CN102039997A - 无动力独立的深水作业浮筒充气装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及深水作业浮筒充气装置及方法，旨在提供一种无动力独立的深水作业浮筒充气装置及方法。该装置包括底部设出水口的浮筒，还包括硼氢化钠容器和管式反应器；管式反应器的上部通过管路连接至浮筒的上端，管式反应器底部通过管路连接至硼氢化钠容器底部；硼氢化钠容器的上部设进水口，进水口的管路上设置机械定时压力开启阀和一个单向阀；所述硼氢化钠容器中装填硼氢化钠粉末，管式反应器中装填多孔三维结构的催化剂。本发明无需空气压缩泵，浮筒悬浮深度由压力开启阀的设置压力决定，能够精确控制悬浮深度，实现定时回收。本发明在海洋科学调查，海底勘测、海底电缆检测等方面具有广阔的应用前景。

Description

无动力独立的深水作业浮筒充气装置及方法
技术领域
本发明涉及一种深水作业浮筒充气装置及方法，更具体地说，本发明涉及一种利用硼氢化钠水解制氢，无动力独立实行浮筒充气的装置和方法。
背景技术
海洋水下作业通常通过浮筒建立工作平台，浮筒通常为封闭式结构，通过向浮筒充入高压气体使浮筒能够悬浮于水下，但深海的高压对浮筒材料的耐压强度提出很高的要求。浮筒内外的压力差容易造成浮筒的变形和受损，致使浮筒失效。为了解决这些问题，发明专利（CN101850835A）提出一种用于深水作业的水中钢结构浮筒的充气方法，在浮筒的底部开设一个使浮筒内部与外部相通的开孔，当浮筒位于水中时，海水可从开孔进入到浮筒的内部；利用空气压缩机向浮筒的顶部充入气体，通过调整浮筒内气体压力来平衡浮筒内液面的压力。但压缩机的动力和空气来源必须来源于海洋平台的支撑。水下工作深度越深，水下作业平台与海洋平台的维系就越困难。特别是在上千米以至于万米的深海区，依靠这种方法是不可能实现深海水下平台的搭建。
硼氢化钠是含氢量较高的络合氢化物（含氢量10.8wt%），是一种白色的固体。美国专利（US 6 358 488）报道了采用镍、钴或储氢合金粉末催化硼氢化钠水解发生氢气的方法。反应方程式如下：
NaBH4+ 2H2O→4H2 +NaBO2
在常温常压下硼氢化钠能够在催化剂的作用下发生水解反应获得纯净的氢气，与其他储氢方式相比，燃料的储氢量高，是常规金属氢化物储氢的5倍；在反应过程中不需要外加能量就可以把NaBH4及水中的氢释放出来。发明专利（CN101157441A）提出了一种利用硼氢化钠水解的管式反应器，实现了为燃料电池连续供氢。近年来，将硼氢化钠作为储氢材料用于燃料电池的供氢技术引起了科学家和企业的广泛关注。
本发明借鉴前人的发明创造，发明设计了无动力独立的深水作业浮筒充气方法及装置，以弥补现有深海作业平台浮筒使用中的缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，利用水下便利的供水条件，提供一种无动力独立的深水作业浮筒充气装置及方法。
为解决技术问题，本发明的方案是：
提供一种无动力独立的深水作业浮筒充气装置，包括底部设出水口的浮筒；还包括硼氢化钠容器和管式反应器；管式反应器的上部通过管路连接至浮筒的上端，管式反应器底部通过管路连接至硼氢化钠容器底部；硼氢化钠容器的上部设进水口，进水口的管路上设置机械定时压力开启阀和一个单向阀；所述硼氢化钠容器中装填硼氢化钠粉末，管式反应器中装填多孔三维结构的镍催化剂、钴催化剂或钴镍合金催化剂。
本发明中，所述浮筒底部出水口处设有一个单向阀。
本发明中，所述硼氢化钠容器底部设置用于阻隔硼氢化钠粉末的滤网。
本发明中，所述浮筒的上端设置用于固定索链的索链固定环，浮筒经索链与海洋平台相连。
作为更进一步的目的，本发明还提供了一种基于前述浮筒充气装置的无动力独立的深水作业浮筒充气方法，包括：
（1）当海水的压力大于硼氢化钠容器的内压时，机械定时压力开启阀打开，海水流入硼氢化钠容器，部分硼氢化钠溶解后形成溶液；
（2）硼氢化钠溶液进入管式反应器，在镍催化剂、钴催化剂或钴镍合金催化剂的作用下发生水解反应，产生氢气；
（3）氢气由管式反应器进入浮筒，使浮筒内压力升高并自出水口排出海水，得到浮力而上浮。
本发明中，硼氢化钠容器的进水口和浮筒的出水口设置单向阀，当浮筒、管式反应器和硼氢化钠容器内的压力趋于一致时，硼氢化钠容器的进水口不再有海水进入，浮筒的出水口不再有海水排出，此时硼氢化钠水解反应停止，机械定时压力开启阀和两个单向阀均为关闭状态，浮筒悬浮于水中。
本发明中，当机械定时压力开启阀中的机械定时器到达设定时间后，机械定时压力开启阀再次开启，海水持续进入硼氢化钠容器将所有硼氢化钠溶解，溶液进入管式反应器发生水解产生氢气，将浮筒中的所有海水都压出，使得浮筒充气装置上浮回收。
固体硼氢化钠能溶于水（包括海水、河水）形成溶液，硼氢化钠溶液在催化剂如镍、钴的作用下水解释放氢气。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
氢气比空气更轻，可获得较大的浮力。硼氢化钠水解产氢速度快，可以快速定位悬浮深度。本系统无需空气压缩泵，浮筒悬浮深度由压力开启阀的设置压力决定，能够精确控制悬浮深度，实现定时回收。本发明所具备的这些功能，在海洋科学调查，海底勘测、海底电缆检测等方面具有广阔的应用前景。对于动态海洋环境研究的小尺度、快变过程的观察。区域环境的动态变化对于特殊气候形成、灾害条件产生、污染起因、生物习性变迁以及实时战区警戒与反监测有着极其重要的影响。发展海洋观测技术对提升海洋防灾减灾能力，保障海洋资源开发安全；维护我国海洋主权和权益，保障国家安全；拓展我国海洋战略空间，增强国际竞争力；创新海洋监测技术，促进海洋科学进步具有重要意义。
附图说明
图1为具体实施例中系统装置示意图。
图2 为海洋平台与浮筒系统的锚定。
图1中的附图标记为：1、2、3、4、5、6、7均为导管，8管式反应器，9硼氢化钠容器，10浮筒，11单向阀、12机械定时压力开启阀截止阀，13单向阀，14 滤网，15硼氢化钠粉末，16催化剂，17氢气、18海水、19索链固定环。
图2中的附图标记为：201索链，202海洋平台，203无动力浮筒充气装置。
具体实施方式
下面将根据系统装置示意图对本发明进行详细描述。
本发明的浮筒充气装置由用于储存硼氢化钠粉末的硼氢化钠容器9和管式反应器8两部分组成。硼氢化钠容器9上部设有进水口、下部设硼氢化钠溶液出口；进水口与单向阀11用导管5相连，机械定时压力开启阀12和单向阀11用导管4相连，机械定时压力开启阀12的开启由机械定时器和压力控制；硼氢化钠容器9的底部出口用导管6与管式反应器8相连；当海水的压力大于硼氢化钠容器的内压时，海水通过机械定时压力开启阀12流入硼氢化钠容器9，部分硼氢化钠15溶解后形成溶液，透过滤网14，从出口处进入与之相连的管式反应器8；管式反应器8中装填有多孔三维结构的镍催化剂16，或者是钴催化剂或者是钴镍合金催化剂。硼氢化钠溶液在催化剂的作用下发生水解反应，产生氢气。浮筒10顶部设有进气口和海水出水口。进气口设在浮筒上端，海水出水口设在浮筒底部，海水出水口设有单向阀13。当氢气由管式反应器8的出气口通过导管7进入浮筒10的进气口，使浮筒10内压升高，浮筒10内的海水由海水出水口通过单向阀13排出而得到浮力上浮。当浮筒10内压、管式反应器8内压和硼氢化钠容器9内压趋于一致时，硼氢化钠容器9进水口的单向阀11和浮筒10海水出水口的单向阀13都关闭，硼氢化钠水解反应停止，此时浮筒10悬浮于水中。
浮筒10在海水中的悬浮深度由机械定时压力开启阀12的设置压力所决定。机械定时压力开启阀12的设置压力越高，浮筒10悬浮于水中的深度越深。浮筒10的锚定由安装在无动力浮筒充气装置203上的索链201与海洋平台202相连，如图2所示。
当机械定时压力开启阀12中的机械定时器到达设定时间，机械定时压力开启阀12开启，海水进入硼氢化钠容器9将所有硼氢化钠溶解，溶液进入管式反应器8发生水解产生氢气，将浮筒10中的所有海水都压出，无动力浮筒充气装置203上浮回收。当然，也可以通过连接与无动力浮筒充气装置203和海洋平台202的索链201回收。通过重新装入硼氢化钠，该系统可重复使用。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.无动力独立的深水作业浮筒充气装置，包括底部设出水口的浮筒，其特征在于，还包括硼氢化钠容器和管式反应器；管式反应器的上部通过管路连接至浮筒的上端，管式反应器底部通过管路连接至硼氢化钠容器底部；硼氢化钠容器的上部设进水口，进水口的管路上设置机械定时压力开启阀和一个单向阀；所述硼氢化钠容器中装填硼氢化钠粉末，管式反应器中装填多孔三维结构的镍催化剂、钴催化剂或钴镍合金催化剂。
2.根据权利要求1所述的浮筒充气装置，其特征在于，所述浮筒底部出水口处设有一个单向阀。
3.根据权利要求1所述的浮筒充气装置，其特征在于，所述硼氢化钠容器底部设置用于阻隔硼氢化钠粉末的滤网。
4.根据权利要求1所述的浮筒充气装置，其特征在于，所述浮筒的上端设置用于固定索链的索链固定环，浮筒经索链与海洋平台相连。
5.基于权利要求1至4任意一项浮筒充气装置的无动力独立的深水作业浮筒充气方法，包括：
（1）当海水的压力大于硼氢化钠容器的内压时，机械定时压力开启阀打开，海水流入硼氢化钠容器，部分硼氢化钠溶解后形成溶液；
（2）硼氢化钠溶液进入管式反应器，在镍催化剂、钴催化剂或钴镍合金催化剂的作用下发生水解反应，产生氢气；
（3）氢气由管式反应器进入浮筒，使浮筒内压力升高并自出水口排出海水，得到浮力而上浮。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，硼氢化钠容器的进水口和浮筒的出水口设置单向阀，当浮筒、管式反应器和硼氢化钠容器内的压力趋于一致时，硼氢化钠容器的进水口不再有海水进入，浮筒的出水口不再有海水排出，此时硼氢化钠水解反应停止，机械定时压力开启阀和两个单向阀均为关闭状态，浮筒悬浮于水中。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当机械定时压力开启阀中的机械定时器到达设定时间后，机械定时压力开启阀再次开启，海水持续进入硼氢化钠容器将所有硼氢化钠溶解，溶液进入管式反应器发生水解产生氢气，将浮筒中的所有海水都压出，使得浮筒充气装置上浮回收。
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