CN113578010A - 能动式氢复合器及消氢系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及能动式氢复合器及消氢系统，能动式氢复合器为反应塔型结构，其包括依次连通的缓存塔段、反应塔段以及散热塔段,缓存塔段的外壁上开设有进气口；反应塔段位于缓存塔段的上部，反应塔段的外壁布设有预热层。能动式氢复合器能够直接消除混合气体中的氢气，无需氢气分离，结构简单、成本低；消氢系统包括：输氢管线、输氧管线以及能动式氢复合器，能动式氢复合器具有第一状态和第二状态；在第一状态时，金属氧化物能够与氢气发生还原反应生成金属物；在第二状态时，金属物能够与氧气发生氧化反应生成金属氧化物。消氢系统能够实现金属氧化物的再生，金属氧化物可以重复使用，消氢成本低。

Description

能动式氢复合器及消氢系统
技术领域
本发明涉及消氢系统技术领域，特别是涉及一种能动式氢复合器及消氢系统。
背景技术
在工业生产中，一些复杂混合气体环境中经常需要进行消氢工艺，例如，在铁-铬液流电池在运行的过程中就需要进行消氢，铁-铬液流电池的电解质是含铁盐和铬盐的稀盐酸溶液，电解过程会释放出一定量的氢气，且随着电解过程的进行，电解池中的氢气富集，形成高浓度氢气，会对电解液及储罐的安全带来负面影响。
现有技术中，因为电解池中的混合气体中含有一定量的盐酸蒸汽，故混合气体在消氢之前首先经过碱洗塔酸碱中和，然后再利用钯合金薄膜氢分离装置进行氢气分离，氢气通过氢催化剂催化消氢后排出大气，剩余混合气体返回电解池。这种工艺方法需要定期向电解池补充氮气，钯合金氢分离膜工作温度和压力较高，系统相对复杂，装置成本较高。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术中去氢系统复杂，装置成本大的问题，提出一种能动式氢复合器及消氢系统。
一种能动式氢复合器，所述能动式氢复合器为反应塔型结构，所述能动式氢复合器包括：
缓存塔段，用于缓存混合气体，所述缓存塔段的外壁上开设有进气口；
反应塔段，位于所述缓存塔段的上部并与所述缓存塔段内部连通，所述反应塔段内设置有承载件；以及
预热层，布设在所述反应塔段的外壁。
在其中一个实施例中，所述预热层包括：
输送管道，所述输送管道的出口端与所述进气口连接；和
加热器，用于同时对所述反应塔段和所述输送管道进行加热。
在其中一个实施例中，所述输送管道包括：
多个直管，多个所述直管沿所述反应塔段的外壁的周向间隔设置，多个所述直管的长度方向与所述缓存塔段的轴向相同；
多个连接管，所述连接管为弧形管，相邻两个所述直管通过所述连接管依次连接。
在其中一个实施例中，所述加热器为加热棒，所述加热棒的数量为多个，相邻的两个所述直管之间设置有一个所述加热棒。
在其中一个实施例中，所述能动式氢复合器还包括:保温层，设置在所述预热层的径向的外侧。
在其中一个实施例中，所述能动式氢复合器还包括:
散热塔段，位于所述反应塔段的上部，并与所述反应塔段连通，所述散热塔段设置有散热器。
在其中一个实施例中，所述散热器包括：
多个散热片，多个所述散热片间隔设置在所述散热塔段的外壁。
在其中一个实施例中，所述散热塔段的上部开设有出气口，所述出气口内设置有非能动式氢复合器。
在其中一个实施例中，所述承载件为筛板，所述筛板设置在反应塔段的底部。
在其中一个实施例中，所述缓存塔段的底部设置有排液口，所述排液口内设置有自动排水阀。
一种消氢系统，包括：输氢管线、输氧管线以及上述的能动式氢复合器，所述输氢管线的输出端、所述输氧管线的输出端均所述能动式氢复合器连接，所述能动式氢复合器具有第一状态和第二状态；
在第一状态时，所述输氢管线与所述能动式氢复合器连通，所述输氧管线与所述能动式氢复合器不相通；
在第二状态时，所述输氧管线与所述能动式氢复合器连通，所述输氢管线与所述能动式氢复合器不相通。
在其中一个实施例中，所述能动式氢复合器的数量至少为两个，当其中一个所述能动式氢复合器处于第一状态时，另一个所述能动式氢复合器处于第二状态。
在其中一个实施例中，所述消氢系统还包括：
回气管线，与反应塔段的上部连通；
氢传感器，所述回气管线和所述输氢管线上分别设置有氢传感器。
上述的能动式氢复合器及消氢系统，当需要进行消氢时，将金属氧化物放置在承载件上，并从进气口向缓存塔段内通入含有氢气的混合气体。由于缓存塔段、反应塔段从下到上依次连通，因此当混合气体从缓存塔段进入反应塔段时，能够与反应塔内的金属氧化物反应，从而消除混合气体中的氢气，消除氢气后的混合气体则能够继续向上运动进而离开反应塔段。反应物为金属氧化物，当氢气与金属氧化物反应后生成金属和水，该过程不会产生污染性混合气体，因此，当需要去除混合气体中的氢气时，可以直接将混合气体通入能动式氢复合器内进行反应，不需要钯合金氢分离膜，系统简单、成本低。消氢系统包括：输氢管线、输氧管线以及能动式氢复合器，能动式氢复合器具有第一状态和第二状态；在第一状态时，金属氧化物能够与氢气发生还原反应生成金属物；在第二状态时，金属物能够与氧气发生氧化反应生成金属氧化物。即消氢系统能够实现金属氧化物的再生，金属氧化物可以重复使用，消氢成本低。
附图说明
图1为一实施例中的能动式氢复合器结构示意图；
图2为一实施例中的预热层的平面示意图；
图3为一实施例中的消氢系统连接示意图；
附图标记：100-能动式氢复合器；110-缓存塔段；111-进气口；113-排液口；114-自动排水阀；120-反应塔段；121-筛板；130-散热塔段；131-散热片；132-出气口；133-非能动式氢复合器；140-预热层；141-输送管道；1411-连接管；1412-输送管道进口；1413-输送管道出口；1416-直管；142-加热棒；150-保温层；160-法兰盘；
200-输氢管线；
300-回气管线；310-汽液分离器；320-氢传感器；330-阀门；
400-输氧管线；500-电解池；600-碱洗塔；700-空压机。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
参阅图1，图1示出了本发明一实施例中的能动式氢复合器100结构示意图，本发明一实施例提供了一种能动式氢复合器100，所述能动式氢复合器为反应塔型结构，所述能动式氢复合器100包括缓存塔段110、反应塔段120以及预热层140。
所述缓存塔段110用于缓存混合气体，所述缓存塔段110的外壁上开设有进气口111。混合气体能够从进气口111进入到缓存塔段110。
反应塔段120与缓存塔段110通过法兰盘160连接。反应塔段120位于缓存塔段110的上部，并与所述缓存塔段110内部连通，所述反应塔段120内设置有承载件。承载件上开设有通孔，承载件用于承载反应物。通孔用于使得混合气体通过，通往缓存塔段110中的混合气体在缓存塔段110中累积受压后向上运动，直至穿过通孔，然后与承载件上的反应物反应。由于混合气体从下向上穿过反应物，因此可以增大混合气体与反应塔段120中的反应物的接触面积，进而促进完全反应。
所述预热层140围设在所述反应塔段120的外壁，预热层140能够提高反应温度，能够进一步加快反应过程。
当需要进行消氢时，将反应物放置在承载件上，并从进气口111向缓存塔段110内通入含有氢气的混合气体，此时反应物为金属氧化物，金属氧化物可以是氧化铜、氧化三氧化二铁、氧化铝以及氧化锌等。由于缓存塔段110位于反应塔段120下方，则混合气体从下向上进入反应塔段120时，能够与反应塔内的金属氧化物反应，从而消除混合气体中的氢气，消除氢气后的混合气体则能够继续向上运动进而离开反应塔段。反应物为金属氧化物，当氢气与金属氧化物反应后生成金属和水，即该过程不会产生污染性混合气体，因此，当需要去除混合气体中的氢气时，可以直接将混合气体通入能动式氢复合器100内进行反应，不需要钯合金氢分离膜，系统简单、成本低。
结合图2，图2示出了一实施例中的预热层的平面示意图，在一些实施例中，所述预热层140内设置有加热器和输送管道141。所述输送管道141的出口端与所述缓存塔段110的进气口111连接，所述加热器能够同时对反应塔段120和输送管道141进行加热。
在本实施例中，输送管道141设置有输送管道进口1412和输送管道出口1413，在消氢时，含有氢气的混合气体从输送管道进口1412被压入至输送管道141中，进入到输送管道141中的混合气体首先经过加热器加热后再输送至缓存塔段110中。由于预热层140设置在反应塔段120的外壁，预热层140包括输送管道141和加热器，因此加热器能够同时对反应物(反应塔段120内的金属氧化物和输送管道141中的氢气)以及反应环境(反应塔段120)加热，从而可以提高消氢效率。
进一步的，所述输送管道141包括多个直管1416和多个连接管1411，多个所述直管1416沿所述反应塔段120的外壁的周向间隔设置，所述连接管1411为弧形管，相邻两个所述直管1416通过所述连接管1411依次连接。
在本实施例中，连接管1411包括第一连接管和第二连接管，第一连接管将相邻两个直管1416的底端连接，第二连接管将相邻两个直管1416的上端连接，第一连接管和第二连接管沿反应塔段120的外壁的周向交替设置，即多个直管1416通过多个连接管1411依次连接形成蛇形盘管。将反应塔段120设置为圆柱形结构，蛇形盘管环绕在圆柱形结构的反应塔段120的周侧，即能够增大输送管道141的换热面积，进而能够快速提高输送管道141中的混合气体的温度；同时为了方便直管1416的布设，多个所述直管1416的长度方向与所述缓存塔段110的轴向相同。
进一步的，为了使多个直管1416均匀受热且提高直管1416中氢气的换热效率，所述加热器为加热棒142，所述加热棒142的数量为多个，多个所述加热棒142分别插接在相邻两个所述直管1416之间。
参阅图1，在一些实施例中，所述能动式氢复合器100还包括保温层150，所述保温层150设置在所述预热层140的外侧。
具体的，保温层150用于减少预热层140和反应塔段120的散热，保温层150可以由硅酸棉或岩棉敷设组成，硅酸棉或岩棉的外侧通过金属板包裹，金属板的上下端部与法兰盘160焊接。
在一些实施例中，所述能动式氢复合器100还包括散热塔段130，所述散热塔段130位于所述反应塔段120的上部，并与所述反应塔段120连通，所述散热塔段130设置有散热器。
由于反应塔段120的外壁设置有预热层，混合气体在反应塔段120反应消氢后，温度很高，因此通过设置散热塔段130，当混合气体上升至散热塔段130时，能够通过散热塔段130降温。
进一步的，所述散热器为均布在所述散热塔段130外壁上的多个散热片131，具体的，所述散热片131的延伸方向可以与所述散热塔段130的外壁垂直，通过设置多个增加散热面积的散热片131，能够尽快的将热量传导至外界环境中，进而使得去氢后的混合气体温度降低，便于返回电解池中再次利用。
在一些实施例中，承载件为筛板121，筛板121即为多孔板，其中孔的直径应该小于金属氧化物在任意方向上的最小尺寸，即可以将金属氧化物放置在筛板121上，同时来自缓存塔段110中的混合气体能够从孔中穿过，此外，为了提高反应效率，筛板121可以设置为多层。
在一些实施例中，所述缓存塔段110的底部开设有排液口113，所述排液口113内设置有自动排水阀114。所述缓存塔段110的内腔112可作为积水池。氢气与金属氧化物反应生成的水能够从反应塔段120向下流动至积水池，当积水池中的水积累到一定量后，自动排水阀114能够自动开启进行排水。
结合图3，图3示出了本发明一实施例中的消氢系统连接示意图，一种消氢系统，包括：输氢管线200、输氧管线400以及上述的能动式氢复合器100，所述输氢管线200的输出端、所述输氧管线400的输出端均与所述输送管道进口1412连接，所述能动式氢复合器100具有第一状态和第二状态。
在第一状态时，所述输氢管线200与所述能动式氢复合器100连通，所述输氧管线400与所述能动式氢复合器100不相通；具体的，输氢管线200的输入端与碱洗塔600连接，且在输氢管线200的输入端上设置有泵体，用于将碱洗塔600碱洗后的混合气体(含有氢气)泵入至输氢管线200中，输氢管线200的输出端与能动式氢复合器100上的输送管道进口1412连接，即混合气体可以进入至输送管道141中被预热，输送管道出口1413与缓存塔段110的进气口111连接，即混合气体可以从缓存塔段110进入至反应塔段120进行还原反应。
在第二状态时，所述输氧管线400与所述能动式氢复合器100连通，所述输氢管线200与所述能动式氢复合器100不相通。具体的，输氧管线400的输入端与空压机700连接，空压机700将压缩空气压入至输氧管线400中，输氧管线400的输出端与能动式氢复合器100上的输送管道进口1412连接，即压缩空气可以沿着与混合气体相同的路径进入到反应塔段120进行氧化反应。
输氢管线200和输氧管线上分别设置有阀门330，在首次使用时，首先在反应塔段120中填充金属氧化物，然后打开输氢管线200上的阀门330，来自碱洗塔600中的混合气体进入到反应塔段120进行消氢；当反应塔段120中的金属氧化物被还原为金属物后，关闭输氢管线200上的阀门330，打开输氧管线400上的阀门330以及空压机700，空压机700将压缩空气压入至反应塔段120中，压缩空气中的氧气与金属物反应重新生成金属氧化物。因此，本实施例中的消氢系统能够实现金属氧化物的再生，当金属氧化物被消耗完后，可以直接生成，重复利用，进而能够降低消氢成本。
在一些实施例中，所述散热塔段130的上部开设有出气口132，所述出气口132内设置有非能动式氢复合器133。所述消氢系统还包括回气管线300和氢传感器320，所述回气管线300的进口端与与反应塔段的上部连通，所述回气管线300和输氢管线200上分别设置有氢传感器320。
在本实施例中，由于散热塔段130位于反应塔段的上部，出气口132可以设置在散热塔段130的上部，进而回气管线300的进口端与所述散热塔段130的出气口132连接，混合气体在反应塔段120进行消氢后，继续向上运动至散热段，经过散热塔段130的降温后，通过设置在散热塔顶部的出气口132进入至回气管线300中，然后经过回气管线300重新返回电解池500中，便于消氢后的混合气体再利用。
所述出气口132内设置有非能动式氢复合器133，在进行氧化反应时，需要向反应塔段120中通入含有氧气的压缩空气，因此当能动式氢复合器100从第二状态重新切换至第一状态时，能动式氢复合器100中会残留一定的氧气，当去氢后的混合气体返回至电解池500中时，非能动式氢复合器133可以消除其中的氧气，确保返回电解池500中的混合气体为无氧的安全混合气体。
输氢管线200上设置有氢传感器320，用于检测记录消氢之前的混合气体中氢气的含量，回气管线300上设置有氢传感器320，用于检测记录用于检测记录消氢之后的混合气体中氢气的含量，当能动式氢复合器100在第一状态时，可以将两个氢传感器320的检测值进行比较，如果两者接近，即说明反应塔中的金属氧化物已被还原为金属物，此时可以将能动式氢复合器100由第一状态切换至第二状态。
在一些实施例中，所述能动式氢复合器100的数量至少为两个，当其中一个能动式氢复合器100处于第一状态时，另一个能动式氢复合器100处于第二状态。
在本实施例中能动式氢复合器100的数量为两个，两个能动式氢复合器100分别为第一能动式氢复合器和第二能动式氢复合器，当第一能动式氢复合器中的金属氧化物被还原后，分别关闭与第一能动式氢复合器连接的输氢管线200和回气管线300上的阀门330，打开与第一能动式氢复合器连接的输氧管线上的阀门330，同时分别打开与第二能动式氢复合器连接的输氢管线200和回气管线300上的阀门330，使得第一能动式氢复合器进行氧化，同时，第二能动式氢复合器进行消氢。同样，当第二能动式氢复合器中的金属氧化物被还原后，按照上述方式，使得第二能动式氢复合器进行氧化，同时，第一能动式氢复合器进行消氢。即可实现第一能动式氢复合器和第二能动式氢复合器的交替使用，消氢过程可以持续进行。
在另外一个实施例中，当混合气体中的氢气浓度较高时，仅仅两个能动式氢复合器100不能够实现持续消氢时，能动式氢复合器100的数量还可以为两个以上，两个以上的能动式氢复合器100能够交替使用。
在其他实施例中，还可以设置控制单元，输氢管线200和回气管线300上的阀门330、空压机700、氢传感器320等均与控制单元电连接，控制单元能够实现至少两个能动式氢复合器100的自动替换。
在一些实施例中，所述消氢系统还包括汽水分离器，所述回气管线300和输氢管线200上分别设置有汽水分离器，分别用于消除或者减少回气管线300和输氢管线200中的水蒸气。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种能动式氢复合器，其特征在于，所述能动式氢复合器为反应塔型结构，所述能动式氢复合器包括：
缓存塔段，用于缓存混合气体，所述缓存塔段的外壁上开设有进气口；
反应塔段，位于所述缓存塔段的上部并与所述缓存塔段内部连通，所述反应塔段内设置有承载件；以及
预热层，围设在所述反应塔段的外壁。
2.根据权利要求1所述的能动式氢复合器，其特征在于，所述预热层包括：
输送管道，所述输送管道的出口端与所述进气口连接；和
加热器，用于同时对所述反应塔段和所述输送管道进行加热。
3.根据权利要求2所述的能动式氢复合器，其特征在于，所述输送管道包括：
多个直管，多个所述直管沿所述反应塔段的外壁的周向间隔设置，多个所述直管的长度方向与所述缓存塔段的轴向相同；
多个连接管，所述连接管为弧形管，相邻两个所述直管通过所述连接管依次连接。
4.根据权利要求3所述的能动式氢复合器，其特征在于，所述加热器为加热棒，所述加热棒的数量为多个，相邻的两个所述直管之间设置有一个所述加热棒。
5.根据权利要求1所述的能动式氢复合器，其特征在于，所述能动式氢复合器还包括:
保温层，设置在所述预热层的径向的外侧。
6.根据权利要求1所述的能动式氢复合器，其特征在于，所述能动式氢复合器还包括:
散热塔段，位于所述反应塔段的上部，并与所述反应塔段连通，所述散热塔段设置有散热器。
7.根据权利要求6所述的能动式氢复合器，其特征在于，所述散热器包括：
多个散热片，多个所述散热片间隔设置在所述散热塔段的外壁。
8.根据权利要求7所述的能动式氢复合器，其特征在于，所述散热塔段的上部开设有出气口，所述出气口内设置有非能动式氢复合器。
9.根据权利要求1所述的能动式氢复合器，其特征在于，所述承载件为筛板，所述筛板设置在反应塔段的底部。
10.根据权利要求1所述的能动式氢复合器，其特征在于，所述缓存塔段的底部开设有排液口，所述排液口内设置有自动排水阀。
11.一种消氢系统，其特征在于，包括：输氢管线、输氧管线以及权利要求1-10任意一项所述的能动式氢复合器，所述输氢管线的输出端、所述输氧管线的输出端均与所述能动式氢复合器连接，所述能动式氢复合器具有第一状态和第二状态；
在第一状态时，所述输氢管线与所述能动式氢复合器连通，所述输氧管线与所述能动式氢复合器不相通；
在第二状态时，所述输氧管线与所述能动式氢复合器连通，所述输氢管线与所述能动式氢复合器不相通。
12.根据权利要求11所述的消氢系统，其特征在于，所述能动式氢复合器的数量至少为两个，当其中一个所述能动式氢复合器处于第一状态时，另一个所述能动式氢复合器处于第二状态。
13.根据权利要求11所述的消氢系统，其特征在于，所述消氢系统还包括：
回气管线，与反应塔段的上部连通；
氢传感器，所述回气管线和所述输氢管线上分别设置有氢传感器。
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