气流出脱氧器，在随后的氢气冷却器中冷凝，在气水分离器中过滤并被排出系统。
氢气的干燥采用的是吸附法，用分子筛作为吸附剂，干燥后氢气的露点可达到-70℃以下。分子筛是一种具有立方晶格的硅铝酸盐化合物，经脱水后内部形成了许多大小相同的空腔，具有极大的表面积。能把形状直径大小不同的分子、极性程度不同的分子、沸点不同的分子、饱和程度不同的分子分离开来，故称为分子筛。
水是极性很强的分子，分子筛对水有强烈的亲和力。分子筛的吸附为物理吸附，当吸附饱和后，需要一段时间进行加热再生才能再次进行吸附。因此一台纯化装置中至少包含两台干燥器，一台工作时另一台再生，才能保证连续不断的生产露点稳定的氢气。
干燥器为内、外筒结构，吸附剂装填在外筒和内筒之间，防爆电加热组件安装在内筒内，两个温度传感器分别位于分子筛填料的顶端和底端，用于检测和控制反应温度。外筒外部包覆保温层，可防止热量散失及避免烫伤。吸附状态（包括主工作状态和次工作状态）和再生状态的气流是反向的。吸附状态时上端管口为气体出口，下端管口为气体进口，再生状态时上端管口为气体进口，下端管口为气体出口。干燥系统按照干燥器的数量可分为两塔干燥器和三塔干燥器。
装置中设置了两台干燥器，在一个循环周期（48小时）内进行交替工作、再生，从而实现整套装置工作的连续性，干燥后氢气的露点可达到-60℃以下。在一个工作周期（48h）中，干燥器A、B分别经历工作、再生状态。
一个切换周期中，干燥器共经历2个状态：工作状态和再生状态。
·再生状态：处理气量为全气量：再生状态包括加热阶段和吹冷阶段；
1）加热阶段—干燥器内加热器工作，当上部温度达到设定值或加热时间达到设定值后，自动停止加热；
2）吹冷阶段—干燥器停止加热后，气流继续按原路流过干燥器，以使干燥器降温，直至干燥器切换至工作状态。
·工作状态：处理气量为全气量，干燥器内加热器不工作。
目前采用三塔的工艺较多。装置中设置了三台干燥器，干燥器内装有吸附容量大、耐温性好的干燥剂（分子筛）。三台干燥器交替工作、再生、吸附，以实现整套装置工作的连续性，干燥后氢气的露点可达到-70℃以下。
一个切换周期中，干燥器共经历3个状态：工作、吸附、再生。对于每个状态，原料氢气经脱氧、冷却、滤水后进入的第一个干燥器处于：
1）工作状态：处理气量为全气量，干燥器内加热器不工作，介质为未脱水的原料氢气；
2）再生状态：20%气量：再生状态包括加热阶段和吹冷阶段；
加热阶段—干燥器内加热器工作，当上部温度达到设定值或加热时间达到设定值后，自动停止加热；
吹冷阶段—干燥器停止加热后，气流继续按原路流过干燥器，以使干燥器降温，直至干燥器切换至工作状态；干燥器处于再生阶段时介质为经过脱水的干燥氢气；
3）吸附状态：处理气量20%，干燥器内加热器不工作，介质为再生用氢气。
撰文 | 天际氢能测试中心经理 王星宇
审校 | 天际氢能技术总监 邹宏伟
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原文始发于微信公众号（Hydrizon 天际氢能）：氢·技术 | 浅析电解水制氢纯化装置
