CN108105586B - 一种基于金属有机骨架材料的水合物法储能装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水合物应用技术领域，提供一种基于金属有机骨架材料的水合物法储能装置及方法。基于金属有机骨架材料作为水合物生成的多孔介质，可以提供接近水合物晶胞尺度大小的孔隙，增加组分之间接触面积，降低了水合物生成所需温度压力条件，使水合物在较为缓和的温度压力条件下在很短的诱导时间内生成；储气放气过程可逆，可循环利用该模块结构。使用多层模块结构，充分填充金属有机骨架材料，有效利用反应容器内空间储存天然气及氢气，优化装置储放气的性能。在水合物分解时通过储氨释放热量，提供水合物分解所需热量，促进水合物分解释放气体。过滤装置将多孔介质材料与气体分子分离开来，保证气体的纯度及解决多孔介质容易堵塞出气口问题。
Description
技术领域
本发明属于水合物应用技术领域，涉及到一种基于金属有机骨架材料的水合物法储能装置及方法。
背景技术
煤炭、石油等传统化石能源无法满足人类增长的能源需求，其大量消耗同时带来大气污染、温室效应等一系列环境问题。天然气因氢碳比较高，具有相对清洁、能量密度较高的优点。天然气水合物在全球广泛分布，储量巨大，被世界多个国家视为一种极具开发前景的潜在能源，其有效开发利用引起广泛关注。
因为单位体积的天然气水合物分解可以释放出大量天然气，天然气水合物又被视为一种重要的储能方法，即天然气可以通过生成水合物的形式进行储存和运输。目前常用的天然气储运技术有液化天然气及压缩天然气，都需要较为严苛的生成条件(-162℃和25MPa)，在安全性和经济性上有一定局限性。根据相平衡特性，天然气水合物的生成条件较为缓和，并且与其他储运方式相比具有成本低、简单灵活、易于控制、安全可靠等优势。
在纯水中生成水合物需要较大的过冷度和较长的诱导时间。已证实在多孔介质中，客体分子与水的接触面积大大提高，水合物更容易生成。但目前常用的硅基材料缺少结构的多样性，在组成成分和表面功能性上有所不足。金属有机骨架材料作为一种具有吸附能力的微纳米颗粒，具有可调控的孔隙度、较大的比表面积和丰富的多孔结构，能够促进水合物在微孔隙内生成，被认为是一种有效的水合物生成与储运微孔隙多孔介质。在此基础上，本发明提出一种基于金属有机骨架材料的水合物法储能装置及方法。该装置及方法也可用于储氢。
发明内容
本发明提供一种基于金属有机骨架材料的水合物法储能装置及方法，为天然气及氢气水合物储运技术提供一种比较快速、安全、低成本的装置及方法，并且可以对原料进行循环使用。
本发明的技术方案：
一种基于金属有机骨架材料的水合物法储能装置，包括端盖4、进气口、出气口、过滤器3、密封圈9、模块化微孔隙多孔介质以及储氨层10；
两个端盖4与套筒7通过螺栓8连接构成耐高压反应釜，整体结构采用不锈钢材质，密封圈9用于端盖4与套筒7之间的密封，装置设计压力为0～15MPa，设计温度为-10～30℃；耐高压反应釜内放置多层结构6，多层结构6为多个上端开口的圆盘与支撑柱构成，圆盘中填入金属有机骨架材料5形成模块化微孔隙多孔介质，以促进水合物生成；上端的端盖4上设有进气口和出气口，并分别通过进气口阀门1和出气口阀门2密封；过滤器3设置在耐高压反应釜与出气口之间，用于对出气口气体进行过滤；耐高压反应釜下部设有储氨层10，其上设有进气口。
所述的储氨层10填充有储氨介质，且可拆卸。研究表明多种储氨材料可以在常温低压下吸收氨气生成较稳定的固体化合物，具有与液氨近似的储氨量，并快速释放较多热量。并且，天然气合成氨气也是工业制氨的常规方法之一。在水合物分解时，打开储氨层进气口，通过储氨释放热量，提供水合物分解所需热量，促进天然气释放。所储氨气可应用于相关领域，储氨材料可在释放、利用氨气后循环使用。
本发明的有益效果：本发明基于金属有机骨架材料作为水合物生成的多孔介质，可以提供接近水合物晶胞尺度大小的孔隙，增加组分之间接触面积，降低了水合物生成所需温度压力条件，使水合物可以在较为缓和的温度压力条件下在很短的诱导时间内生成。储气放气过程可逆，可循环利用。使用多层模块结构，充分填充金属有机骨架材料，有效利用反应容器内空间储存天然气及氢气，并为水合物分解产生的气体提供有效运移通道，有利于分解释放气体，同时多层结构采取良好导热性能材料，增进水合物生成分解过程中的传热效果，进一步促进水合物快速生成或分解，优化装置储放气体能源的性能。过滤装置将多孔介质材料与气体分离开来，保证气体的纯度及解决多孔介质堵塞出气口问题。实现天然气与氢气的安全高效储存和运输及利用。
附图说明
图1是一种基于金属有机骨架材料的水合物法储能装置结构框图。
图2是该装置俯视图。
图中：1进气口阀门；2出气口阀门；3过滤器；4端盖；
5金属有机骨架材料；6多层结构；7套筒；8螺栓；9密封圈；10储氨层。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
图1为一种基于金属有机骨架材料的水合物法储能装置结构图。该装置由端盖、套筒，含有金属有机骨架材料的多层结构及过滤器构成。端盖与套筒构成耐高压反应容器，中间放置含有金属有机骨架材料的多层结构，可进行水合物的生成与分解；出气口处设置过滤器，保证气体的纯度。
一种基于金属有机骨架材料的水合物法储能方法，步骤如下：
(1)将用去离子水润湿后的金属有机骨架材料5填入多层结构6中，并将多层结构6放置于耐高压反应釜中；每克金属有机骨架材料5的去离子水润湿量控制在0.6-0.8g之间，一方面确保微孔隙内有足够的水可生成水合物，另一方面确保水不会过量占据孔隙空间影响最终水合物储存量；
(2)将端盖4密封，关闭出气口阀门2，确保耐高压反应釜密闭性良好；
(3)将储存装置放置于控温装置中，实现水合物生成的低温环境，低温环境控制在0-5℃；
(4)向耐高压反应釜注入需要储存的气体，达到水合物生成所需压力后保持耐高压反应釜内在恒压条件下生成天然气水合物，水合物完全生成后停止注气，关闭进气口阀门1；进气压力控制在3-5MPa；
(5)将储存装置置于保温设备中，实现天然气或氢气储存与运输；
(6)打开出气口阀门2，同时打开储氨层进气阀门，通过储氨释放热量，促进水合物分解释放气体；放热完毕后将储氨材料取出，替换入新的储氨材料。已经储好的氨可在常温常压下稳定存在，储氨材料在释放、利用氨气后循环使用；
(7)重复步骤(2)-(6)实现装置的循环利用。
Claims (3)
1.一种基于金属有机骨架材料的水合物法储能装置，其特征在于，所述的基于金属有机骨架材料的水合物法储能装置包括端盖(4)、进气口、出气口、过滤器(3)、密封圈(9)、模块化微孔隙多孔介质以及储氨层(10)；
两个端盖(4)与套筒(7)通过螺栓(8)连接构成耐高压反应釜，整体结构采用不锈钢材质，密封圈(9)用于端盖(4)与套筒(7)之间的密封，装置设计压力为0～15MPa，设计温度为-10～30℃；耐高压反应釜内放置多层结构(6)，多层结构(6)为多个上端开口的圆盘与支撑柱构成，圆盘中填入金属有机骨架材料(5)形成模块化微孔隙多孔介质，以促进水合物生成；上端的端盖(4)上设有进气口和出气口，并分别通过进气口阀门(1)和出气口阀门(2)密封；过滤器(3)设置在耐高压反应釜与出气口之间，用于对出气口气体进行过滤；耐高压反应釜下部设有储氨层(10)，其上设有进气口，通过储氨实现释放热量，促进水合物的生成。
2.根据权利要求1所述的基于金属有机骨架材料的水合物法储能装置，其特征在于，所述的储氨层(10)填充有储氨介质，且可拆卸。
3.一种基于金属有机骨架材料的水合物法储能方法，其特征在于，步骤如下：
(1)用去离子水将润湿后的金属有机骨架材料(5)填入多层结构(6)中，并将多层结构(6)放置于耐高压反应釜中；每克金属有机骨架材料(5)的去离子水润湿量控制在0.6-0.8g之间，一方面确保微孔隙内有足够的水可生成水合物，另一方面确保水不会过量占据孔隙空间影响最终水合物储存量；
(2)将端盖(4)密封，关闭出气口阀门(2)，确保耐高压反应釜密闭性良好；
(3)将储存装置放置于控温装置中，实现水合物生成的低温环境，低温环境控制在0-5℃；
(4)向耐高压反应釜注入待储存的气体，达到水合物生成所需压力后保持耐高压反应釜内在恒压条件下生成天然气水合物，水合物完全生成后停止注气，关闭进气口阀门(1)；进气压力控制在3-5MPa；
(5)将储存装置置于保温设备中，实现天然气或氢气储存与运输；
(6)打开出气口阀门(2)，同时打开储氨层(10)进气阀门，通过储氨释放热量，促进水合物分解释放气体；放热完毕后，将储氨层(10)中的储氨材料取出，替换入新的储氨材料；已经储好的氨在常温常压下稳定存在，储氨材料在释放、利用氨气后循环使用；
(7)重复步骤(2)-(6)实现装置的循环利用。
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