CN104973568B - 一种用于液态氢源材料脱氢反应设备稳定提供氢气的控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于液态氢源材料脱氢反应设备稳定提供氢气的控制系统和方法，控制系统和设备包括：缓冲罐、第一压力传感器、第二压力传感器、控制器、输入泵、氢气增压泵；控制器控制氢气增压泵、输入泵以及反应器加热装置。采用本方案的控制系统及方法，可以快速有效地控制液态氢源材料释放氢气的启停，并保证氢利用装置的平稳运用。

Description

一种用于液态氢源材料脱氢反应设备稳定提供氢气的控制系 统和方法

技术领域

本发明属于化工设备领域，特别涉及一种用于液态氢源材料脱氢反应设备稳定提供氢气的控制系统和方法。

背景技术

发展新能源以替代或部分替代不可再生的化石燃料是本世纪人类面临的最大挑战之一。在国务院去年颁布的《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》中，以氢能燃料电池为代表的新能源和新能源汽车作为重点发展产业方向被分别单独列出，并提出了明确的发展目标和发展路线。氢能由于原料来源广泛、无污染且能量转换效率高，是解决未来清洁能源需求问题的首选新能源技术。

氢能技术包括氢的规模制备、储存和运输、高效率使用以及配套基础设施的建设等环节，其中储存和运输,是安全有效的利用氢能是最关键技术之一。目前，工业上主要采用在-253℃的液化氢或350～700个大气压下高压氢等储运技术，高压氢或液化氢技术及其应用所需能耗是制氢成本的20倍以上，且存在泄漏或储氢罐压力过高等安全隐患。如果能够将氢分子吸附在某种载体上，实现常温常压下的安全储存，待使用时，能将氢在温和条件下，可控的释放，则可有效地，安全使用氢能。因此，全球主要的工业国家都在研发基于常温常压的液态有机储氢技术。以德国为例，开发的液态有机储氢技术能够实现较温和条件下的吸/放氢循环，但释放的氢气时含有毒害燃料电池的副产物气体产生，同时容量低及使用不方便等重要缺陷；日本目前正在研发基于甲苯等传统有机材料的储氢技术，但脱氢温度过高(大于300℃)，且同样存在副产物毒化燃料电池的问题。因而这两种储氢技术规模化应用受到制约。

目前，全球主要的工业国家都在研发基于常温常压的液态有机储氢材料。德国开发的液态有机储氢材料能够实现较温和条件下的吸/放氢循环，但存在储氢材料释放的氢气含有毒害燃料电池的气体及使用不方便等重要缺陷；日本目前正在研发基于对甲基苯等传统有机材料的储氢技术，但脱氢温度过高(大于300℃)，且同样存在副产物毒化燃料电池的问题，因而无法实现规模化应用。

发明者通过长期的探索和研究，发现了一类液态有机共轭分子储氢材料，此类材料具有熔点低(目前开发的技术已低至-20℃)、闪点高(150℃以上)、并在自制高效催化剂作用下，释放气体纯度高(99.99％)、脱氢温度低(约150℃)等特点，且循环寿命高(2000次以上)、可逆性强，并且不产生一氧化碳等毒害燃料电池的气体。作为氢的载体，这类材料在使用过程中始终以液态方式存在，可以像石油一样在常温常压下储存和运输，完全可利用现有汽油输送方式和加油站构架。

但如何能控制液态氢源材料释放的氢气能保证氢利用装置的平稳运用还是一个亟需解决的难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于液态氢源材料脱氢反应设备稳定提供氢气的控制系统，以及采用上述系统控制液态氢源材料脱氢反应设备稳定提供氢气的方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于液态氢源材料脱氢反应设备稳定提供氢气的控制系统，反应设备包括储存液态氢源材料和液态储氢载体的储料箱、填充有脱氢催化剂对液态氢源材料进行脱氢反应的脱氢反应器、对脱氢反应器进行加热的加热装置、对脱氢产物进行分离的气液分离器和氢利用装置，该反应设备控制系统包括：

缓冲罐，用于储存脱氢反应器产生的氢气；

第一压力传感器，用于检测脱氢反应器压力；

第二压力传感器，用于检测缓冲罐压力；

液位计，用于检测气液分离器内液面位置；

控制器，用于采集所述第一、第二压力传感器以及液位计的信号并在满足根据预先设定条件时发送控制信号，所述控制信号用于控制反应设备中原料和反应产物的流量以及脱氢反应的启停。

所述控制器控制反应设备中原料和反应产物的流量以及脱氢反应的启停是通过控制设置在储料箱和预热器管线上的输入泵、设置在气液分离器气体出口的氢气增压泵、设置在气液分离器液体出口的第一阀门、加热装置的启停。

所述控制器控制输入泵、氢气增压泵、第一阀门、加热装置启停的具体为：在正常运行时，第二压力传感器检测到缓冲罐的压力低于第一设定值时，控制器控制输入泵，提高液态氢源材料输送到脱氢反应器的流量，液态氢源材料在脱氢反应器里进行脱氢反应，提高氢气产生速度以提高缓冲罐压力；同时第一压力传感器检测到脱氢反应器的压力高于设定值时，控制器控制启动氢气增压泵，使反应器内部压力低于设定压力；第二压力传感器检测缓冲罐内的压力高于第二设定值时，控制器控制关闭输入泵和脱氢反应器外部的加热装置使脱氢反应器停止工作；液位计检测到气液分离器内液面位置高于设定值时，控制器控制打开第一阀门，让气液分离器内的液态储氢载体流入储料箱。

在所述储料箱和脱氢反应器之间设置有对液态氢源材料进行预热的预热器。

还包括设置在缓冲罐和氢利用装置之间的稳压阀和第二阀门。

所述氢利用装置为氢燃料电池或氢内燃机或其他可以将氢能转化为其他能量形式的装置。

所述控制器为PLC、单片机或DCS。

一种控制液态氢源材料脱氢设备稳定提供氢气的方法，包括以下步骤：

(1)在正常运行时，第二压力传感器检测到缓冲罐的压力低于第一设定值时，控制器控制输入泵，提高液态氢源材料输送到脱氢反应器的流量，液态氢源材料在脱氢反应器里进行脱氢反应，提高氢气产生速度以提高缓冲罐压力；

(2)第一压力传感器检测到脱氢反应器的压力高于设定值时，控制器控制启动氢气增压泵，使反应器内部压力低于设定压力；

(3)第二压力传感器检测缓冲罐内的压力高于第二设定值时，控制器控制关闭输入泵和脱氢反应器外部的加热装置使脱氢反应器停止工作；

(4)液位计检测到气液分离器内液面位置高于设定值时，控制器控制打开第一阀门，让气液分离器内的液态储氢载体流入储料箱。

所述液态氢源材料进入脱氢反应器前在预热器中被预热。

反应器产生的氢气通过氢气增压泵输送到缓冲罐，氢气增压泵可以使脱氢反应器保持常压甚至微负压，有效的提高脱氢效率，并解决了反应器不耐压问题，拓宽了反应器的选材，甚至可以选择铸铝，石英玻璃反应器等。反应器中安装第一压力传感器：一旦反应器内压力达到某一设定值，即可通过控制器启动氢气增压泵，使反应器内压力保持稳定。

采用缓冲罐以及稳压阀可以使供给氢利用装置的氢气更加稳定。在氢利用装置启动时，可以直接将缓冲罐内的氢气送至氢利用装置，其中氢利用装置产生的电能使系统持续运行和输出。在关闭系统时，脱氢反应会减慢最终停止，该段时间内产生的氢气可以通过氢气增压泵输入缓冲罐内，作为下次启动用。

控制器采集缓冲罐中设置的第二压力传感器信号，然后根据缓冲罐内的压力来调节输入阀的流量和加热装置的启停。一旦缓冲罐内压力高于第二设定值，即停止给脱氢反应器加热，关闭输入泵，来减少氢气的产生量。一旦缓冲罐内压力低至第一设定值，即提高输入的流量，来产生更多的氢气。

在液态氢源材料进入脱氢反应器进行脱氢反应前，可以先进行预热，以提高脱氢效率。

采用本方案的控制系统及方法，可以有效地控制液态氢源材料释放的氢气的启停，并保证氢利用装置的平稳运用。

附图说明

图1是本发明控制装置具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体的附图和实施例对本发明作进一步的说明。

液态储氢载体是一种可在常温常压下呈现液态的储氢体系，包括至少两种不同的储氢组分，储氢组分为不饱和芳香烃或杂环不饱和化合物，且至少一种储氢组分为低熔点化合物，低熔点化合物的熔点低于80℃。

进一步地，储氢组分选自杂环不饱和化合物，杂环不饱和化合物中的杂原子为N、S、O及P中的一种或多种。

进一步地，杂环不饱和化合物中杂环和芳环的总数为1～20，杂原子的总数为1～20。

进一步地，相对于液态储氢体系的总质量而言，低熔点化合物的质量分数为5～95％。

进一步地，液态储氢体系还包括加氢添加剂，加氢添加剂为极性溶剂和/或非极性溶剂。

进一步地，相对于每克储氢组分而言，加氢添加剂的加入量为0.1～10mL。

进一步地，不同的储氢组分分别选自苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯、对二甲苯、苯乙烯、苯乙炔、蒽、萘、芴、苯胺、咔唑、N-甲基咔唑、N-乙基咔唑、N-正丙基咔唑、N-异丙基咔唑、N-正丁基咔唑、吲哚、N-甲基吲哚、N-乙基吲哚、N-丙基吲哚、喹啉、异喹啉、吡啶、吡咯、呋喃、苯并呋喃、噻吩、嘧啶及咪唑所组成的组及其衍生物。

进一步地，极性溶剂选自乙醇、甲醇、乙醚、甲醚、乙腈、乙酸乙酯、甲酰胺、异丙醇、正丁醇、二氧六环、正丁醚、异丙醚、二氯甲烷、氯仿及二氯乙烷中的一种或多种。

进一步地，非极性溶剂选自正己烷、正戊烷、环己烷、均三甲苯、二硫化碳、石油醚及四氯化碳中的一种或多种。

进一步地，储氢体系还包括脱氢添加剂，脱氢添加剂选自十氢化萘、均三甲苯、石油醚及苯醚中的一种或多种。

进一步地，相对于每克储氢组分而言，脱氢添加剂的加入量为0.1～10mL。

液态储氢载体在加氢催化剂的作用下进行加氢化学反应生成液态氢源材料，液态氢源材料在脱氢催化剂的作用下进行脱氢化学反应还原为液态储氢载体。

如图1所示，储料罐通过输入泵连接预热器，预热器连接脱氢反应器，脱氢反应器连接气液分离器，气液分离器的出气口连接缓冲罐，出液口连接储料罐，缓冲罐和氢燃料电池相连。脱氢反应器外部设置有加热装置，整个系统使用PLC控制。

在脱氢反应器中设置有第一压力传感器，用于检测脱氢反应器压力。在缓冲罐中设置有第二压力传感器，用于检测缓冲罐压力。在气液分离器中设置由液位计，用于检测气液分离器内液面位置。第一、第二压力传感器以及液位计的信号发送给PLC，在满足预先设定条件时发送控制信号控制设置在储料箱和预热器管线上的输入泵、设置在气液分离器气体出口的氢气增压泵、设置在气液分离器液体出口的第一阀门、加热装置的启停。在缓冲罐和氢利用装置之间的稳压阀和第二阀门。

在正常运行时，第二压力传感器检测到缓冲罐的压力低于第一设定值时，PLC控制输入泵，提高液态氢源材料输送到预热器的流量，液态氢源材料被预热后被输送到填充有脱氢催化剂的脱氢反应器，液态氢源材料在脱氢反应器里进行脱氢反应，提高氢气产生速度以提高缓冲罐压力。氢气通过稳压阀和第二阀门被输入氢燃料电池。

同时第一压力传感器检测到脱氢反应器的压力高于设定值时，PLC控制启动氢气增压泵，使反应器内部压力低于设定压力。

第二压力传感器检测缓冲罐内的压力高于第二设定值时，PLC控制关闭输入泵和脱氢反应器外部的加热装置使脱氢反应器停止工作。

液位计检测到气液分离器内液面位置高于设定值时，PLC控制打开第一阀门，让气液分离器内的液态储氢载体流入储料箱。

液态氢源材料和液态储氢载体被储存在储料罐中，储料罐设置有分别存放液态氢源材料和液态储氢载体的空间：第一存放室和第二存放室，两个存放室之间隔以活动隔板。

打开第二阀门，缓冲罐内储存的氢气被输入氢燃料电池进行启动，正常运行时当缓冲罐的第二压力传感器检测到罐内的压力低于第一设定值时，通过PLC增大输入泵输入液态氢源材料的流量，液态氢源材料通过输送泵被输送入预热器，预热到100～250℃后进入脱氢反应器，在120～250℃、脱氢催化剂的作用下进行脱氢化学反应，反应产物进入气液分离器。

在脱氢反应器的第一压力传感器检测到脱氢反应器内的压力高于设定值时，通过PLC控制启动氢气增压泵，气液分离器中的氢气通过氢气增压泵储存在缓冲罐中，缓冲罐内的压力为0.03～1MPa，保持脱氢反应器中的压力为常压或微负压。氢气通过稳压阀以0.03～0.06MPa压力被输送到氢燃料电池。

气液分离器中的液态储氢载体达到设定的液位，通过PLC控制第一阀门的开度来输送回储料箱的第二存放室中。

当缓冲罐的第二压力传感器检测到罐内的压力低于第一设定值时，通过PLC控制增大输入泵的流量，增大进行脱氢反应的液态氢源材料的流量。

在缓冲罐的第二压力传感器检测到罐内的压力高于第二设定值时，通过PLC控制关闭输入泵和脱氢反应器外部的加热装置，停止脱氢反应。

在关闭阀门二氢利用装置停止工作后，脱氢反应会减慢最终停止，该段时间内产生的氢气可以通过氢气增压泵输入缓冲罐内，作为下次启动使用。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例和附图并不是用来限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，但同样在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (7)

1.一种用于液态氢源材料脱氢反应设备稳定提供氢气的控制系统，反应设备包括储存液态氢源材料和液态储氢载体的储料箱、填充有脱氢催化剂对液态氢源材料进行脱氢反应的脱氢反应器、对脱氢反应器进行加热的加热装置、对脱氢产物进行分离的气液分离器和氢利用装置，该反应设备控制系统的特征在于包括：

缓冲罐，用于储存脱氢反应器产生的氢气；

第一压力传感器，用于检测脱氢反应器压力；

第二压力传感器，用于检测缓冲罐压力；

液位计，用于检测气液分离器内液面位置；

控制器，用于采集所述第一、第二压力传感器以及液位计的信号并在满足根据预先设定条件时发送控制信号，所述控制信号用于控制反应设备中原料和反应产物的流量以及脱氢反应的启停；

所述控制器控制反应设备中原料和反应产物的流量以及脱氢反应的启停是通过控制设置在储料箱出口的输入泵、设置在气液分离器气体出口的氢气增压泵、设置在气液分离器液体出口的第一阀门、加热装置的启停；

所述控制器控制输入泵、氢气增压泵、第一阀门、加热装置启停的具体为：在正常运行时，第二压力传感器检测到缓冲罐的压力低于第一设定值时，控制器控制输入泵，提高液态氢源材料输送到脱氢反应器的流量，液态氢源材料在脱氢反应器里进行脱氢反应，提高氢气产生速度以提高缓冲罐压力；同时第一压力传感器检测到脱氢反应器的压力高于设定值时，控制器控制启动氢气增压泵，使反应器内部压力低于设定压力；第二压力传感器检测缓冲罐内的压力高于第二设定值时，控制器控制关闭输入泵和脱氢反应器外部的加热装置使脱氢反应器停止工作；液位计检测到气液分离器内液面位置高于设定值时，控制器控制打开第一阀门，让气液分离器内的液态氢源材料流入储料箱。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：在所述储料箱和脱氢反应器之间设置有对液态氢源材料进行预热的预热器。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于：还包括设置在缓冲罐和氢利用装置之间的稳压阀和第二阀门。

4.根据权利要求1至3任一所述控制系统，其特征在于：所述氢利用装置为氢燃料电池或氢内燃机。

5.根据权利要求1至3任一所述控制系统，其特征在于：所述控制器为PLC、单片机或DCS。

6.一种控制液态氢源材料脱氢设备稳定提供氢气的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）在正常运行时，第二压力传感器检测到缓冲罐的压力低于第一设定值时，控制器控制输入泵，提高液态氢源材料输送到脱氢反应器的流量，液态氢源材料在脱氢反应器里进行脱氢反应，提高氢气产生速度以提高缓冲罐压力；

（2）第一压力传感器检测到脱氢反应器的压力高于设定值时，控制器控制启动氢气增压泵，使反应器内部压力低于设定压力；

（3）第二压力传感器检测缓冲罐内的压力高于第二设定值时，控制器控制关闭输入泵和脱氢反应器外部的加热装置使脱氢反应器停止工作；

（4）液位计检测到气液分离器内液面位置高于设定值时，控制器控制打开第一阀门，让气液分离器内的液态储氢载体流入储料箱。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述液态氢源材料进入脱氢反应器前在预热器中被预热。