一种高压氢气分离装置、系统和方法

技术领域

本发明涉及新能源领域，尤其涉及到一种高压氢气分离装置、系统和方法。

背景技术

在氢能行业中，目前广泛存在对氢气进行增压输送、增压储存等工艺，但是用于对氢气进行增压的各种类型的氢气压缩机，尤其是以液压驱动的活塞式压缩机，其液压油渗漏进入被增压氢气侧的问题一直是潜在的油污染隐患。活塞式压缩机在正常工作时会有微量的液压油随着缸体内壁泄露到氢气侧，隔膜式压缩机当出现膜片被全部击穿时会有大量的油进入后端氢气中，离子液式压缩机也面临离子液分离不透彻的问题，上述问题在压缩机系统的防护中无法解决。

当液压油与氢气互窜就会导致设备损坏，无法正常运行，若没有做好防止含油氢气向下游输送的措施，则会导致下游设备被污染，进一步造成场站及企业的经济损失。因此在压缩机本身还没有有效方法从源头上杜绝的情况下，需要发明被动防护技术和方法来确保氢气的纯度不受油污染的影响。

为了解决上述问题，现有的解决方法是将受污染的高压氢气导入氢气分离装置中，通过高压氢气和液体分离来实现氢气的分离和提纯。

高压氢气分离是指将高压氢气中的液体杂质进行分离的过程。高压氢气分离通常采用氢气分离膜技术。氢气分离膜能够根据氢气的渗透性能和选择性，将高压氢气中的液体分离出来。这些膜材料可以通过控制膜的孔隙大小和结构，实现对氢气和不同液体的分离。

在高压氢气分离过程中，一般需要考虑以下因素：

膜材料的选择：选择适合高压氢气分离的膜材料，如聚合物膜、无机膜或金属膜等，以满足高压氢气分离的要求。

分离效率：膜的分离效率是指膜材料对杂质气体的选择性，以及对氢气的渗透性能。高分离效率可以实现更好的气体分离效果。

常用的氢气分离膜包括聚合物膜、无机膜和金属膜等。聚合物膜通常具有较高的氢气渗透性和选择性，但其机械强度一般，在高压氢气的冲击下会发生形变，影响氢气的分离效率。无机膜和金属膜通常具有较高的热稳定性和机械强度，常用材料包括氧化铝膜、氧化硅膜和钛合金膜等，但其分离效率有待提升。

因此，有必要针对现有的氢气分离装置进行改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压氢气分离装置、系统和方法，利用膜分离技术，配合高承压能力结构设计，可以将高压氢气中的液压油分离出去，然后将氢气向下游输送，通过氢气分离膜的适当选型，系统设备可以用于高压氢气和油的在线分离。通过氢气分离装置中氢气分离单元数量的调整可以适用于不同氢气处理量需求。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案实现的：

一种高压氢气分离装置，包括若干氢气分离单元、设置在若干氢气分离单元进气侧的进气侧端板、以及设置在若干氢气分离单元排气侧的排气侧端板，进气侧端板、若干氢气分离单元和排气侧端板通过紧固组件连接固定；

在进气侧端板上设有与内部的若干氢气分离单元连通的进气管路，在氢气分离单元的顶端和底端分别设有与氢气分离单元连通的高纯氢气导出管道和杂质导出管道，含杂质氢气通过进气管路导入内部的若干氢气分离单元，且经氢气分离单元分离为高纯度氢气和杂质后，分别将其由高纯氢气导出管道和杂质导出管道排出。

进一步的，所述氢气分离单元包括一组相对设置的进气侧气体扩散层及支撑体和排气侧气体扩散层及支撑体，在进气侧气体扩散层及支撑体和排气侧气体扩散层及支撑体的外侧分别设有一组进气侧隔板和排气侧隔板，进气侧气体扩散层及支撑体与进气侧隔板之间有进气流路，排气侧气体扩散层与支撑体与排气侧隔板之间有排气流路，在进气侧气体扩散层及支撑体和排气侧气体扩散层及支撑体之间设有氢气分离膜，各氢气分离单元的进气侧流路经汇总后上部与进气侧端板的进气口相连、下部与杂质出口相连，各氢气分离单元的排气侧流路经汇总后排气侧端板的排气管相连。

进一步的，所述进气侧气体扩散层及支撑体、排气侧气体扩散层及支撑体和氢气分离膜的端部，以及进气侧隔板和排气侧隔板之间设有密封件。

进一步的，所述紧固组件设置在高压氢气分离装置的顶部和底部；紧固组件包括紧固螺栓、垫片和紧固螺母，所述紧固螺栓依次穿过进气侧端板、若干氢气分离单元和排气侧端板，且通过紧固螺母锁紧，垫片设置在进气侧端板和排气侧端板的内侧面。

一种高压氢气分离系统，具有上述高压氢气分离装置，所述高压氢气分离装置分别连接有高压氢气进气管路、高纯度氢气排放管路、杂质气体排放管路和氮气置换管路。

所述高压氢气进气管路与高压氢气分离装置的进气管路连通，在高压氢气进气管路上设有第一自动控制阀和第一手动球阀，第一自动控制阀一侧的管路设为高压氢气入口，第一手动球阀另一侧的管路与高压氢气分离装置的入口端连接，在第一自动控制阀和第一手动球阀之间的管路上设有第一压力变送器和第一压力表。

所述高纯度氢气排放管路与高压氢气分离装置的高纯氢气导出管道连通，在高纯度氢气排放管路上依次设有第二手动球阀、第三自动控制阀和第二单向阀；在第二手动球阀第三自动控制阀之间的管路上设有第二压力变送器和第二压力表，第二手动球阀的一侧管路与高纯氢气导出管道连通，第二单向阀的另一侧管路设为高纯度氢气出口。

所述杂质气体排放管路与高压氢气分离装置的杂质导出管道连通，在杂质气体排放管路上依次设有第三单向阀、排污器和第四自动控制阀，所述排污器上设有液位变送器和第三压力变送器，第三单向阀一侧的管路与杂质导出管道连接，第四自动控制阀的另一侧管路设有杂质出口，在杂质出口处设有杂质收集装置。

所述氮气置换管路包括依次设置的手动针阀和第一单向阀，手动针阀的一侧管路设为吹扫置换氮气入口，第一单向阀的另一侧管路连接有第一支路和第二支路，第一支路与高压氢气进气管路的第一自动控制阀和第一手动球阀之间的管路连通，在第二支路上设有第二自动控制阀，第二支路与高纯度氢气排放管路的第二手动球阀第三自动控制阀之间的管路连通，在第二手动球阀第三自动控制阀之间的管路上还设有放散管路，在放散管路上设有第三手动球阀。

一种高压氢气分离方法，包括如下步骤：

S1.氮气置换

确认第一自动控制阀、第三自动控制阀和第四自动控制阀为关闭状态；打开第二自动控制阀，使氮气可以进入高压氢气分离装置的进气部分和排气部分，打开第一手动球阀和第二手动球阀，关闭第三手动球阀，打开氮气置换管路上的手动针阀，氮气开始进入高压氢气分离系统；当高压氢气分离系统内氮气压力达到目标压力后，保压3～5min，打开第三手动球阀，放散掉高压氢气分离系统内的氮气，直至压力为目标压力；重复上述过程若干次，使系统内氧气浓度符合要求；

S2.氢气置换

打开第二自动控制阀，确保第一自动控制阀、第三自动控制阀和第四自动控制阀为关闭状态；打开第一手动球阀和第二手动球阀，关闭第三手动球阀和手动针阀，最后打开第二自动控制阀，氢气开始进入高压氢气分离系统；当高压氢气分离系统内氢气压力达到目标压力后，保压3～5min后，打开第三手动球阀，放散掉高压氢气分离系统内的氢气，直至压力为目标压力；重复上述过程若干次，使系统内氢气浓度符合要求；

S3.氢气分离

保持第一手动球阀和第一手动球阀常开，打开第一自动控制阀和第三自动控制阀，关闭第二自动控制阀和第四自动控制阀，含杂质的高压氢气通经过高压氢气进气管路，再经过第一自动控制阀向高压氢气分离装置输送，高压氢气分离装置的氢气入口管路上设置有第一压力变送器和第一压力表，用于监测和显示进气压力，当进气压力出现异常并达到报警联锁值时，联锁关闭第一自动控制阀和第三自动控制阀，切断进气和排气气路，进行故障分析及后续维修；

含杂质的高压氢气进入高压氢气分离装置后，在氢气分离膜对介质的选择透过作用下，一路高纯度氢气向下游排出，经过排气管路上的第三自动控制阀和第二单向阀后向下游用气或储气单元输送，第二单向阀用于防止后端气体回窜；在排气管路上设置有第二压力变送器和第三压力表，用于监测和显示排气压力，进行压力异常报警；未透过氢气分离膜的杂质通过另一路进入排污器储存，当排污器上的液位变送器监测到排污器的液位达到高液位报警联锁液位值时或第三压力变送器监测到压力到达高压力报警联锁设定值，联锁打开第四自动控制阀，排污器内的杂质液体向杂质收集装置排出，当排污器上的液位变送器监测到排污器的液位达到低液位报警联锁液位值时，联锁关闭第三自动控制阀，停止向杂质收集装置排污；

S4.系统保护

高压氢气分离系统运行结束后，再次进行氮气置换，降低高压氢气分离系统的安全风险，置换方法同S1，确保最后一次置换后高压氢气分离系统内保持正压，使氮气作为保护气存在于高压氢气分离系统内。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.本发明利用膜分离技术，配合高承压能力的氢气分离装置的结构设计，可以将含液压油的高压氢气中的杂质分离出去，然后将氢气向下游输送。

2.本发明将高压氢气系统设置在压缩机排气管路后端，不仅可以进一步过滤压缩机正常运行时带来的微量液压油污染，还可以防止压缩机突然出现氢气隔离破裂时液压油进入被增压的氢气设备，将泄漏的液压油及氢气进行分离，防止液压油污染下游设备。

3.本发明通过分离膜的适当选型，系统设备可以用于氢气与不同液体的分离。

4.本发明通过氢气分离装置中氢气分离单元的增加或减少可以适用于不同氢气处理量的分离。

5.本发明通过膜分离技术，配合高承压能力的结构，使得氢气分离装置可承受压缩机增压后的高压氢气，可以选用满足承压要求的半渗透膜使得氢气可以透过，阻挡液压油或其他液体透过。

6.本发明通过膜分离技术及特殊承压结构的设计，装置尺寸可控，无额外能耗，使用灵活。

附图说明

图1是本发明所述的高压氢气分离系统的结构示意图。

图2是本发明所述的氢气分离装置内部结构剖面图之一。

图3是本发明所述的氢气分离装置内部结构剖面图之二。

图4是本发明所述的氢气分离单元的结构剖面图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。

图1为90MPa、2000Nm

此系统设备运行过程如下：

系统设备运行前：

为保证系统设备安全运行，在系统设备开车前需进行氮气置换，使系统内氧含量下降至安全范围，氮气置换的基础上，还需进行氢气置换，保证后续系统内氢气的纯度符合要求。

1.首先进行氮气置换，将系统内的空气置换到外界，降低氧含量。确保自动控制阀11、13、14为关闭状态；打开自动控制阀12，使氮气可以进入氢气分离装置7的进气部分和排气部分，打开手动球阀61和62，手动球阀63关闭，打开吹扫置换气管路上的手动针阀4，氮气开始进入整个系统。当系统内氮气压力达到目标压力后，保压3～5min后，打开手动球阀63，放散掉系统内氮气，直至压力为目标压力。重复上述氮气置换3～5次，使系统内氧气浓度符合要求。

2.其次进行氢气置换，置换所需氢气来自高压氢气入口。氢气置换前，打开自动控制阀12，确保自动控制阀11、13和14为关闭状态；打开手动球阀61和62，关闭手动球阀63和手动针阀4，最后打开自动控制阀11，氢气开始进入整个系统。当系统内氢气压力达到目标压力后，保压3～5min后，打开手动球阀23，放散掉系统内氢气，直至压力为目标压力。重复上述氢气置换3～5次，使系统内氢气浓度符合要求。

系统设备运行时：

1.当系统设备运行时，手动球阀61和62常开，自动控制阀11、13打开，自动控制阀12、14关闭，含杂质的高压氢气通经过管道，再经过自动控制阀11向氢气分离装置7输送，氢气分离装置7的氢气入口管路上设置压力变送器21及压力表31，用于监测和显示进气压力，当进气压力出现异常并达到报警联锁值时，联锁关闭自动控制阀11和自动控制阀13，切断进气和排气气路，进行故障分析及后续维修。含杂质的高压氢气进入氢气分离装置7后，在氢气分离膜对介质的选择透过作用下，一路高纯度氢气向下游排出，经过排气管路上的自动控制阀13和单向阀52后向下游用气或储气单元输送，单向阀52用于防止后端气体回窜；在排气管路上也设置了压力变送器22及压力表32，用于监测和显示排气压力，进行压力异常报警；而未透过氢气分离膜的杂质，如液压油等，通过另一路进入排污器储存，当排污器上的液位变送器9监测到排污器的液位达到高液位报警联锁液位值时或压力变送器23监测到压力到达高压力报警联锁设定值，联锁打开自动控制阀14，则排污器8内的杂质液体向杂质收集装置10排出，当排污器8上的液位变送器监测到排污器的液位达到低液位报警联锁液位值时或压力变送器23监测到压力到达低压力报警联锁设定值，联锁关闭自动控制阀13，停止向杂质收集装置10排污。

系统设备运行结束：

系统统设备运行结束后，需要再次进行氮气置换，降低系统设备的安全风险，置换方法同上，保证最后一次置换后系统内保持一定的正压，使氮气作为保护气存在于系统设备内。

氢气分离装置7：

如图2和图3显示的是穿过氢气分离装置7中心，分别是进气管路71(715)和高纯氢气导出管道711、杂质导出管道712中心截面。氢气分离装置7主要包括进气管路71(715)、进气侧端板72、紧固螺栓73、垫片74、进气侧隔板75、氢气分离膜76、密封件77、排气侧隔板78、排气侧端板79、紧固螺母710、高纯氢气导出管道711、杂质导出管道712、进气侧气体扩散层及支撑体713、排气侧气体扩散层及支撑体714等组成，其中进气侧隔板75、氢气分离膜76、密封件77、排气侧隔板78、进气侧气体扩散层及支撑体713、排气侧气体扩散层及支撑体714构成氢气分离单元700，可根据氢气处理量调整氢气提纯单元的层叠数量。所述氢气分离膜76具备可承压、选择性通过氢气的特性，可选氢气半渗透氢气分离膜结构。在氢气分离膜76的进气侧设置进气侧气体扩散层及支撑体713、进气侧隔板75，在氢气分离膜76的排气侧设置排气侧气体扩散层与支撑体714、排气侧隔板78。进气侧气体扩散层及支撑体713和排气侧气体扩散层及支撑体714一方面用于稳流，使高压进排气可以均匀且稳定流通，另一方面在氢气分离膜76的两侧起到支撑和固定的作用，进一步提高氢气分离膜对进气侧和排气侧之间压差的承载能力。隔板用于进一步支撑气体扩散层和氢气分离膜，使整个氢气提纯单元结构稳定。进气侧隔板、排气侧隔板的中间及进气侧气体扩散层、排气侧气体扩散层、氢气分离膜的外围设置环状密封件77，进行适当密封。

在进气侧隔板75下方设计有杂质出口，出口连通杂质导出管道712，以便无法通过氢气分离膜76进入排气侧的杂质可以通过杂质导出管道712排出。在排气侧隔板留有出口，以便通过氢气分离膜76进入排气侧的气体可以通过排气侧隔板79留有的气体出口进入高纯氢气导出管道711，最终向下游输送。

氢气分离装置7的各组件留有紧固件安装位置，紧固螺栓73贯穿各氢气提纯单元的各部件，通过紧固螺母710的预紧，将所有组件固定在进气侧端板72和排气侧端板78上，实现氢气分离装置承受高压力的氢气，同时实现氢气分离单元各构件相对原位置的窜动。

图4为氢气分离单元700的放大图，如图所示进入氢气分离单元700的含杂质高压氢气，首先在进气侧气体流路716内进行流动，逐渐向进气侧气体扩散层及支撑体713扩散，然后在氢气分离膜76的选择透过性下，透过了氢气，而杂质经杂质导出管道712汇集，统一向下游排出。透过氢气分离膜76的氢气经排气侧气体扩散层及支撑体714进入排气侧气体流路717，最后经高纯氢气导出管道711排出。

在本文中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了表达技术方案的清楚及描述方便，因此不能理解为对本发明的限制。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。