有机液态储氢材料运氢的高压气态加氢站燃料补充装置
技术领域
本发明属于氢能源储存和运输领域,具体涉及一种基于有机液态储氢材料运氢的高压气态加氢站燃料补充装置。
背景技术
化石燃料的大量使用不仅造成了严重的环境污染,也引发了人们对未来可能存在的能源危机的担忧。因此,发展新型清洁能源是实现人类社会可持续发展的必由之路。目前,氢能以其清洁高效的优点引起人们的广泛关注,被认为是未来能源体系的重要组成部分,具有光明的发展前景。然而,在氢能产业链中,氢的运输和储存问题依然是限制其发展的一大瓶颈,阻碍了氢能的大规模应用。
一方面,氢气有相当部分来自于远离用氢场所的地方(如工厂回收的废氢、偏远地区太阳能风能制氢等)。在这种情况下,连接制氢和用氢两地之间的管道铺设成本较高,氢气较难被有效利用,目前常用的运输氢的方式仍以高压罐车为主。实际上,氢气在罐车中有多种储存方式,如高压气态储氢、低温液态储氢、有机液态储氢、固态储氢等。其中,有机液态储氢具有储氢量大、压力低(小于10MPa)、安全可靠性好等优点,在运氢罐车应用场合上具有竞争优势。另一方面,目前主流氢能源基础设施建设以高压气态加氢站(氢气储存压力一般为45MPa或90MPa)为主,从而能够为移动式用氢设备(如燃料电池汽车等)便捷地提供氢气。因此,通过基于有机液态储氢材料的运氢罐车将氢气运输到高压气态加氢站,可以实现氢气的高效运输和集中利用。
然而,基于有机液态储氢的运氢罐车与高压气态加氢站之间存在不相容性,主要体现在有机液态储氢材料氢气解吸过程需要外部热量输入和有效的热量管理以及两者之间压力的不匹配。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有机液态储氢材料运氢的高压气态加氢站燃料补充装置,其可以实现有机液态储氢材料运氢与高压气态加氢站之间的衔接,使得远离用氢场所的氢气能够被集中利用,拓展了加氢站氢气来源,有利于氢能的大规模发展和推广。
为实现上述目的,本发明采用了以下技术方案:
一种基于有机液态储氢材料运氢的高压气态加氢站燃料补充装置,其包括运氢罐车、氢气解吸模块、氢气增压模块及控制模块,其中:
所述的运氢罐车用于向所述的氢气解吸模块提供有机液体储氢材料;
所述的氢气解吸模块用于将运氢罐车提供的富氢的有机液体储氢材料进行解吸,并释放出低压的氢气;
所述的氢气增压模块用于将氢气解吸模块所得低压的氢气进行增压,将压力提升至高压气态加氢站的压力后,进入高压气态加氢站;
所述的控制模块用于确保氢气解吸模块与氢气增压模块之间的流量匹配。
上述的一种基于有机液态储氢材料运氢的高压气态加氢站燃料补充装置,上述的氢气解吸模块包括解吸反应器、废料罐及对上述的解吸反应器进行加热的加热机构,上述的运氢罐车与上述的解吸反应器的原料入口管道相连,上述的废料罐的入口与上述的解吸反应器的废液出口管道相连,上述的废料罐的出口与上述的运氢罐车相连接;
富氢的有机液态储氢材料输入上述的解吸反应器并在解吸反应器内解吸出氢气,乏氢的有机液态储氢材料暂存于上述的废料罐中,待运氢罐车内所有有机液态储氢材料解吸完成后,乏氢的有机液体储氢材料输送至上述的运氢罐车。
上述的一种基于有机液态储氢材料运氢的高压气态加氢站燃料补充装置,上述的解吸反应器包括反应器本体,上述的反应器本体为圆台状,上述的原料入口管道连接在上述的反应器本体的顶部,在上述的原料入口管道附近的反应器本体上还连接有压力计接管和氢气出口管道,上述的废液出口管道连接在上述的反应器本体的底部,上述的反应器本体的顶部和底部分别通过法兰盖一和法兰盖二进行密封;在上述的反应器本体的中间设置有催化剂床层,催化剂床层的上下端均设置有固定器对其进行固定;上述的反应器本体的外围包覆有圆柱形的换热夹套,上述的换热夹套设置有夹套入口和夹套出口,通过向上述的夹套入口内通入换热流体对上述的反应器本体进行加热,通过上述的加热机构对上述的换热流体进行加热。
上述的一种基于有机液态储氢材料运氢的高压气态加氢站燃料补充装置,上述的加热机构包括太阳能集热器和加热器,上述的夹套出口、太阳能集热器、加热器以及夹套入口依次相连,在上述的夹套出口和太阳能集热器之间还连接有温度计一,在上述的加热器与上述的夹套入口之间还连接有温度计二,上述的温度计一用于对换热流体在夹套出口处的温度进行监测,上述的温度计二用于对换热流体在夹套入口处的温度进行监测;
当太阳能充足时,以太阳能集热器加热为主,加热器加热为辅向反应器本体提供热量;当太阳能不充足时,以加热器加热为主,太阳能集热器加热为辅向反应器本体提供热量。
上述的一种基于有机液态储氢材料运氢的高压气态加氢站燃料补充装置,上述的反应器本体与法兰盖一之间设置有垫片一,上述的反应器本体与法兰盖二之间设置有垫片二,上述的反应器本体与法兰盖一、法兰盖二之间均通过固定螺栓进行连接;在上述的氢气出口管道的底部设置有滤网,上述的滤网用于防止固体颗粒流出。
上述的一种基于有机液态储氢材料运氢的高压气态加氢站燃料补充装置,上述的运氢罐车与上述的解吸反应器的原料入口管道之间设置有流出泵,上述的反应器本体连接有压力计一,上述的运氢罐车与上述的废料罐之间设置有返回泵和控制阀,上述的废料罐连接有温度计三。
上述的一种基于有机液态储氢材料运氢的高压气态加氢站燃料补充装置,上述的氢气增压模块包括过滤器、低压缓冲罐、变频器、低压段压缩机组、低压段压缩机组换热器、高压缓冲罐、高压段压缩机组及高压段压缩机组换热器,上述的过滤器、低压缓冲罐、低压段压缩机组、高压缓冲罐、高压段压缩机组依次相连;上述的变频器与上述的低压段压缩机组相连;上述的低压段压缩机组与上述的低压段压缩机组换热器并联,上述的高压段压缩机组与上述的高压段压缩机组换热器并联;压缩方式为多级压缩并进行级间冷却。
上述的一种基于有机液态储氢材料运氢的高压气态加氢站燃料补充装置,上述的低压缓冲罐连接有压力计四,在高压气态加氢站入口设置有压力计三和氢气浓度检测计。
上述的一种基于有机液态储氢材料运氢的高压气态加氢站燃料补充装置,上述的控制模块包括控制器,上述的控制器与上述的温度计二连接,上述的温度计二将测得的温度信号输入上述的控制器中,通过上述的控制器输出信号来控制低压段压缩机组的转速,来确保氢气解吸模块与氢气增压模块之间的流量匹配。
上述的一种基于有机液态储氢材料运氢的高压气态加氢站燃料补充装置,上述的机液体储氢材料为乙基咔唑、丙基咔唑、甲苯、二苄基甲苯中的一种或几种,上述的氢气解吸模块中的催化剂为含Pd或含Pt的催化剂。
与现有技术相比,本发明带来了以下有益技术效果:
(1)本发明提出了一种有机液态储氢材料运氢的高压气态加氢站燃料补充装置,实现了有机液态储氢材料运氢与高压气态加氢站之间的衔接,使得远离用氢场所的氢气能够被集中利用,拓展了加氢站氢气来源,有利于氢能的大规模发展和推广。
(2)本发明解吸反应器的反应器本体为圆台状,上端横截面积小,催化剂量少,下端横截面积大,催化剂量多。在催化剂床层上部,有机液态储氢材料含氢量高,通过减少催化剂量可以降低解吸反应速率;在催化剂床层下部,有机液态储氢材料含氢量低,通过增加催化剂量可以提高反应速率。因此,有机液态储氢材料在催化剂床层内反应比较均匀,解吸反应器内的温度也比较均匀,有利于降低解吸反应器的热应力。同时,圆台状反应器提高了催化剂床层利用率,有利于减少催化剂的填充量。
(3)本发明换热夹套为圆柱状,与圆台状反应器筒体配合导致夹套入口处流通面积小,流体流速快,而夹套出口处流通面积大,流体流速慢,有利于催化剂床层的均匀换热。这样为解吸反应器提供了良好的热量管理,有利于氢气解吸反应的稳定进行。
(4)本发明解吸反应器采用法兰垫片结构,保证了反应器的密封性能,同时也方便拆卸,有利于催化剂床层等内部构件的维修和更换。
(5)本发明考虑到加氢站较大的占地面积,本装置采用置于加氢站顶部的太阳能集热器收集太阳能为解吸反应器提供热量,到达高效节能的目的。氢气压缩采用多级压缩并辅以级间冷却,提高了氢气的压缩效率,有利于氢气压缩装置的简化和成本的降低。同时依据夹套入口流体的温度实现对低压段压缩机组转速的控制,提高了系统的氢气流量操作范围。
(6)本发明系统模块化设计有利于系统的维修保养和装置集成,使系统更加紧凑,减小系统占地面积。系统各部分设置有温度、压力、气体浓度等检测仪器,可用于监测各组成部件的关键数据。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明:
图1为本发明种有机液态储氢材料运氢的高压气态加氢站燃料补充装置系统结构图;
图2为本发明解吸反应器结构示意图;
图3为本发明控制模块控制流程图;
图中:
1、运氢罐车,2、氢气解吸模块,3、流出泵,4、压力计一,5、温度计一,6、解吸反应器,7、太阳能集热器,8、加热器,9、温度计二,10、控制器,11、控制模块,12、变频器,13、压力计二,14、高压段压缩机组换热器,15、加氢站,16、压力计三,17、氢气浓度检测计,18、氢气增压模块,19、高压段压缩机组,20、高压缓冲罐,21、低压段压缩机组,22、低压段压缩机组换热器,23、低压缓冲罐,24、压力计四,25、过滤器,26、废料罐,27、温度计三,28、控制阀,29、返回泵,30、原料入口管道,31、法兰盖一,32、垫片一,33、反应器本体,34、换热夹套,35、夹套入口,36、法兰盖二,37、废液出口管道,38、垫片二,39、固定器,40、催化剂床层,41、夹套出口,42、滤网,43、固定螺栓,44、压力计接管,45、氢气出口管道。
具体实施方式
本发明提出了一种有机液态储氢材料运氢的高压气态加氢站燃料补充装置,为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确,下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
除非另有其他明确表示,否则在整个说明书和权利要求书中,术语“包括”或其变换如“包含”等等将被理解为包括所陈述的部件或组成部分,而并未排除其他部件或其他组成部分。
在本文中,为了描述的方便,可以使用空间相对术语,诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等,来描述一个部件或特征与另一部件或特征在附图中的关系。应理解的是,空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如,如果在图中的物件被翻转,则被描述为在其他部件或特征“下方”或“下”的部件将取向在所述部件或特征的“上方”。因此,示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。部件也可以有其他取向(旋转90度或其他取向)且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。
本发明中所述及的“有机液态储氢材料”以乙基咔唑为例,解吸反应器中的催化剂以含Pd的催化剂为例。
作为本发明的一个主要改进点,将有机液态储氢材料运氢与高压气态加氢站之间衔接,本发明主要通过氢气解吸模块、控制模块与氢气增压模块之间的配合,其作为一个整体,使得远离氢气场所的氢气能够被集中利用。
如图1所示,本发明一种有机液态储氢材料运氢的高压气态加氢站燃料补充装置,包括运氢罐车1、氢气解吸模块2、氢气增压模块18及控制模块11,其中:运氢罐车1用于向的氢气解吸模块2提供有机液体储氢材料;氢气解吸模块2用于将运氢罐车提供的富氢的有机液体储氢材料进行解吸,并释放出低压的氢气;氢气增压模块用于将氢气解吸模块所得低压的氢气进行增压,将压力提升至高压气态加氢站的压力后,进入高压气态加氢站;控制模块用于确保氢气解吸模块与氢气增压模块之间的流量匹配。通过运氢罐车、氢气解吸模块、氢气增压模块及控制模块的相互配合,可为高压气态加氢站提供氢。
具体的,上述的运氢罐车1,借鉴现有技术即可实现,其主要目的是为氢气解吸模块提供有机液体储氢材料即可,在运氢罐车1与氢气解吸模块之间连接的管道上设置有流出泵3。
上述的氢气解吸模块2,包括解吸反应器6、废料罐26及对解吸反应器进行加热的加热机构,运氢罐车1与解吸反应器6的原料入口管道30相连,废料罐26的入口与解吸反应器的废液出口管道37相连,废料罐的出口与运氢罐车相连接;富氢的有机液态储氢材料输入解吸反应器并在解吸反应器内解吸出氢气,乏氢的有机液态储氢材料暂存于废料罐中,待运氢罐车内所有有机液态储氢材料解吸完成后,乏氢的有机液体储氢材料输送至运氢罐车。
上述的解吸反应器包括反应器本体33,反应器本体为圆台状,即上端的横截面积小,下端的横截面积大,这样设计的目的在于:上端横截面积小,催化剂量少,下端横截面积大,催化剂量多。在催化剂床层上部,有机液态储氢材料含氢量高,通过减少催化剂量可以降低解吸反应速率;在催化剂床层下部,有机液态储氢材料含氢量低,通过增加催化剂量可以提高反应速率。因此,有机液态储氢材料在催化剂床层内反应比较均匀,解吸反应器内的温度也比较均匀,有利于降低解吸反应器的热应力。同时,圆台状反应器提高了催化剂床层利用率,有利于减少催化剂的填充量。
如图2所示,原料入口管道30连接在反应器本体的顶部,在原料入口管道附近的反应器本体上还连接有压力计接管44和氢气出口管道45。废液出口管道37连接在反应器本体的底部,当解吸反应进行时,反应器本体的顶部和底部分别通过法兰盖一31和法兰盖二36进行密封,主要连接方式如通过固定螺栓43将二者连接,为了确保密封性,优选在反应器本体与法兰盖一之间设置有垫片一32,反应器本体与法兰盖二之间设置有垫片二38,为了防止氢气排出时将催化剂颗粒带出,因此在氢气出口管道45的底部设置有滤网42,滤网的孔径小于催化剂颗粒的大小。
在反应器本体的中间设置有催化剂床层40,催化剂床层的上下端均设置有固定器39对其进行固定,防止催化剂颗粒流动;反应器本体的外围包覆有圆柱形的换热夹套34,换热夹套设置为圆柱形的目的在于:与圆台状反应器筒体配合导致夹套入口处流通面积小,流体流速快,而夹套出口处流通面积大,流体流速慢,有利于催化剂床层的均匀换热。换热夹套设置有夹套入口35和夹套出口41,通过向夹套入口内通入换热流体对反应器本体进行加热,通过=加热机构对换热流体进行加热。换热流体可以为蒸汽、油等介质。
上述的加热机构包括太阳能集热器7和加热器8,夹套出口41、太阳能集热器7、加热器8以及夹套入口35依次相连,在所述的夹套出口和太阳能集热器之间还连接有温度计一5,温度计一用于对换热流体在夹套出口处的温度进行监测,在加热器与夹套入口之间连接有温度计二9,温度计二9用于对换热流体在夹套入口处的温度进行监测;温度计二将测得的温度输入给控制模块。
当太阳能充足时,以太阳能集热器加热为主,加热器加热为辅向反应器本体提供热量;当太阳能不充足时,以加热器加热为主,太阳能集热器加热为辅向反应器本体提供热量。通过太阳能集热器或/和加热器对换热流体进行加热,然后换热流体从夹套入口进入换热夹套中,进而对反应器本体进行加热,以达到氢气解吸的反应温度。
通常情况下,太阳能集热器可以采用槽式、碟式等方式收集太阳能热量,将换热流体温度加热到150-240℃,用于有机液态储氢材料的解吸反应。加热器8可采用电加热或燃料加热,将换热流体温度加热到150-240℃。
为了方便装置的控制,在反应器本体上连接有压力计一4,的运氢罐车与废料罐之间设置有返回泵29和控制阀28,废料罐连接有温度计三27。
原料入口管道30、压力计接管44、氢气出口管道45、法兰盖一31、反应器本体33、法兰盖二36、废液出口管道37,换热夹套34是由316不锈钢制造;法兰盖一31与原料入口管道30、压力计接管44、氢气出口管道45之间,法兰盖二36与废液出口管道37之间,反应器本体33与换热夹套34之间,均采用焊接方式连接。垫片一32和垫片二38可选用金属石墨缠绕垫片,固定螺栓43选用316不锈钢材质。固定器39为具有一定抗弯强度的滤网,滤网孔径允许气体、液体通过而禁止固体通过。反应器本体33母线与竖直方向呈一定的角度θ,范围为0-60°。滤网42仅允许气体通过,规格优选为500-1500目,氢气出口管道45的氢气压力为0.1-0.4MPa。
氢气增压模块18包括过滤器25、低压缓冲罐23、连接在低压缓冲罐的压力计四24、变频器12、低压段压缩机组21、低压段压缩机组换热器22、高压缓冲罐20、连接在高压缓冲罐的压力计二13、高压段压缩机组19、高压段压缩机组换热器14、固定于加氢站入口的压力计三16、固定于加氢站15入口的氢气浓度检测计17;过滤器25、低压缓冲罐23、低压段压缩机组21、高压缓冲罐20、高压段压缩机组19依次相连;变频器12与低压段压缩机组21相连;低压段压缩机组21与低压段压缩机组换热器22并联,高压段压缩机组19与高压段压缩机组换热器14并联;压缩方式为多级压缩并进行级间冷却。
氢气压力被低压段压缩机组21从0.1-0.4MPa提升到10MPa,之后再被高压段压缩机组19提升到45MPa(加氢站氢气压力)。低压段压缩机组21和高压段压缩机组19的温度分别通过低压段压缩机组换热器22和高压段压缩机组换热器14控制在110℃以下。
参见图1和图3,控制模块11包括控制器10;温度计二9测得的温度信号输入控制器10,控制器10输出信号用于控制低压段压缩机组21的转速,实现氢气解吸模块2和氢气增压模块18之间的流量匹配。
下面对本发明一种有机液态储氢材料运氢的高压气态加氢站燃料补充装置的工作原理做如下说明:
太阳能集热器7或加热器8加热管道内的换热流体,换热流体从夹套入口35流入换热夹套34,并从夹套出口41流出。换热流体加热解吸反应器6至有机液态储氢材料解吸反应温度,并为解吸反应提供足够的热量。基于有机液态储氢材料的运氢罐车1通过流出泵3将富氢的有机液态储氢材料输入解吸反应器6。在解吸反应温度下,有机液态储氢材料流经催化剂床层40,解吸反应发生,释放出氢气。氢气经过滤网42,从氢气出口管道45流出解吸反应器,进入氢气增压模块18。而乏氢的有机液态储氢材料经过废液出口管道37流入废料罐26。控制阀28在解吸反应发生时关闭;运氢罐车1内有机液态储氢材料解吸反应结束时,控制阀28打开,乏氢的有机液态储氢材料通过返回泵29输送到运氢罐车1。
在氢气增压模块18内,解吸反应放出的氢气流经过滤器25、低压缓冲罐23,经过低压段压缩机组21将压力提升至10MPa,进入并可以暂存于高压缓冲罐20。在有需要时,高压缓冲罐20内的氢气经高压段压缩机组19增压至45MPa(高压气态加氢站15的压力值)。压缩机压缩过程中产生通过换热器被换热流体带走,使得压缩机温度低于110℃。
本发明公开的一种有机液态储氢材料运氢的高压气态加氢站燃料补充装置,通过氢气解吸模块、氢气增压模块和控制模块的配合使用,实现了基于有机液态储氢材料运氢的运氢罐车和高压气态加氢站之间的连接,并通过解吸反应器的结构设计,实现了反应器良好的热量管理,达到了高效节能的目的,使远离用氢场所的氢气能够被集中利用,拓展了高压气态加氢站的氢气来源,有利于氢能的大规模使用和发展。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于此。
尽管本文中较多的使用了诸如运氢罐车、氢气解吸模块、解吸反应器、太阳能集热器、控制器等术语,但并不排除使用其它术语的可能性,使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质;把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
需要进一步说明的是,本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。