CN113292073A - 一种保障野外作业电力与二氧化碳供应的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气体分离技术领域，具体保障野外作业电力和二氧化碳供应的方法及装置。本发明中，首先将现场资源甲醇、水源为原料，通过甲醇/水重整工艺产生氢气与二氧化碳的混合气；然后采用膜分离器从混合气中提取纯氢，以氢/空燃料电池输出电力，以满足野外现场施工的电力需求；同时，采用基于变压吸附技术的二氧化碳提纯工艺，从混合气中提取高纯度的二氧化碳气体；然后将高纯度二氧化碳气体通过加压液化成液态二氧化碳，以满足野外现场施工所需的二氧化碳需求。本发明所用原料来源广泛，价格便宜，易于推广使用。
Description
技术领域
本发明属于气体分离技术领域，具体涉及一种适用野外焊接等保作业的电力与二氧化碳供应方法及其装置。
背景技术
焊接施工作业，需要有二氧化碳保护。在野外进行焊接施工作业场景，或者远离工业供应链时的焊接施工作业场景，二氧化碳(CO2)难以即时保障，往往需要从数千公里转运，非常不便；而同时，施工过程还需要必要的电力。因此急需一种能够简单、可行、可现场保障电力和二氧化碳需求的解决方案。
发明内容
鉴于以上情况，本发明的目的在于提供一种简单、方便、可保障野外作业实用新型电力和二氧化碳供应的方法及装置。
本发明提供的保障野外作业实用新型电力和二氧化碳供应的方法，首先，将现场资源甲醇、水源为原料（该原料较为容易取得），通过甲醇/水重整工艺产生氢气与二氧化碳的混合气；然后，采用膜分离器从混合气中提取纯氢，以氢/空燃料电池输出电力，以满足野外现场施工的电力需求；同时，采用基于变压吸附技术的二氧化碳提纯工艺，从混合气中提取高纯度的二氧化碳气体；然后将高纯度二氧化碳气体通过加压液化成液态二氧化碳，以满足野外现场施工所需的二氧化碳需求。
本发明中，甲醇/水重整工艺中，甲醇输入压力为3～10bar，温度200～300℃，重整气体（产生的混合气体）输出压力为3～8bar；产生的混合气中，氢气含量为75%左右，二氧化碳含量为25% 左右，还有少量一氧化碳等杂质气体。
本发明中，所述膜分离器从混合气中提取纯氢，优选工作温度为400～900℃，经由镍基膜分离器提取纯氢，可降低后级燃料电池电极一氧化碳腐蚀，降低电极的材料选型要求，并且更具有效率，但不排除采用钯膜类分离器或者采用变压吸附工艺的氢气分离装置。优选采用镍氢膜分离器。
本发明中，所述基于变压吸附技术的二氧化碳提纯工艺，具体采用二氧化碳吸附剂的二氧化碳提纯工艺，提取的高纯度二氧化碳气体，二氧化碳的含量为70～90%。
本发明中，所述加压液化成液态二氧化碳，具体压力为3～6.5MPa，温度为10～20℃；得到液态二氧化碳送储槽，备用。
本发明中，在所述高纯度二氧化碳气体通过加压液化成液态二氧化碳过程中，不凝气体主要为氢气，将其全部闭式返回至前级作为燃料电池的原料气。
本发明中，工艺本身所需的电力来自甲醇重整制氢燃料电池供电，富余电力输出供现场其它施工机具使用。
基于本发明方法，还提供保障野外作业现场电力和二氧化碳供应的装置，包括：
（1）至少一套甲醇/水重整制氢装置，用于将甲醇转化为氢气与二氧化碳的混合气；
（2）至少一套膜分离器，用于从上述含氢混合气提取纯氢气，为燃料电池提供纯氢燃料；所述膜分离器优选采用镍基膜分离器，具有较好的经济性，但不排除采用钯膜类分离器,或者采用变压吸附方法的氢气纯化装置；
（3）至少一套二氧化碳提纯装置，用于将膜分离器提取纯氢之后的含少量氢气与二氧化碳的混合气提纯至更高纯度的二氧化碳混合气；
（4）至少一套加压/制冷液化装置，用于将上述高纯度的二氧化碳混合气制冷、加压液化为液态二氧化碳；
（5）至少一套二氧化碳储存装置（储槽），作为二氧化碳液化储存设施，为现场施工提供缓存备用；
（6）至少一套氢/空燃料电池，采用氢为燃料，将其转化为电力，并输出；
（7）至少一套电池组，用以为系统启动提供初始电力，以及作为电力缓存；
（8）至少一套控制系统以及电力管理模块，为整套系统提供控制、电力管理；
（9）系统还包括必要的系统底盘、连接管线、布线电缆。
所有部件集成布置安装在一个集装箱内，并配套有相应的控制、检测设备，以及散热通风、减震降噪设施，形成一个完整的现场保障机具，全面满足野外现场施工所需的电力、二氧化碳需求。
本发明中，所述二氧化碳提纯装置，采用基于变压吸附机理的变压吸附分离器，变压吸附分离器装有二氧化碳吸附剂；所述二氧化碳吸附剂可选用13X或其它改性的具有平衡吸附特性可再生的吸附剂。
本发明中，所述加压/制冷液化装置，包括依次连接的压缩机、冷媒换热器、过滤器、液化器。
本发明装置的工作流程如下：
（1）电池组，预先充满电力（比如，可以在每次工作结束时预先充满电力），为控制及电力管理模块提供初始电力；
（2）加入甲醇，注入水，甲醇/水重整制氢装置启动，在控制及电力管理模块的作用下输出两路二氧化碳与氢气的混合气；
（3）其中，一路在控制及电力管理模块的作用下经由膜分离器（镍基膜分离器）提取纯氢；另外一路在控制及电力管理模块的作用下经二氧化碳提纯装置提取纯度较高的二氧化碳混合气；
（4）氢/空燃料电池在控制及电力管理模块的作用下接收膜分离器提取的纯氢与来自大气的空气进行能量转化，并输出电力，首先充满电池组，并接受控制及电力管理模块的作用对外输出电力，以满足系统本身的电力需求，富余电力送现场其它用电负载使用；
（5）在控制及电力管理模块的作用下将由二氧化碳提纯装置提取的较高纯度的二氧化碳送入加压/制冷液化模块，得到液态二氧化碳，送入二氧化碳储存装置（储槽）,备用，以满足现场二氧化碳需求；同时，经过加压/制冷液化模块的不凝气体主要是氢气，在控制及电力管理模块的作用下与来自膜分离器提取的纯氢混合，一并进入氢/空燃料电池，作为原料气。
本发明中，所述氢分离膜（镍基膜分离器），其透氢原理为“溶解-扩散”机理，如附图2所示，高压一侧的H2分子首先在Ni基金属膜表面被化学吸附后解离为两个H原子，离子化后的H原子进入金属晶格内并通过扩散到低氢分压一侧，在Ni基金属膜表面再结合成氢分子H2后进入气相中，从而实现H2的分离。因为Ni基金属膜对H2有100%的透过选择性，因此，理论上只有氢气能透过膜，可以分离纯氢。通过降低膜的有效厚度可实现对H2的高效快速分离，提高其透过量。
本发明中，所述产品气体二氧化碳的液化，二氧化碳的基本物性数据如下表1所示：
表1 二氧化碳的基本物性数据
显然，温度越低，气液相变所需的压力越小，但温度、压力的达成，均需要消耗大量的制冷、压缩能源，本发明优选采用冷媒水为冷源，通常比较容易低成本的获得，比如，采用典型的上水温度3℃（如能更低，则更好）、回水温度10℃进行液化，可最大限度的降低液化的压缩功耗，综合考虑低温液化、储存的功效。
另如下表2，10℃时，含量为30%、70%的二氧化碳气体，达到二氧化碳冷凝所需的压力分别为15MPa、6.5MPa，差别极大；随着二氧化碳浓度的增加，典型的如70%的二氧化碳与纯组分二氧化碳液化压力接近，分别为6.5/4.5MPa，提纯系统尽可能将纯度做高，可大大降低液化操作压力，选型6.5MPa液化，兼顾了低温制冷与高压压缩的功效。
表2，二氧化碳浓度与操作压力对照表
因此，优选提纯系统首先获得60～85%的二氧化碳纯度的混合气，并选取1～15℃、3～7.5MPa条件下进行液化，可取得良好的经济性。
以上所描述的装置中，可作出各种不同变动而不会背离本发明的范围。
本发明所用原料来源广泛，价格便宜，易于推广使用。
附图说明
图1为本发明的保障野外作业现场电力和二氧化碳供应的装置结构图示。
图2为Ni金属膜透氢原理。
图中符号：1是甲醇/水重整制氢装置，2是膜分离器，3-1是氢/空燃料电池， 3-2是电池组， 3-3是一套控制系统以及电力管理模块，4是二氧化碳提纯装置，5是加压/制冷液化装置， 6是二氧化碳储存装置（储槽），7是系统集成后的集装箱。
具体实施方式
如附图1，一种适用野外含焊接保护作业的电力与二氧化碳供应方法及其装置示意图，一个典型的运行步骤如下：
1、电池组3-2预先充满了电力（比如，可以在每次工作结束时预先充满电力），可为控制及电力管理模块提供初始电力；
2、加入甲醇，注入水，甲醇/水重整制氢装置1启动，在控制及电力管理模块3-3的作用下输出二氧化碳与氢气的混合气；
3、其中，1路经由膜分离器（镍基膜分离器）2在控制及电力管理模块3-3的作用下提取纯氢；另外1路送二氧化碳提纯装置4在控制及电力管理模块3-3的作用下提取纯度较高的二氧化碳混合气；
4、氢/空燃料电池3-1在控制及电力管理模块3-3的作用下接收膜分离器2提取的纯氢与来自大气的空气进行能量转化并输出电力，首先充满电池组3-2并接受控制及电力管理模块3-3的作用对外输出电力，以满足系统本身的电力需求，富余电力送现场其它用电负载使用；
5、二氧化碳提纯装置4在控制及电力管理模块3-3的作用下提取的较高纯度的二氧化碳被送入加压/制冷液化模块5完成液化，然后送入储槽6备用，可满足现场二氧化碳保护焊接等需求；同时，加压/制冷液化模块5的不凝气体主要是氢气，在控制及电力管理模块3-3的作用下送A点与来自膜分离器（镍基膜分离器）2提取的纯氢混合，一并进入氢/空燃料电池3-1作为原料气。
以上，所有系统集成布置安装在一个集装箱内，配套有相应的控制、检测设备，形成一个完整的现场保障机具，即可全面满足野外现场施工所需的电力、二氧化碳需求。
上面所描述的实施方法仅阐述本发明的一些重要特征，本专业的技术人员应该知道，尽管本发明结合附图进行了部分描述，但这仅仅是本发明的一个应用实例或者一种方法，一切不违反本专利阐述的实质的其它变化也属于本专利的范畴，本发明的范围仅仅受所附的权利要求书范围所限制。
Claims (6)
1.一种保障野外作业电力和二氧化碳供应的方法，其特征在于，首先，将现场资源甲醇、水源为原料，通过甲醇/水重整工艺产生氢气与二氧化碳的混合气；然后，采用膜分离器从混合气中提取纯氢，以氢/空燃料电池输出电力，以满足野外现场施工的电力需求；同时，采用基于变压吸附技术的二氧化碳提纯工艺，从混合气中提取高纯度的二氧化碳气体；然后将高纯度二氧化碳气体通过加压液化成液态二氧化碳，以满足野外现场施工所需的二氧化碳需求；其中：
所述甲醇/水重整工艺中，甲醇输入压力为3～10bar，温度200～300℃，重整气体即产生的混合气体的输出压力为3～8bar；产生的混合气中，氢气含量为75%左右 ，二氧化碳含量为25% 左右，还有少量一氧化碳等杂质气体；
所述膜分离器从混合气中提取纯氢，工作温度为400～900℃；
所述基于变压吸附技术的二氧化碳提纯工艺，具体采用二氧化碳吸附剂的二氧化碳提纯工艺，提取的高纯度二氧化碳气体，二氧化碳的含量为70～90%；
所述加压液化成液态二氧化碳，具体压力为3～6.5MPa，温度为10～20℃；得到液态二氧化碳送储槽，备用；
在所述高纯度二氧化碳气体通过加压液化成液态二氧化碳过程中，不凝气体主要为氢气，将其全部闭式返回至前级作为燃料电池的原料气；
工艺本身所需的电力来自甲醇重整制氢燃料电池供电，富余电力输出供现场其它施工机具使用。
2.一种基于权利要求1所述方法的保障野外作业实用新型电力和二氧化碳供应的装置，其特征在于，包括：
（1）至少一套甲醇/水重整制氢装置，用于将甲醇转化为氢气与二氧化碳的混合气；
（2）至少一套膜分离器，用于从上述含氢混合气提取纯氢气，为燃料电池提供纯氢燃料；所述膜分离器采用镍基膜分离器；
（3）至少一套二氧化碳提纯装置，用于将膜分离器提取纯氢之后的含少量氢气与二氧化碳的混合气提纯至更高纯度的二氧化碳混合气；
（4）至少一套加压/制冷液化装置，用于将上述高纯度的二氧化碳混合气制冷、加压液化为液态二氧化碳；
（5）至少一套二氧化碳储存装置，作为二氧化碳液化储存设施，为现场施工提供缓存备用；
（6）至少一套氢/空燃料电池，采用氢为燃料，将其转化为电力，并输出；
（7）至少一套电池组，用以为系统启动提供初始电力，以及作为电力缓存；
（8）至少一套控制系统以及电力管理模块，为整套系统提供控制、电力管理；
（9）系统还包括必要的系统底盘、连接管线、布线电缆。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所有部件集成布置安装在一个集装箱内，并配套有相应的控制、检测设备，以及散热通风、减震降噪设施，形成一个完整的现场保障机具。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述二氧化碳提纯装置，采用基于变压吸附机理的变压吸附分离器，变压吸附分离器装有二氧化碳吸附剂；所述二氧化碳吸附剂选用13X或其它改性的具有平衡吸附特性可再生的吸附剂。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述加压/制冷液化装置，包括依次连接的压缩机、冷媒换热器、过滤器、液化器。
6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，装置的工作流程如下：
（1）电池组，预先充满电力，为控制及电力管理模块提供初始电力；
（2）加入甲醇，注入水，甲醇/水重整制氢装置启动，在控制及电力管理模块的作用下输出两路二氧化碳与氢气的混合气；
（3）其中，一路在控制及电力管理模块的作用下经由膜分离器提取纯氢；另外一路在控制及电力管理模块的作用下经二氧化碳提纯装置提取纯度较高的二氧化碳混合气；
（4）氢/空燃料电池在控制及电力管理模块的作用下接收膜分离器提取的纯氢与来自大气的空气进行能量转化，并输出电力，首先充满电池组，并接受控制及电力管理模块的作用对外输出电力，以满足系统本身的电力需求，富余电力送现场其它用电负载使用；
（5）在控制及电力管理模块的作用下将由二氧化碳提纯装置提取的较高纯度的二氧化碳送入加压/制冷液化模块，得到液态二氧化碳，送入二氧化碳储存装置,备用，以满足现场二氧化碳需求；同时，经过加压/制冷液化模块的不凝气体主要是氢气，在控制及电力管理模块的作用下与来自膜分离器提取的纯氢混合，一并进入氢/空燃料电池，作为原料气。
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