CN112844266A - 一种加氢反应器控温系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开的一种加氢反应器控温系统及方法，该系统包括加氢反应器、蓄热容器及控制器；加氢反应器的外表面设置有控温夹套，蓄热容器中存储有蓄热材料；控制器用于通过控制旁路阀门，控制控温介质在控温夹套与蓄热容器之间循环的启停，以调节加氢反应器的温度。通过该控温系统，使用蓄热材料储存加氢反应中放出的热量，并在加氢反应器短时停机过程中维持其温度，保证反应器能够在需要时快速、低能耗的启动，降低反复启动停机的能量消耗。
Description
技术领域
本申请涉及制氢技术领域，尤其涉及一种加氢反应器控温系统及方法。
背景技术
电解水制氢是一种较为方便的制取氢气方法，在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。电解水制氢是一种灵活高效、纯度高的制氢方式，特别适合于燃料电池用氢燃料的生产。目前的电力价格体系中，采取了日峰谷价差的方式来调节每日不同时段的用电负荷，而在负荷低谷阶段使用比较廉价的电力进行电解水制氢，能够有效降低制氢成本。
在氢气的大规模储存上，有机液体储氢材料由于安全性良好，是一种有潜力的储氢技术，有机液体的储氢过程属于化学反应，需要在较高的温度(160-250℃)和压力下进行，目前在使用加氢反应器进行有机液体的储氢操作时，需要慢速升温以避免热应力影响，同时需要尽量长的持续稳定工作时间，以避免反复启停过程中，加热导致的能耗成本上升。
通常会将电解水制氢技术和有机液体储氢技术相结合，以实现制储氢装置的灵活部署。但是，需要反复启停加氢反应器以配合在负荷低谷阶段使用比较廉价的电力进行电解水制氢的目的，加氢反应器在停机过程中温度的下降是影响其快速启动的主要问题，而采用传统电、蒸汽等加热手段，来保持加氢反应器的温度需要消耗额外的能量，增加了生产成本。
发明内容
为了解决在需要反复启停加氢反应器以配合在负荷低谷阶段使用比较廉价的电力进行电解水制氢的过程中，采用传统电、蒸汽等加热手段，来保持加氢反应器的温度需要消耗额外的能量，增加了生产成本的技术问题，本申请通过以下实施例公开了一种加氢反应器控温系统及方法。
本申请第一方面公开了一种加氢反应器控温系统，包括：加氢反应器、蓄热容器及控制器；
所述加氢反应器的外表面设置有控温夹套，所述蓄热容器中存储有蓄热材料；
所述控温夹套与所述蓄热容器之间通过换热管连接，所述换热管布设在所述蓄热材料中，一端设置在所述控温夹套的顶部，另一端设置在所述控温夹套的底部；
所述换热管上设置有旁路阀门；
所述控温介质通过所述换热管能够在所述控温夹套与所述蓄热容器之间进行循环；
所述控制器用于通过控制所述旁路阀门，控制所述控温介质在所述控温夹套与所述蓄热容器之间循环的启停，以调节所述加氢反应器的温度；
所述控制器中配置有以下流程：
当所述加氢反应器处于启动状态且温度低于额定工作温度时，控制所述控温介质停止在所述控温夹套与所述蓄热容器之间进行循环；
当所述加氢反应器处于启动状态且温度不低于所述额定工作温度时，控制所述控温介质在所述控温夹套与所述蓄热容器之间进行循环；
当所述加氢反应器处于停机状态且温度高于启动温度时，控制所述控温介质停止在所述控温夹套与所述蓄热容器之间进行循环，所述启动温度低于所述额定工作温度；
当所述加氢反应器处于停机状态且温度不高于所述启动温度时，控制所述控温介质在所述控温夹套与所述蓄热容器之间进行循环；
其中，所述蓄热材料的相变温度位于所述额定工作温度与所述启动温度之间。
可选的，所述旁路阀门包括第一旁路阀门、第二旁路阀门以及第三旁路阀门；
所述第一旁路阀门位于第一管道上，所述第一管道为所述控温夹套顶部与蓄热容器之间的换热管管道；
所述第二旁路阀门位于第二管道上，所述第二管道为所述控温夹套底部与所述蓄热容器之间的换热管管道；
所述第三旁路阀门位于第三管道上，所述第三管道连接所述第一管道及所述第二管道，且所述第三管道相较于所述第一旁路阀门及所述第二旁路阀门，位于靠近所述控温夹套的一侧。
可选的，所述控制器在控制所述控温介质停止在所述控温夹套与所述蓄热容器之间进行循环时，用于执行以下操作；
控制所述第一旁路阀门及所述第二旁路阀门关闭，控制所述第三旁路阀门开启；
所述控制器在控制所述控温介质在所述控温夹套与所述蓄热容器之间进行循环时，用于执行以下操作：
控制所述第一旁路阀门及所述第二旁路阀门开启，控制所述第三旁路阀门关闭。
可选的，所述换热管上还设置有调节阀门；
所述调节阀门设置所述第一管道上，且位于所述第一旁路阀门与所述蓄热容器之间。
可选的，当所述加氢反应器处于停机状态且温度不高于所述启动温度时，所述控制器在控制所述控温介质在所述控温夹套与所述蓄热容器之间进行循环的过程中，还用于执行以下操作，还用于执行以下操作：
获取所述加氢反应器的实时温度；
根据所述加氢反应器的实时温度，控制所述调节阀门的开度，以获得维持所述加氢反应器不低于所述启动温度所需的控温介质最小流量。
可选的，所述换热管上还设置有循环泵；
所述循环泵设置在所述第二管道上，且位于所述第三旁路阀门与所述控温夹套之间；
所述循环泵始终保持开启，用于维持所述控温介质流动的动力。
可选的，所述加氢反应器中存储的有机液体储氢材料为乙基咔唑，所述额定工作温度的设定范围为160℃-180℃，所述启动温度为120℃；
所述蓄热材料为葡萄糖，所述相变温度为146℃。
可选的，所述加氢反应器中存储的有机液体储氢材料为二苄基甲苯，所述额定工作温度的设定范围为200℃-250℃，所述启动温度为150℃；
所述蓄热材料为对苯二酚，所述相变温度为173℃。
可选的，所述控温介质为水或导热油。
本申请第二方面公开了一种加氢反应器控温方法，所述方法应用于控制器，所述控制器位于如本申请第一方面所述的加氢反应器控温系统中，所述方法包括：
当所述加氢反应器处于启动状态且温度低于额定工作温度时，控制所述控温介质停止在所述控温夹套与所述蓄热容器之间进行循环；
当所述加氢反应器处于启动状态且温度不低于所述额定工作温度时，控制所述控温介质在所述控温夹套与所述蓄热容器之间进行循环；
当所述加氢反应器处于停机状态且温度高于启动温度时，控制所述控温介质停止在所述控温夹套与所述蓄热容器之间进行循环，所述启动温度低于所述额定工作温度；
当所述加氢反应器处于停机状态且温度不高于所述启动温度时，控制所述控温介质在所述控温夹套与所述蓄热容器之间进行循环。
本申请实施例公开的一种加氢反应器控温系统及方法，该系统包括加氢反应器、蓄热容器及控制器；加氢反应器的外表面设置有控温夹套，蓄热容器中存储有蓄热材料；控制器用于通过控制旁路阀门，控制控温介质在控温夹套与蓄热容器之间循环的启停，以调节加氢反应器的温度。通过该控温系统，使用蓄热材料储存加氢反应中放出的热量，并在加氢反应器短时停机过程中维持其温度，保证反应器能够在需要时快速、低能耗的启动，降低反复启动停机的能量消耗。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例公开的一种加氢反应器控温系统的结构示意图；
图2为本申请实施例公开的一种加氢反应器控温方法的工作流程图。
具体实施方式
为了解决在需要反复启停加氢反应器以配合在负荷低谷阶段使用比较廉价的电力进行电解水制氢的过程中，采用传统电、蒸汽等加热手段，来保持加氢反应器的温度需要消耗额外的能量，增加了生产成本的技术问题，本申请通过以下实施例公开了一种加氢反应器控温系统及方法。
本申请第一实施例公开了一种加氢反应器控温系统，参见图1所示，该系统包括：加氢反应器1、蓄热容器2及控制器3。
所述加氢反应器1的外表面设置有控温夹套101，所述蓄热容器2中存储有蓄热材料。
其中，蓄热材料是一种能够储存热能的新型化学材料。它在特定的温度(相变温度)下发生物相变化，并伴随着吸收或放出热量，可用来控制周围环境的温度，或用以储存热能。它把热量或冷量储存起来，在需要时再把它释放出来，从而提高了能源的利用率。
本实施例中，所述蓄热材料的相变温度位于加氢反应器的额定工作温度与启动温度之间。有机液体储氢材料的加氢过程为放热反应，因此通过相变蓄热材料储存加氢反应过程中释放的热量，可用于维持待机过程中的反应器温度。加氢反应器的额定工作温度维持在160-250℃，启动时温度可低至110℃，加氢反应开始后利用反应放热升温至额定工作温度。因此相变蓄热材料的相变点(相变温度)保持在低于加氢反应器额定工作温度，可利用相变点与加氢反应器额定工作温度之间的温差，来吸收加氢反应器的放热，同时相变点高于加氢反应器的启动温度，可保证放热过程中能够维持加氢反应器温度高于启动温度。
在一种实现方式中，所述加氢反应器1中存储的有机液体储氢材料为乙基咔唑，所述额定工作温度的设定范围为160℃-180℃，所述启动温度为120℃。所述蓄热材料为葡萄糖，所述相变温度为146℃。
在另一种实现方式中，所述加氢反应器1中存储的有机液体储氢材料为二苄基甲苯，所述额定工作温度的设定范围为200℃-250℃，所述启动温度为150℃。所述蓄热材料为对苯二酚，所述相变温度为173℃。
所述控温夹套101与所述蓄热容器2之间通过换热管4连接，所述换热管4布设在所述蓄热材料中，一端设置在所述控温夹套101的顶部，另一端设置在所述控温夹套101的底部。
所述换热管4上设置有旁路阀门5。所述控温介质通过所述换热管4能够在所述控温夹套101与所述蓄热容器2之间进行循环。
所述控制器3用于通过控制所述旁路阀门5，控制所述控温介质在所述控温夹套101与所述蓄热容器2之间循环的启停，以调节所述加氢反应器1的温度。
所述控制器3中配置有以下流程：
当所述加氢反应器1处于启动状态且温度低于额定工作温度时，控制所述控温介质停止在所述控温夹套101与所述蓄热容器2之间进行循环。
具体的，加氢反应器刚启动开机后，利用反应放热慢慢升温至额定工作温度，在这个过程中，控温介质暂停在蓄热容器与控温夹套之间循环，以防将加氢反应器中的热量带走，影响反应升温。
当所述加氢反应器1处于启动状态且温度不低于所述额定工作温度时，控制所述控温介质在所述控温夹套101与所述蓄热容器2之间进行循环。
待加氢反应器升温至额定工作温度后，将控温介质通过换热管将反应放热送入蓄热容器中传递给蓄热材料，以吸收反应释放的热量。
当所述加氢反应器1处于停机状态且温度高于启动温度时，控制所述控温介质停止在所述控温夹套101与所述蓄热容器2之间进行循环，所述启动温度低于所述额定工作温度。
当所述加氢反应器1处于停机状态且温度不高于所述启动温度时，控制所述控温介质在所述控温夹套101与所述蓄热容器2之间进行循环。
当加氢反应器停机后，为了实现下一次的快速启动，需保持加氢反应器一直稳定在启动温度，因此待加氢反应器停机，且温度降低至启动温度时，控制器通过旁路阀门的切换，使加氢反应器外部控温夹套中的控温介质在蓄热容器和控温夹套之间进行循环，将蓄热材料储存的热量传递回加氢反应器，使加氢反应器在停机过程中的温度不低于启动温度。
需要说明的是，加氢反应停止后，加氢反应器应继续保持氢气压力，以避免降压过程中氢气带走热量。
本实施例公开的一种加氢反应器控温系统，该系统包括加氢反应器、蓄热容器及控制器；加氢反应器的外表面设置有控温夹套，蓄热容器中存储有蓄热材料；控制器用于通过控制旁路阀门，控制控温介质在控温夹套与蓄热容器之间循环的启停，以调节加氢反应器的温度。通过该控温系统，使用蓄热材料储存加氢反应中放出的热量，并在加氢反应器短时停机过程中维持其温度，保证反应器能够在需要时快速、低能耗的启动，降低反复启动停机的能量消耗。
进一步的，所述旁路阀门5包括第一旁路阀门501、第二旁路阀门502以及第三旁路阀门503。
所述第一旁路阀门501位于第一管道401上，所述第一管道401为所述控温夹套101顶部与蓄热容器2之间的换热管4管道。
所述第二旁路阀门502位于第二管道402上，所述第二管道402为所述控温夹套101底部与所述蓄热容器2之间的换热管4管道。
所述第三旁路阀门503位于第三管道403上，所述第三管道403连接所述第一管道401及所述第二管道402，且所述第三管道403相较于所述第一旁路阀门501及所述第二旁路阀门502，位于靠近所述控温夹套101的一侧。
进一步的，所述控制器3在控制所述控温介质停止在所述控温夹套101与所述蓄热容器2之间进行循环时，用于执行以下操作。
控制所述第一旁路阀门501及所述第二旁路阀门502关闭，控制所述第三旁路阀门503开启。
所述控制器3在控制所述控温介质在所述控温夹套101与所述蓄热容器2之间进行循环时，用于执行以下操作：
控制所述第一旁路阀门501及所述第二旁路阀门502开启，控制所述第三旁路阀门503关闭。
进一步的，所述换热管4上还设置有调节阀门6。
所述调节阀门6设置所述第一管道401上，且位于所述第一旁路阀门501与所述蓄热容器2之间。
进一步的，当所述加氢反应器1处于停机状态且温度不高于所述启动温度，所述控制器3在控制所述控温介质在所述控温夹套101与所述蓄热容器2之间进行循环时，还用于执行以下操作：
获取所述加氢反应器1的实时温度。
根据所述加氢反应器1的实时温度，控制所述调节阀门6的开度，以获得维持所述加氢反应器1不低于所述启动温度所需的控温介质最小流量。
实际应用中，控制器自动控制调节阀门的开度，以获得维持加氢反应器启动温度所需的最小流量，能够尽可能降低蓄热容器的热量消耗，以延长加氢反应器待机时间。其中，调节阀门为全行程无极调节的，可以设置在0％-100％任意开度。
具体的，控制器根据常规的PID算法，以加氢反应器的启动温度为控制目标，通过检测到的加氢反应器的实时温度，控制调节阀门的开度，调节流入加氢反应器的控温介质流量，进而控制加氢反应器温度，以获得维持加氢反应器处于启动温度所需的最小流量，延长维持时间。
进一步的，所述换热管4上还设置有循环泵7。
所述循环泵7设置在所述第二管道402上，且位于所述第三旁路阀门503与所述控温夹套101之间。
所述循环泵7始终保持开启，用于维持所述控温介质流动的动力。
进一步的，所述控温介质为水或导热油。实际操作中，采用油浴或加压水浴控温，相变蓄热材料填装在一个独立的蓄热容器中，蓄热容器内布置有换热管。加氢反应器的控温介质从换热管中流过，向蓄热容器传递热量或带走蓄热容器中的热量。
下述为本申请方法实施例，应用于系统实施例中公开的控制器。对于方法实施例中未披露的细节，请参照系统实施例。
本申请第二实施例公开了一种加氢反应器控温方法，所述方法应用于控制器3，所述控制器3位于如本申请第一实施例所述的加氢反应器控温系统中，参见图2所示的工作流程示意图，所述方法包括：
步骤S101，当所述加氢反应器1处于启动状态且温度低于额定工作温度时，控制所述控温介质停止在所述控温夹套101与所述蓄热容器2之间进行循环。
步骤S102，当所述加氢反应器1处于启动状态且温度不低于所述额定工作温度时，控制所述控温介质在所述控温夹套101与所述蓄热容器2之间进行循环。
步骤S103，当所述加氢反应器1处于停机状态且温度高于启动温度时，控制所述控温介质停止在所述控温夹套101与所述蓄热容器2之间进行循环，所述启动温度低于所述额定工作温度。
步骤S104，当所述加氢反应器1处于停机状态且温度不高于所述启动温度时，控制所述控温介质在所述控温夹套101与所述蓄热容器2之间进行循环。
上述方法为加氢反应器开始启动直至停机的一个过程，在这个过程中，控制器按照上述方法控制控温介质的循环，使用蓄热材料储存加氢反应中放出的热量，并在加氢反应器短时停机过程中维持其温度，保证反应器能够在需要时快速、低能耗的启动，降低反复启动停机的能量消耗。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种加氢反应器控温系统，其特征在于，包括：加氢反应器(1)、蓄热容器(2)及控制器(3)；
所述加氢反应器(1)的外表面设置有控温夹套(101)，所述蓄热容器(2)中存储有蓄热材料；
所述控温夹套(101)与所述蓄热容器(2)之间通过换热管(4)连接，所述换热管(4)布设在所述蓄热材料中，一端设置在所述控温夹套(101)的顶部，另一端设置在所述控温夹套(101)的底部；
所述换热管(4)上设置有旁路阀门(5)；
所述控温介质通过所述换热管(4)能够在所述控温夹套(101)与所述蓄热容器(2)之间进行循环；
所述控制器(3)用于通过控制所述旁路阀门(5)，控制所述控温介质在所述控温夹套(101)与所述蓄热容器(2)之间循环的启停，以调节所述加氢反应器(1)的温度；
所述控制器(3)中配置有以下流程：
当所述加氢反应器(1)处于启动状态且温度低于额定工作温度时，控制所述控温介质停止在所述控温夹套(101)与所述蓄热容器(2)之间进行循环；
当所述加氢反应器(1)处于启动状态且温度不低于所述额定工作温度时，控制所述控温介质在所述控温夹套(101)与所述蓄热容器(2)之间进行循环；
当所述加氢反应器(1)处于停机状态且温度高于启动温度时，控制所述控温介质停止在所述控温夹套(101)与所述蓄热容器(2)之间进行循环，所述启动温度低于所述额定工作温度；
当所述加氢反应器(1)处于停机状态且温度不高于所述启动温度时，控制所述控温介质在所述控温夹套(101)与所述蓄热容器(2)之间进行循环；
其中，所述蓄热材料的相变温度位于所述额定工作温度与所述启动温度之间。
2.根据权利要求1所述的加氢反应器控温系统，其特征在于，所述旁路阀门(5)包括第一旁路阀门(501)、第二旁路阀门(502)以及第三旁路阀门(503)；
所述第一旁路阀门(501)位于第一管道(401)上，所述第一管道(401)为所述控温夹套(101)顶部与蓄热容器(2)之间的换热管(4)管道；
所述第二旁路阀门(502)位于第二管道(402)上，所述第二管道(402)为所述控温夹套(101)底部与所述蓄热容器(2)之间的换热管(4)管道；
所述第三旁路阀门(503)位于第三管道(403)上，所述第三管道(403)连接所述第一管道(401)及所述第二管道(402)，且所述第三管道(403)相较于所述第一旁路阀门(501)及所述第二旁路阀门(502)，位于靠近所述控温夹套(101)的一侧。
3.根据权利要求2所述的加氢反应器控温系统，其特征在于，所述控制器(3)在控制所述控温介质停止在所述控温夹套(101)与所述蓄热容器(2)之间进行循环时，用于执行以下操作；
控制所述第一旁路阀门(501)及所述第二旁路阀门(502)关闭，控制所述第三旁路阀门(503)开启；
所述控制器(3)在控制所述控温介质在所述控温夹套(101)与所述蓄热容器(2)之间进行循环时，用于执行以下操作：
控制所述第一旁路阀门(501)及所述第二旁路阀门(502)开启，控制所述第三旁路阀门(503)关闭。
4.根据权利要求2所述的加氢反应器控温系统，其特征在于，所述换热管(4)上还设置有调节阀门(6)；
所述调节阀门(6)设置所述第一管道(401)上，且位于所述第一旁路阀门(501)与所述蓄热容器(2)之间。
5.根据权利要求4所述的加氢反应器控温系统，其特征在于，当所述加氢反应器(1)处于停机状态且温度不高于所述启动温度时，所述控制器(3)在控制所述控温介质在所述控温夹套(101)与所述蓄热容器(2)之间进行循环的过程中，还用于执行以下操作：
获取所述加氢反应器(1)的实时温度；
根据所述加氢反应器(1)的实时温度，控制所述调节阀门(6)的开度，以获得维持所述加氢反应器(1)不低于所述启动温度所需的控温介质最小流量。
6.根据权利要求2所述的加氢反应器控温系统，其特征在于，所述换热管(4)上还设置有循环泵(7)；
所述循环泵(7)设置在所述第二管道(402)上，且位于所述第三旁路阀门(503)与所述控温夹套(101)之间；
所述循环泵(7)始终保持开启，用于维持所述控温介质流动的动力。
7.根据权利要求1所述的加氢反应器控温系统，其特征在于，所述加氢反应器(1)中存储的有机液体储氢材料为乙基咔唑，所述额定工作温度的设定范围为160℃-180℃，所述启动温度为120℃；
所述蓄热材料为葡萄糖，所述相变温度为146℃。
8.根据权利要求1所述的加氢反应器控温系统，其特征在于，所述加氢反应器(1)中存储的有机液体储氢材料为二苄基甲苯，所述额定工作温度的设定范围为200℃-250℃，所述启动温度为150℃；
所述蓄热材料为对苯二酚，所述相变温度为173℃。
9.根据权利要求7或8所述的加氢反应器控温系统，其特征在于，所述控温介质为水或导热油。
10.一种加氢反应器控温方法，其特征在于，所述方法应用于控制器(3)，所述控制器(3)位于如权利要求1-9任一项所述的加氢反应器控温系统中，所述方法包括：
当所述加氢反应器(1)处于启动状态且温度低于额定工作温度时，控制所述控温介质停止在所述控温夹套(101)与所述蓄热容器(2)之间进行循环；
当所述加氢反应器(1)处于启动状态且温度不低于所述额定工作温度时，控制所述控温介质在所述控温夹套(101)与所述蓄热容器(2)之间进行循环；
当所述加氢反应器(1)处于停机状态且温度高于启动温度时，控制所述控温介质停止在所述控温夹套(101)与所述蓄热容器(2)之间进行循环，所述启动温度低于所述额定工作温度；
当所述加氢反应器(1)处于停机状态且温度不高于所述启动温度时，控制所述控温介质在所述控温夹套(101)与所述蓄热容器(2)之间进行循环。
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