CN212348246U - 氢气提纯装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种氢气提纯装置，所述装置包括第一过滤器，进气端进入原料气，出气端排出第一中间气；吸附塔组，通过带有第一阀门的管路连接第一过滤器，包括至少两个吸附塔，吸附塔均具有吸附状态与脱附再生状态；进气端进入第一中间气，出气端排出第二中间气；第二过滤器，通过带有第二阀门的管路连接吸附塔组，进气端进入第二中间气，出气端排出第三中间气；以及变压吸附单元，连接第二过滤器，进气端进入第三中间气，出气端排出产品氢气和解析气，部分解析气输送至处于脱附再生状态的吸附塔；本申请延长了变压吸附单元内吸附剂的使用寿命，提高了产品氢气的纯度和回收率。
Description
技术领域
本实用新型涉及石油化工的氢气提纯技术领域，具体地说，涉及一种氢气提纯装置。
背景技术
随着炼厂原油重质化、劣质化加剧，环保要求日趋严格，炼厂的氢气需求越来越大，氢气已成为炼厂必不可少的生产原料。目前炼厂氢气主要通过制氢、重整副产氢气、富氢尾气回收氢等方式得到，其中富氢尾气回收是炼厂获得廉价氢气的重要途径。
炼厂中富氢气来源广泛，如乙烯裂解气、重整尾气、催化干气、焦化干气等，该类富氢气中氢气含量较高，氢气具有较高的回收价值。目前，变压吸附(Pressure SwingAdsorption，简称PSA)法提纯是重要的氢气回收技术。
变压吸附作为一种分离技术，已经在石油化工、冶金工业等行业得到了越来越广泛的应用。适合处理各种复杂的混合气，对原料气中的各种杂质组分可以一步除去，并且产品气的纯度可以做得很高。变压吸附技术是以吸附剂内部表面对气体分子的物理吸附为基础，将原料气在压力下通过吸附剂床层，相对于氢的高沸点杂质组分被选择性吸附，低沸点组分的氢不易吸附而通过吸附剂床层，达到氢和杂质组分的分离。分离出来的氢气即为产品气，杂质组分气体即为解析气。
由于炼厂富氢尾气组分较为复杂，常含有少量的C5及以上重组分，C5及以上重组分属于极易吸附组分。采用变压吸附技术也即PSA装置处理该类富氢尾气，易造成C5及以上重烃组分在PSA装置内的吸附剂上积累，吸附后易形成毛细凝聚，占据吸附剂孔隙，很难解析出来，造成吸附剂的活性下降，降低吸附剂的吸附能力，从而影响PSA装置对氢气的回收纯度和回收率。
随着变压吸附装置运行时间的延长，吸附剂的性能指标逐渐降低，导致产品氢气的产量和纯度降低，从而导致氢气损失增加。为改善吸附剂的性能，需要对吸附剂进行热氮气再生，这样既会消耗蒸汽和氮气，还会导致氢气提纯装置必须停止生产。
现有技术中，通常在变压吸附装置内增加保护剂的用量，以延长吸附剂失效时间。这样不仅增加了成本，而且未从根本上解决C5及以上组分积累和变压吸附装置内吸附剂再生困难的问题。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供一种氢气提纯装置，提高了产品氢气的回收纯度和回收率，延长了PSA装置内吸附剂的使用寿命。
根据本实用新型的一个方面，提供一种氢气提纯装置，所述装置包括：
第一过滤器，所述第一过滤器的进气端进入原料气，出气端排出第一中间气；
吸附塔组，通过带有第一阀门的管路连接所述第一过滤器，包括至少两个吸附塔，所述吸附塔均具有吸附状态与脱附再生状态；所述吸附塔组的进气端进入所述第一中间气，出气端排出第二中间气；所述吸附塔组中的一吸附塔处于吸附状态，同时其余吸附塔均处于脱附再生状态；
第二过滤器，通过带有第二阀门的管路连接所述吸附塔组，所述第二过滤器的进气端进入所述第二中间气，出气端排出第三中间气；当所述吸附塔处于吸附状态时，所述第一阀门与所述第二阀门均打开；当所述吸附塔处于脱附再生状态时，所述第一阀门与所述第二阀门均关闭；以及
变压吸附单元，连接所述第二过滤器，所述变压吸附单元的进气端进入所述第三中间气，出气端分别排出产品氢气和解析气，部分所述解析气输送至所述吸附塔组中处于脱附再生状态的吸附塔。
优选地，所述吸附塔组中，工作于吸附状态的第一吸附塔和工作于脱附再生状态的第二吸附塔进行工作状态的替换。
优选地，部分所述解析气分别通过带有第三阀门的管路以及带有第四阀门的管路输送至所述吸附塔组中处于脱附再生状态的吸附塔，当处于脱附再生状态的吸附塔中的压力达到第一预设阈值时，所述第三阀门打开；当处于脱附再生状态的吸附塔中的温度达到第二预设阈值时，所述第三阀门关闭，第四阀门打开；当所述温度达到第三预设阈值时，所述第四阀门关闭；所述第二预设阈值大于所述第三预设阈值。
优选地，所述变压吸附单元分别通过第一管路和第二管路与所述吸附塔组连接，所述第一管路直接将部分解析气输送至所述吸附塔组中处于脱附再生状态的吸附塔；所述第二管路通过加热器将部分解析气加热至预设温度后，输送至所述吸附塔组中处于脱附再生状态的吸附塔。
优选地，所述装置还包括尾气排出单元，所述尾气排出单元分别和所述吸附塔组以及所述变压吸附单元连接。
优选地，处于吸附状态的吸附塔的出气端和处于脱附再生状态的吸附塔的出气端之间设有第三管路，所述第三管路具有导通和断开的状态，当所述第三管路导通时，处于吸附状态的吸附塔和处于脱附再生状态的吸附塔连通，当所述第三管路断开时，处于吸附状态的吸附塔和处于脱附再生状态的吸附塔断开。
优选地，所述第一过滤器和所述吸附塔组中的每一个吸附塔分别连接，所述第二过滤器和所述吸附塔组中的每一个吸附塔分别连接，所述第一过滤器用于过滤固体颗粒和液体，所述第二过滤器用于过滤粉尘。
本实用新型与现有技术相比的有益效果在于：
本实用新型提供的氢气提纯装置通过能够连续工作的前置吸附塔组，实现了在原料气进入变压吸附单元之前即脱除了C5及以上重烃组分，改善了变压吸附单元的进料气品质，延长了变压吸附单元内吸附剂的使用寿命；另一方面，减小了变压吸附单元内吸附剂的杂质累积，提高吸附剂的活性和吸附性能，从而提高了产品氢气的纯度和回收率；本申请还实现了氢气提纯的连续不间断生产。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例公开的一种氢气提纯装置的结构示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式使得本实用新型将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
如图1所示，本实用新型公开了一种氢气提纯装置，包括原料气提供单元101、第一过滤器102、吸附塔组103、第二过滤器104、变压吸附单元105、尾气排出单元106以及产品氢气回收单元107。其中，原料气提供单元101用于为该氢气提纯装置提供原料气。尾气排出单元106分别和吸附塔组103以及变压吸附单元105连接。原料气提供单元101和第一过滤器102连通。第一过滤器102用于过滤掉原料气中的固体颗粒和液体这些杂质。上述第一过滤器102的进气端进入原料气，出气端排出第一中间气。也即原料气从上述第一过滤器102的进气端进入第一过滤器102进行第一级过滤，过滤后得到第一中间气并排出。
吸附塔组103通过带有第一阀门的管路连接上述第一过滤器102，也即吸附塔组103中的每一个吸附塔分别通过带有第一阀门的管路与上述第一过滤器102连接。上述吸附塔组103包括至少两个吸附塔，且所有的吸附塔均具有吸附状态与脱附再生状态。上述吸附塔组103的进气端进入上述第一中间气，出气端排出第二中间气。上述吸附塔组103中的一吸附塔处于吸附状态，同时其余吸附塔均处于脱附再生状态。
具体来说，如图1所示，本实施例中，吸附塔组103包括两个吸附塔，分别为第一吸附塔1031和第二吸附塔1032。第一阀门为阀门1A或者阀门1B。每一个吸附塔通过一管路和第一过滤器102连接，比如，第一吸附塔1031通过带有阀门1A的管路和第一过滤器102连接，第二吸附塔1032通过带有阀门1B的管路和第一过滤器102连接。阀门1A和阀门1B分别开启或关闭对应管路。
吸附塔用于吸附C5及以上组分的重烃气体，也即为吸附碳原子数量大于或等于5个的气体。绝大部分C5及C5以上组分的重烃气体被吸附塔组103脱除。这样就能实现进料气在进入PSA装置也即变压吸附单元105之前，将进料气中的重烃气体脱除，改善了变压吸附单元105内的气体品质，有效延长变压吸附单元105内吸附剂的使用寿命，降低吸附剂的维护成本。
上述吸附塔组103中，工作于吸附状态的第一吸附塔1031和工作于脱附再生状态的第二吸附塔1032进行工作状态的替换，即交替切换，切换过程通过所有管路中的阀门来实现。具体而言，比如，当第一吸附塔1031处于吸附状态的时长达到第一预设时间后，表明该第一吸附塔1031对于C5及C5以上组分的重烃气体的吸附接近饱和，无法继续吸附新的上述重烃气体，那么第一吸附塔1031就由吸附状态切换为脱附再生状态。此时第二吸附塔1032处于脱附再生状态的时长也对应达到第一预设时间，第二吸附塔1032内吸附剂上吸附的上述重烃气体也脱附完成，那么第二吸附塔1032就由脱附再生状态切换为吸附状态。
相应地，当第二吸附塔1032处于吸附状态达到第一预设时间后，表明第二吸附塔1032对于上述重烃气体的吸附接近饱和，那么将第二吸附塔1032由吸附状态切换为脱附再生状态。对应地，第一吸附塔1031此时脱附完成，由脱附再生状态切换为吸附状态。上述第一预设时间是根据关于吸附剂的吸附饱和时间的相关数据来设置的，本实施例中该第一预设时间可以为8小时，本申请对此不作限制。
第二过滤器104通过带有第二阀门的管路连接上述吸附塔组103，也即吸附塔组103中的每一个吸附塔分别通过带有第二阀门的管路与上述第二过滤器104连接。上述第二过滤器104的进气端进入上述第二中间气，出气端排出第三中间气。当上述吸附塔处于吸附状态时，上述第一阀门与上述第二阀门均打开。当上述吸附塔处于脱附再生状态时，上述第一阀门与上述第二阀门均关闭。本实施例中，第二过滤器104用于过滤粉尘。
具体而言，本实施例中，第二阀门为阀门2A或阀门2B。阀门2A和阀门2B分别开启或关闭对应管路。第一吸附塔1031通过带有阀门2A的管路和第二过滤器104连接，第二吸附塔1032通过带有阀门2B的管路和第二过滤器104连接。当第一吸附塔1031处于吸附状态时，阀门1A和阀门2A打开，阀门1B和2B均关闭。当第一吸附塔1031处于脱附再生状态时，阀门1A和阀门2A均关闭，阀门1B和2B均打开。
变压吸附单元105连接上述第二过滤器104。上述变压吸附单元105的进气端进入上述第三中间气，出气端排出产品氢气和解析气。解析气即为杂质组分的气体。部分上述解析气输送至上述吸附塔组103中处于脱附再生状态的吸附塔，用于吸附塔对吸附剂上吸附的上述重烃气体进行脱附。
具体而言，变压吸附单元105即为PSA装置，用于从第三中间气中分离同时得到产品氢气和解析气。上述变压吸附单元105具有两个出气端，一个出气端和产品氢气回收单元107连接，向该产品氢气回收单元107排出产品氢气。另一个出气端排出解析气。该变压吸附单元105利用现有技术即可实现，本申请不再赘述。
部分上述解析气分别通过带有第三阀门的管路以及带有第四阀门的管路输送至上述吸附塔组103中处于脱附再生状态的吸附塔。当处于脱附再生状态的吸附塔中的压力达到第一预设阈值，上述第三阀门打开。当处于脱附再生状态的吸附塔中的温度达到第二预设阈值，第三阀门关闭，第四阀门打开。当处于脱附再生状态的吸附塔中的温度达到第三预设阈值，第四阀门关闭。第二预设阈值大于所述第三预设阈值。示例性地，本实施例中，第一预设阈值为0.05MPag，第二预设阈值为200℃，第三预设阈值为25℃，本申请不以此为限。本实施例中，上述第三阀门为5A，第四阀门为6A。
本实施例中，吸附塔组103中的每一个吸附塔通过一带阀门的管路和尾气排出单元106连接。参考图1，第一吸附塔1031通过带有阀门4A的管路尾气排出单元106连接，第二吸附塔1032通过带有阀门4B的管路尾气排出单元106连接。本实施例以第一吸附塔1031处于吸附状态，第二吸附塔1032处于脱附再生状态为例进行说明。
处于脱附再生状态下的吸附塔进行脱附再生的过程依次包括四个步骤：分别为降压步骤、热吹步骤、冷吹步骤以及升压步骤。比如，当第二吸附塔1032开始执行降压步骤时，参考图1，此时打开阀门4B，通过管路S5和S6将第二吸附塔1032内的高压气体排向尾气排出单元106，使第二吸附塔1032内的压力降低。同时，第一吸附塔1031处于吸附状态，变压吸附单元105在不断排出解析气。所以，打开阀门4B的同时，需要打开阀门7A，以便排出解析气。此时解析气依次通过管路S1、管路S4和管路S6，输出至尾气排出单元106，由尾气排出单元106排出。
上述变压吸附单元105分别通过第一管路和第二管路与上述吸附塔组103连接。当处于脱附再生状态的吸附塔中的压力达到第一预设阈值，或者阀门4B的打开时间超过第二预设时间后，开始执行热吹步骤。此时关闭阀门4B和阀门7A，打开第三阀门5A以及阀门3B，变压吸附单元105排出的部分解析气通过第二管路上的加热器108加热至预设温度后，输送至上述吸附塔组103中处于脱附再生状态的吸附塔。参考图1，本实施例的该步骤中，解析气依次通过管路S1和S3，输送至第二吸附塔1032。该预设温度与上述第二预设阈值相等。加热后的解析气使得第二吸附塔1032处于一个高温环境中，便于吸附剂上吸附的重烃气体进行脱附。
当热吹步骤的执行时长达到第三预设时间后，开始执行冷吹步骤。此时关闭第三阀门5A和阀门7A，打开第四阀门6A、阀门3B和阀门4B，变压吸附单元105排出的部分解析气通过第一管路直接输送至上述吸附塔组103中处于脱附再生状态的吸附塔。参考图1，本实施例的该步骤中，解析气依次通过管路S1和S2，输送至第二吸附塔1032，对第二吸附塔1032内的气体进行冷吹，从管路S5和管路S6以及尾气排出单元106排出该氢气提纯装置中。由于此时第二吸附塔1032处于高温低压环境，内部气体较为活跃，利于脱附。通过解析气对内部进行冷吹，即可将重烃气体脱附排出第二吸附塔1032。直到冷吹步骤的执行时长达到第四预设时间，此时第二吸附塔1032内的温度降至上述第三预设阈值，并关闭第四阀门6A和阀门4B。
然后开始执行升压步骤。本实施例中，处于吸附状态的吸附塔的出气端和处于脱附再生状态的吸附塔的出气端之间设有第三管路。上述第三管路具有导通和断开的状态。当上述第三管路导通时，处于吸附状态的吸附塔和处于脱附再生状态的吸附塔连通。当上述第三管路断开时，处于吸附状态的吸附塔和处于脱附再生状态的吸附塔断开。参考图1，在升压步骤中，打开阀门3B、阀门3A以及阀门7A，此时第一吸附塔1031和第二吸附塔1032连通，形成上述第三管路。由于第一吸附塔1031内的气体为高压气体，所以连通后第二吸附塔1032也转换为高压环境。当升压步骤的执行时间达到第五预设时间，则关闭阀门3B和阀门3A，完成第二吸附塔1032内的升压。此时第二吸附塔1032即实现了脱附再生，实现了吸附塔的循环利用，也实现了整个氢气提纯装置的连续工作。
由于第一吸附塔1031和第二吸附塔1032需要进行工作状态的替换，以保证整个氢气提纯装置工作的连续性。所以，当第二吸附塔1032升压完成后，第一吸附塔1031内的吸附剂还没有达到饱和，也即第一吸附塔1031的吸附状态工作时间还没达到第一预设时间，那么第二吸附塔1032则进行等待，直到第一吸附塔1031的吸附状态工作时间达到第一预设时间，才进行工作状态的替换。
示例性地，上述第二预设时间可以为10分钟，第三预设时间可以为230分钟，第四预设时间可以为3小时，第五预设时间可以为10分钟。本申请对此不作限制。
需要说明的是，该氢气提纯装置在第一吸附塔1031当前处于脱附再生状态，第二吸附塔1032当前处于吸附状态时，或者，吸附塔组103中包括两个以上吸附塔时，类似地，上述工作原理需要进行相应调整。本申请在此不再赘述。本氢气提纯装置中的所有阀门均用于实现所在管路的断开或者导通。
为便于理解本实用新型，本实用新型列举一具体实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本实用新型，不应视为对本实用新型的具体限制。
下述实施例以某炼油厂的原料气流量为2500Nm3/h，压力2.2MPa，温度35℃的工况进行分析，进行氢气提纯，说明本实用新型公开的氢气提纯装置的优势。
现有技术和本申请各自的产品氢气组分对比如下表1所示。
表1现有技术和本申请的产品氢气的组分对比
现有技术和本申请各自的产品氢气纯度和回收率的结果对比如下表2所示。
表2现有技术和本申请的产品氢气纯度和回收率对比
| 项目 | 现有技术 | 本申请 |
| 产品氢气纯度(V％) | 98.7 | 99.5 |
| 产品氢气回收率(V％) | 84.3 | 88.6 |
其中，产品氢气回收率计算公式如下：
由表1可知，使用本实用新型的氢气提纯装置可以实现在原料气进入变压吸附单元之前，原料气中的C5及C5以上的组分被完全脱除，改善了变压吸附单元内的进料气品质，减少了变压吸附单元内吸附剂上重烃气体的累积，从而延长了吸附剂的使用寿命。
相比于现有技术利用蒸汽和氮气对变压吸附单元的吸附剂进行再生，本申请利用排出的解析气即可实现吸附塔内吸附剂的脱附再生，节约了成本。
并且相比于现有技术必须使变压吸附单元停止工作来进行脱附操作，本申请在保证吸附塔组中具有一吸附塔进行吸附的同时，对其他吸附塔进行脱附再生，实现了氢气提纯的连续不间断生产。
由表2可知，产品氢气纯度由现有技术的98.7％提高到了本申请的99.5％，产品氢气回收率由现有技术的84.3％提高到了本申请的88.6％。回收率提高4.3％，相当于可多回收氢气70Nm3/h，按年操作时间8400h计算，预计一年可大约多回收氢气59万方，按氢气价格2元/Nm3计算，预计可增加直接经济效益118万元/年。
综上，本实用新型的氢气提纯装置至少具有如下优势：
本实施例公开的氢气提纯装置通过能够连续工作的前置吸附塔组，实现了在原料气进入变压吸附单元之前即脱除了C5及以上重烃组分，改善了变压吸附单元的进料气品质，延长了变压吸附单元内吸附剂的使用寿命；另一方面，减小了变压吸附单元内吸附剂的杂质累积，提高吸附剂的活性和吸附性能，从而提高了产品氢气的纯度和回收率；本申请还实现了氢气提纯的连续不间断生产。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种氢气提纯装置，其特征在于，所述装置包括：
第一过滤器，所述第一过滤器的进气端进入原料气，出气端排出第一中间气；
吸附塔组，通过带有第一阀门的管路连接所述第一过滤器，包括至少两个吸附塔，所述吸附塔均具有吸附状态与脱附再生状态；所述吸附塔组的进气端进入所述第一中间气，出气端排出第二中间气；所述吸附塔组中的一吸附塔处于吸附状态，同时其余吸附塔均处于脱附再生状态；
第二过滤器，通过带有第二阀门的管路连接所述吸附塔组，所述第二过滤器的进气端进入所述第二中间气，出气端排出第三中间气；当所述吸附塔处于吸附状态时，所述第一阀门与所述第二阀门均打开；当所述吸附塔处于脱附再生状态时，所述第一阀门与所述第二阀门均关闭；以及
变压吸附单元，连接所述第二过滤器，所述变压吸附单元的进气端进入所述第三中间气，出气端分别排出产品氢气和解析气，部分所述解析气输送至所述吸附塔组中处于脱附再生状态的吸附塔。
2.如权利要求1所述的氢气提纯装置，其特征在于，所述吸附塔组中，工作于吸附状态的第一吸附塔和工作于脱附再生状态的第二吸附塔进行工作状态的替换。
3.如权利要求1所述的氢气提纯装置，其特征在于，部分所述解析气分别通过带有第三阀门的管路以及带有第四阀门的管路输送至所述吸附塔组中处于脱附再生状态的吸附塔，当处于脱附再生状态的吸附塔中的压力达到第一预设阈值时，所述第三阀门打开；当处于脱附再生状态的吸附塔中的温度达到第二预设阈值时，所述第三阀门关闭，第四阀门打开；当所述温度达到第三预设阈值时，所述第四阀门关闭；所述第二预设阈值大于所述第三预设阈值。
4.如权利要求1所述的氢气提纯装置，其特征在于，所述变压吸附单元分别通过第一管路和第二管路与所述吸附塔组连接，所述第一管路直接将部分解析气输送至所述吸附塔组中处于脱附再生状态的吸附塔；所述第二管路通过加热器将部分解析气加热至预设温度后，输送至所述吸附塔组中处于脱附再生状态的吸附塔。
5.如权利要求1所述的氢气提纯装置，其特征在于，所述装置还包括尾气排出单元，所述尾气排出单元分别和所述吸附塔组以及所述变压吸附单元连接。
6.如权利要求1所述的氢气提纯装置，其特征在于，处于吸附状态的吸附塔的出气端和处于脱附再生状态的吸附塔的出气端之间设有第三管路，所述第三管路具有导通和断开的状态，当所述第三管路导通时，处于吸附状态的吸附塔和处于脱附再生状态的吸附塔连通，当所述第三管路断开时，处于吸附状态的吸附塔和处于脱附再生状态的吸附塔断开。
7.如权利要求1所述的氢气提纯装置，其特征在于，所述第一过滤器和所述吸附塔组中的每一个吸附塔分别连接，所述第二过滤器和所述吸附塔组中的每一个吸附塔分别连接，所述第一过滤器用于过滤固体颗粒和液体，所述第二过滤器用于过滤粉尘。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111482050A (zh) * | 2020-06-15 | 2020-08-04 | 上海优华系统集成技术股份有限公司 | 氢气提纯装置及方法 |
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2020
- 2020-06-15 CN CN202021106650.1U patent/CN212348246U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN111482050A (zh) * | 2020-06-15 | 2020-08-04 | 上海优华系统集成技术股份有限公司 | 氢气提纯装置及方法 |
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