CN106094908B - 一种分布式非能动氢安全防护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种分布式非能动氢安全防护系统，包括主动氢浓度监测系统和被动氢浓度控制系统；被动氢浓度控制系统包括壳体，以及设置在该壳体内、且由下往上依次分布的引气区、催化区和导气区；引气区采用内梯形设计，用于引入外部氢气和空气；催化区采用Pt或Pd材料作为催化剂，用于实现氢气与空气、催化剂混合发生非能动催化反应；导气区用于将催化后的剩余空气和产生的水蒸气排出；主动氢浓度监测系统用于监测引入至引气区的氢气浓度，并对进入引气区的氢气量进行控制。本发明在氢泄漏、氢燃爆等涉氢事故中，无需人为外加主动控制便可自动和被动地进行氢安全防护，不仅大幅度提高了涉氢场所的安全性，而且可以满足不同场所的氢安全防护需求。

Description

一种分布式非能动氢安全防护系统

技术领域

本发明涉及一种防护系统，具体涉及的是一种分布式非能动氢安全防护系统及实现方法。

背景技术

面对能源危机和能源价格快速上涨的压力，寻找替代能源的呼声越来越高，而氢能作为一种高效的清洁能源，引起了世界各国和科研机构的高度重视，氢能经济的概念也由此浮出水面。

氢能经济可以理解为以氢能等清洁能源为主的清洁经济，其是充分利用氢能众多的优越性质，以人类需求和市场为目标所进行的氢能研发、生产、储存、运输、经营、管理等经济活动的总称。发展氢能经济可以部分摆脱人类对化石能源的依赖，实现人类社会的可持续发展。除新兴氢能应用之外，其它大规模涉氢场所还包括化工厂、氢实验室、储氢和输送氢管道装置等、工业制氢装置、蓄电池房等。例如，据统计我国在合成氨工业中氢的年回收量可达14亿m3，在氯碱工业中有8700万m3的氢可供回收利用。此外，在冶金工业、发酵制酒厂及丁醇溶剂厂等生产过程中都有大量氢可回收。

而随着氢应用范围的逐步扩大，其安全性也成为首要问题。对涉氢场所而言，无论是新兴氢能的燃料电池汽车，还是传统的化工厂，都需将氢安全问题提到首位。这是因为与常规能源相比，使用氢作为能源，会有不利于安全的属性，例如：更宽的着火范围，更低的着火能，更容易泄漏，更高的火焰传播速度，更容易爆炸。因此，氢能系统有不同于常规能源系统的危险特征，比如易燃、易泄漏、氢脆等。我国在长期的传统涉氢应用中，虽然逐步形成了自己的一套氢安全防护体系，包括氢相关安全标准、人员培训和防护、设备防护等。但是，这些标准和措施，通常是以人为外加主动控制的手段来应对涉氢事故的，并没有考虑在小概率情况下，人为外加主动控制之前和控制手段执行中，涉氢事故状态恶化和升级的可能性。并且，由于氢目前的使用范围不是非常广，大多数使用者经验不够丰富，在使用者的可接受心理上也存在着较大问题。所以，为了新兴氢能系统的进一步发展以及相关涉氢场所安全等级的提升，有必要对涉氢应用的安全技术进行进一步的提升。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种分布式非能动氢安全防护系统，其可实现对涉氢场所的氢泄漏进行监测和处理，提升涉氢场所的安全等级。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种分布式非能动氢安全防护系统，包括主动氢浓度监测系统和至少一个的被动氢浓度控制系统；所述的被动氢浓度控制系统包括壳体，以及设置在该壳体内、且由下往上依次分布的引气区、催化区和导气区；所述引气区采用内梯形设计，用于引入外部氢气和空气；所述催化区采用Pt或Pd材料作为催化剂，用于实现氢气与空气、催化剂混合发生非能动催化反应；所述导气区用于将催化后的剩余空气和产生的水蒸气排出；所述主动氢浓度监测系统用于监测引入至引气区及环境中的氢气浓度，并对进入引气区的氢气量进行控制。

作为优选，所述壳体由304不锈钢制成。

进一步地，所述引气区由多孔不锈钢制成，且其表面孔隙中覆有氧化铝材料。

具体地说，所述催化区分为上下分布的一级催化区和二级催化区，其中，一级催化区与引气区连通，二级催化区与导气区连通。

再进一步地，所述一级催化区和二级催化区均采用多孔不锈钢制成，其表面孔隙中采用超声浸渍法负载了Pt或Pd材料。

具体地说，所述主动氢浓度监测系统包括用于监测引入至引气区及环境中的氢气浓度的氢浓度传感器，与该氢浓度传感器连接的信号处理模块，通过毛细导管与该信号处理模块连接的毛细管氢浓度监测模块，与信号处理模块连接的控制模块，以及均与该控制模块连接的氢源控制阀门和通风设备。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明设计合理、使用方便、成本低廉，在氢泄漏、氢燃爆等涉氢事故中，其无需人为外加主动控制，便可自动和被动地进行氢安全防护，尤其是在比较严重的涉氢事故中，人为控制难以施加的时候，被动的氢安全防护系统可以起到及时减少涉氢场所的氢浓度，降低氢燃爆可能性，保证操作人员和设备的安全。

(2)本发明中的壳体采用304不锈钢制成，可以在进行自动催化反应的过程中，将热量及时传至系统外，从而避免系统内部因热积聚过多而导致局部过热，进而有效降低系统自引爆的可能性。

(3)本发明可与应用场所现有氢气监测报警系统直接兼容，并在无人监视和无法人工干预时，自动进行氢气浓度的降低工作，将涉氢事故初期的风险降至最低，大幅度提高涉氢场所的安全性。如此一来，不仅可以在最大程度实现应用场所的低成本化，而且也符合了我国现有的氢安全防护标准。

(4)本发明还可在单个被动氢浓度控制系统基础上进行叠加，以满足不同场所的氢安全防护需求(例如不同的氢处理量、氢浓度分布要求等)。

(5)本发明性价比高、实用性强、运行稳定可靠，基本可以满足未来氢能的发展和现有涉氢场所对氢安全防护方面的需求，为我国化工行业和未来清洁能源的发展提供强有力支持，因此，本发明具有很高的实用价值和推广价值。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

图2为本发明中被动氢浓度控制系统的结构示意图。

图3为本发明中主动氢浓度监测系统的结构示意图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-壳体，2-引气区，3-催化区，4-一级催化区，5-二级催化区，6-导气区，7-氢浓度传感器，8-信号处理模块，9-毛细管氢浓度监测模块，10-控制模块。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

本发明提供了非能动式的氢安全防护系统，可应用于涉氢场所(例如化工厂、氢实验室、氢燃料汽车等)，在发生涉氢事故时，本发明通过采用非能动启动的方式，自动进行催化氧化反应，可以达到降低氢浓度的目的。如图1～3所示，本发明包括两大部分，即：主动氢浓度监测系统和被动氢浓度控制系统。所述的被动氢浓度控制系统可以设置多个，如图2所示，每个被动氢浓度控制系统均包括壳体1以及设置在该壳体1内、且由下往上分布的引气区2、催化区3和导气区6。所述的引气区2用于引入外部氢气和空气，其采用了内梯形设计，本实施例中，引气区2采用多孔不锈钢(例如304)制成，且其表面的孔隙中覆有氧化铝材料。所述的催化区3分为上下分布的一级催化区4和二级催化区5，所述的一级催化区4与引气区2连通，所述的二级催化区5与导气区6连通，并且一级催化区4和二级催化区5均采用多孔不锈钢(例如304或316L)制成，其表面孔隙中采用超声浸渍法负载了Pt或Pd材料。一级催化区的主要功能是将引气区2引入的氢空混合气，以自动的非能动催化反应，将80％以上的氢反应去除，生成水蒸气。二级催化区用于接收水蒸气和剩余氢空混合气，并在较高温度下，将剩余的氢反应去除。所述的导气区6则用于将催化后的剩余空气和产生的水蒸气排出，实现氢空反应流程的完结，并将气体以一定的方向排出系统，保证系统内部的热分布和气流分布的稳定性。

所述主动氢浓度监测系统用于监测引入至引气区及环境中的氢气浓度，并对进入引气区的氢气量进行控制。如图3所示，所述的主动氢浓度监测系统包括用于监测引入至引气区及环境中的氢气浓度的氢浓度传感器7，与该氢浓度传感器7连接的信号处理模块8，通过毛细导管与该信号处理模块8连接的毛细管氢浓度监测模块9，与信号处理模块8连接的控制模块10，以及均与该控制模块10连接的氢源控制阀门和通风设备。

本发明的工作流程如下：

将本发明布置在涉氢场所。当发生氢泄漏时，由主动氢浓度监测系统控制氢气流量，使氢气和空气一同经由引气区2进入到催化区3的一级催化区4中。本发明先进行少量的自动非能动催化反应，产生一定量的热能后，再通入大量氢气和空气，此时，由于催化反应温度上升(100℃以上)，可以进一步加快催化反应的速度。反应后，生成的水蒸气和氢空混合气在二级催化区5内继续进行反应，由于气体温度较高，因此二级催化区内的催化反应速度较快，可以将剩余气体中的氢气浓度最大限度地降至零，最后，剩余空气和水蒸气再经由导气区6排出。本发明中的壳体1采用304不锈钢制成，可以在保持结构稳定的同时，将热量传至系统外，以避免系统内部热积聚过多而导致局部过热，进而降低自引爆的可能性。

技术指标：

在本发明中，引气区的氢气启动浓度小于0.5％，其余为空气。最大可反应氢浓度为27％。催化区最高工作温度为500℃，不会点爆氢空混合气。催化区的氢反应效率大于95％。氢处理量为5L/h/单元，最大可扩展至500L/h。被动氢浓度控制系统的使用寿命为8年，且在正常使用期限内不因自身产水而失效并可耐空气中微量杂质气体毒化。

此外，上述提到，一级催化区可将80％以上的氢反应去除，然后生成的水蒸气和氢空混合气在较高温度下进入到二级催化区，因此，二级催化区所需的催化剂含量可适当降低，并且可以掺杂非贵金属材料，如Ni、Cu等。从而在实现与其它氢反应结构相同目标的条件下，大幅度降低催化剂材料成本。并且，由于氢分两级反应，对一级和二级催化区的结构材料的要求也大幅度降低，可以使用耐温800℃的结构钢材料，无需使用陶瓷耐温材料。另外还无需担心催化剂在高温下的烧结问题，因为二级反应的温度较只采用一步反应的温度大幅度降低，可以使得催化剂的寿命大大提高。

在上述处理氢泄漏的过程中，主动氢浓度监测系统对被动氢浓度控制系统及涉氢场所的氢浓度进行实时监测，具体为：氢浓度传感器7实时采集氢浓度数据，然后传输至信号处理模块8中进行处理，处理后再传输至控制模块10进行分析，然后对涉氢场所的氢源控制阀门和通风设备进行相应的控制，以降低氢泄漏燃爆的危险。此外，在涉氢场所发生燃爆等严重事故时，由于涉氢场所内部温度过高，无法进行常规监测，因此，涉氢场所含氢气氛还可通过本发明中的毛细导管导至外部，然后再在环境外部由毛细管氢浓度监测模块9对含氢气氛继续进行监测。

另外，本发明还可以和现有的主动人工干涉控制结合，进一步提高目前氢安全防护的水平，例如将氢气监测报警装置和本发明结合，可以在少量氢发生泄漏时即开始自动控制现场氢浓度至爆炸限以下，同时在远离现场场所关闭氢源和开启场外通排风，并在氢浓度达到爆炸下限以下时，再采取人工手动或电动自动干涉如关闭现场阀门、开启现场通排风等措施，进一步减低氢浓度和关闭氢事故源头。在人工主动措施发挥作用时，本发明还可以继续在现场诸如死角等部位降低氢浓度，辅助主动措施，从而达到更好的氢安全防护效果。因此，本发明可以填补涉氢事故中氢泄漏后、人工控制之前的干预空白，从而在涉氢事故初期即可自动作出安全的防护控制，为后续的人工控制赢得时间，如此也可以降低需要的人工干预等级。

因此，本发明可以兼容接入目前的主动监测、报警和控制系统，无需太多额外的系统更改成本。随着国际上已经开始对传统涉氢应用和未来新兴氢能应用的被动氢安全防护技术开发，我国若能在此被动式氢安全防护技术进行研发，既可在此方面走在世界前列，也可对目前愈来愈多的涉氢场所进行更高等级的氢气安全防护。因此，本发明的设计研发，既有技术前瞻性，也具备了现实的意义。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种分布式非能动氢安全防护系统，其特征在于，包括主动氢浓度监测系统和至少一个的被动氢浓度控制系统；所述的被动氢浓度控制系统包括壳体(1)，以及设置在该壳体(1)内、且由下往上依次分布的引气区(2)、催化区(3)和导气区(6)；所述引气区(2)采用内梯形设计，用于引入外部氢气和空气；所述催化区(3)采用Pt或Pd材料作为催化剂，用于实现氢气与空气、催化剂混合发生非能动催化反应；所述导气区(6)用于将催化后的剩余空气和产生的水蒸气排出；所述主动氢浓度监测系统用于监测引入至引气区及环境中的氢气浓度，并对进入引气区的氢气量进行控制；所述主动氢浓度监测系统包括用于监测引入至引气区及环境中的氢气浓度的氢浓度传感器(7)，与该氢浓度传感器(7)连接的信号处理模块(8)，通过毛细导管与该信号处理模块(8)连接的毛细管氢浓度监测模块(9)，与信号处理模块(8)连接的控制模块(10)，以及均与该控制模块(10)连接的氢源控制阀门和通风设备。

2.根据权利要求1所述的一种分布式非能动氢安全防护系统，其特征在于，所述壳体(1)由304不锈钢制成。

3.根据权利要求2所述的一种分布式非能动氢安全防护系统，其特征在于，所述引气区(2)由多孔不锈钢制成，且其表面孔隙中覆有氧化铝材料。

4.根据权利要求2或3所述的一种分布式非能动氢安全防护系统，其特征在于，所述催化区(3)分为上下分布的一级催化区(4)和二级催化区(5)，其中，一级催化区(4)与引气区(2)连通，二级催化区(5)与导气区(6)连通。

5.根据权利要求4所述的一种分布式非能动氢安全防护系统，其特征在于，所述一级催化区(4)和二级催化区(5)均采用多孔不锈钢制成，其表面孔隙中采用超声浸渍法负载了Pt或Pd材料。