CN114542953A - 一种废热利用的金属氢化物氢压缩机系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种废热利用的金属氢化物氢压缩机系统，包括长管拖车、金属氢化物氢压缩机、机械式氢压缩机、储氢罐和储热机构；金属氢化物氢压缩机和机械式氢压缩机均通过管道与长管拖车连接，金属氢化物氢压缩机、机械式氢压缩机和储氢罐依次通过管道连接，机械式氢压缩机通过管道与储热机构连接，金属氢化物氢压缩机通过管道与储热机构连接，当机械式氢压缩机无法继续对长管拖车内的氢气进行增压时，金属氢化物氢压缩机通过利用机械式氢压缩机产生的热对长管拖车内的氢气进行增压，或通过利用其它外界废热水对长管拖车内的氢气进行增压。本发明还涉及一种废热利用的方法。本发明节约成本、氢气转存率高，属于氢气压缩系统。

Description

一种废热利用的金属氢化物氢压缩机系统和方法
技术领域
本发明涉及一种氢气压缩系统，具体涉及一种废热利用的金属氢化物氢压缩机系统和方法。
背景技术
当前加氢站氢气注入环节普遍采用20MPa长管拖车为加氢站加注氢气，该拖车自重25吨却只能装载200～300公斤氢气。然而局限于加氢站现有机械式氢压缩机的增压率，长管拖车为加氢站加注氢气后返程空载剩余氢气压力一般为4～6MPa，即约30％的氢气没有加注完全。这就导致该环节的巨大资源浪费，若该剩余氢气能够再次被增压利用将极大降低加氢站营运成本和氢气价格。
此外，加氢站机械式氢压缩机运行时会产生的大量热量，需要及时通过制冷机对其进行散热降温，以保证加氢站的运行安全，若能将机械式氢压缩机产生的废热加以利用，不仅节约散热成本，还能进一步提高加氢站的运营效益。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种节约成本、氢气转存率高的一种废热利用的金属氢化物氢压缩机系统。
本发明的另一个目的是：提供一种既可以提高氢气转存效率，又可以节约加氢站散热成本的废热利用的方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种废热利用的金属氢化物氢压缩机系统，包括长管拖车、金属氢化物氢压缩机、机械式氢压缩机、储氢罐、水泵和储热机构；金属氢化物氢压缩机和机械式氢压缩机均通过管道与长管拖车连接，金属氢化物氢压缩机和机械式氢压缩机通过管道连接；机械式氢压缩机通过管道与储氢罐连接；金属氢化物氢压缩机设有第一入水口和第一出水口，第一入水口依次连接有水阀和水泵，第一出水口连接有水阀；金属氢化物氢压缩机通过管道与储热机构连接，储热机构通过管道与机械式氢压缩机连接；长管拖车与金属氢化物氢压缩机之间的管道设有单向阀和压力表，长管拖车与机械式氢压缩机之间的管道设有单向阀；机械式氢压缩机与储氢罐之间的管道设有单向阀；金属氢化物氢压缩机和储氢罐均设有压力表；金属氢化物氢压缩机和机械式氢压缩机之间的管道设有单向阀。
作为一种优选，储热机构包括过渡池，金属氢化物氢压缩机设有第二入水口和第二出水口，第二入水口和第二出水口均通过管道与过渡池连接，第二入水口与过渡池之间的管道设有水阀和水泵，第二出水口与过渡池之间的管道设有水阀；机械式氢压缩机设有第三入水口和第三出水口，第三入水口与过渡池之间的管道设有水阀，第三出水口与过渡池之间的管道设有水阀和水泵。
作为一种优选，过渡池设有温度表。
作为一种优选，金属氢化物氢压缩机在待充氢状态下的内压为0.1～0.5MPa。
作为一种优选，储氢罐为45MPa储氢罐，45MPa储氢罐待储氢状态下压力范围为10～30MPa。
作为一种优选，过渡池的介质为水，过渡池的工作温度为10～60℃。
一种废热利用的方法，采用一种废热利用的金属氢化物氢压缩机系统，包括如下步骤：
S1：在储氢罐的压力表示数≤30MPa时，长管拖车中的氢气通过机械式压缩机进行增压输送到储氢罐；
S2：当长管拖车与金属氢化物氢压缩机之间的管道的压力表示数≤6MPa时，长管拖车中剩余的氢气通过金属氢化物氢压缩机进行增压输送到机械式氢压缩机，再由机械式氢压缩机增压输送到储氢罐；其中，金属氢化物氢压缩机的氢压缩材料通过过渡池输送的热水加热，或通过第一入水口输送工业废热水加热。
作为一种优选，步骤S2中，当金属氢化物氢压缩机利用机械式氢压缩机产生的废热时，通过机械式氢压缩机产生的废热加热过渡池的介质水，过渡池提供热水给金属氢化物氢压缩机对氢压缩材料加热，将氢气增压供应至机械式氢压缩机继续增压至储氢罐。
作为一种优选，步骤S2中，当金属氢化物氢压缩机利用工业废热水时：通过第一入水口的水泵输送工业废热水对氢压缩材料加热，将氢气增压供应至机械式氢压缩机继续增压。
作为一种优选，步骤S1中，操作方式为：打开机械式氢压缩机与过渡池之间的水泵和水阀，打开机械式氢压缩机与储氢罐之间的单向阀，打开长管拖车与机械式氢压缩机之间的单向阀，机械式氢压缩机对长管拖车中的氢气进行增压输送到储氢罐；
步骤S2中，操作方式为：关闭长管拖车与机械式氢压缩机之间的单向阀，打开长管拖车与金属氢化物氢压缩机之间的单向阀将氢气输送至金属氢化物氢压缩机吸氢，直到金属氢化物氢压缩机的压力表示数稳定后，关闭长管拖车与金属氢化物氢压缩机之间的单向阀，打开第二入水口与过渡池之间的水阀和水泵，打开第二出水口与过渡池之间的水阀，打开金属氢化物氢压缩机与机械式氢压缩机之间的单向阀；
或关闭长管拖车与机械式氢压缩机之间的单向阀，打开长管拖车与金属氢化物氢压缩机之间的单向阀将氢气输送至金属氢化物氢压缩机吸氢，直到金属氢化物氢压缩机的压力表示数稳定后，关闭长管拖车与金属氢化物氢压缩机之间的单向阀，打开第一入水口的水泵和水阀，打开第一出水口的水阀，打开金属氢化物氢压缩机与机械式氢压缩机之间的单向阀。
本发明的原理：金属氢化物氢压缩机作为一种新型的氢气压缩机，其利用氢压缩材料在较低温度(一般为室温)和较低压力下吸氢后，将氢压缩材料温度升高到较高温度，此时金属氢化物氢压缩机将释放出被增压的氢气。放氢压力视温度而定，并遵循Van’tHoff方程(lnPde＝ΔH/RT-ΔS/T)，其不存在传统机械式氢压缩机受压缩比限制的问题，可将背景技术中所述长管拖车剩余的4～6MPa氢气升压至10MPa以上继续供机械式氢压缩机进行增压。
而利用机械式氢压缩机对氢气做功增压所产生的大量热量或工业废热水可以为金属氢化物氢压缩机提供热源，既利用了废热又达到了将上述返程空载剩余的4～6MPa氢气升压至10MPa以上继续供机械式氢压缩机继续增压利用的目的。
总的说来，本发明具有如下优点：
1.本发明既达到了为机械式氢压缩机散热的目的，又有效地利用了机械式氢压缩机的废热或工业废热水为进一步利用金属氢化物氢压缩机增压长管拖车余氢提供了热源，有效地降低了加氢站的能耗，提高了氢气转存效率。
2.本发明无需外部能量介入的情况下，可以有效地将长管拖车余氢进一步升压供机械式氢压缩机利用，既充分利用了余氢又有效降低了加氢站运营成本。
3.本发明用水作为循环介质不仅环保、成本低，还具有维护方便的优点。
附图说明
图1为一种废热利用的金属氢化物氢压缩机系统的示意图。
其中，1为长管拖车，2为金属氢化物氢压缩机，3为机械式氢压缩机，4为储氢罐，5为过渡池，6为单向阀，7为水阀，8为水泵，9为压力表，10为温度表。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
实施例一
一种废热利用的金属氢化物氢压缩机系统，包括长管拖车、金属氢化物氢压缩机、机械式氢压缩机、储氢罐、水泵和储热机构；金属氢化物氢压缩机和机械式氢压缩机均通过管道与长管拖车连接，金属氢化物氢压缩机和机械式氢压缩机通过管道连接；机械式氢压缩机通过管道与储氢罐连接；金属氢化物氢压缩机设有第一入水口和第一出水口，第一入水口依次连接有水阀和水泵，第一出水口连接有水阀；金属氢化物氢压缩机通过管道与储热机构连接，储热机构通过管道与机械式氢压缩机连接；长管拖车与金属氢化物氢压缩机之间的管道设有单向阀和压力表，长管拖车与机械式氢压缩机之间的管道设有单向阀；机械式氢压缩机与储氢罐之间的管道设有单向阀；金属氢化物氢压缩机和储氢罐均设有压力表；金属氢化物氢压缩机和机械式氢压缩机之间的管道设有单向阀。第一入水口用于输入工业废热水，第一出水口用于排出工业废热水。
储热机构包括过渡池，金属氢化物氢压缩机设有第二入水口和第二出水口，第二入水口和第二出水口均通过管道与过渡池连接，第二入水口与过渡池之间的管道设有水阀和水泵，第二出水口与过渡池之间的管道设有水阀；机械式氢压缩机设有第三入水口和第三出水口，第三入水口与过渡池之间的管道设有水阀，第三出水口与过渡池之间的管道设有水阀和水泵。
过渡池设有温度表。温度表用于检测过渡池内的水温。
金属氢化物氢压缩机在待充氢状态下的内压为0.1～0.5MPa。
储氢罐为45MPa储氢罐，45MPa储氢罐待储氢状态下压力范围为10～30MPa。
过渡池的介质为水，过渡池的工作温度为10～60℃。
本实施例中，机械式氢压缩机型号为中鼎恒盛气体设备有限公司GZ2-100/125-450型压缩机(进氢压力：5～20MPa，排氢压力：≥45MPa，循环水量：1000L/h)，金属氢化物氢压缩机型号为北京浩运金能科技有限公司HYHC-10/10A型单级金属氢化物氢压缩机(进氢压力：≥1MPa(20℃)，排氢压力：≥10MPa(60℃))，过渡池容积为2m3。长管拖车的规格为20MPa氢压，满载300公斤氢气。机械式氢压缩机可将5～20MPa氢气增压至≥45MPa；金属氢化物氢压缩机可将1～10MPa氢压增压至≥10MPa，并供入机械式氢压缩机进行增压。
金属氢化物氢压缩机包括本体和水热系统，水热系统安装在本体，第一入水口和第一出水口设在水热系统，连接第一入水口的管道上设有水阀和水泵，连接第一出水口的管道上设有水阀。连接第一入水口和第一出水口的管道均向外延伸连接至工业废热水，当金属氢化物氢压缩机利用工业废热水时，打开第一入水口的水阀和水泵以第一出水口的水阀，将工业废热水循环到水热系统内对本体的氢压缩材料进行加热；当工业废热水完成对氢压缩材料加热之后，将废热水排出使本体冷却。第二入水口和第二出水口设在水热系统，第二入水口和第二出水口均通过管道与过渡池连接。
机械式氢压缩机包括本体和水冷系统，水冷系统安装在本体，第三入水口和第三出水口设在水冷系统，第三入水口和第三出水口通过管道与过渡池连接。
实施例二
本实施例的一种废热利用的方法，采用一种废热利用的金属氢化物氢压缩机系统，包括如下步骤：
S1：在储氢罐的压力表示数≤30MPa时，长管拖车中的氢气通过机械式压缩机进行增压输送到储氢罐；
S2：当长管拖车与金属氢化物氢压缩机之间的管道的压力表示数≤6MPa时，长管拖车中剩余的氢气通过金属氢化物氢压缩机进行增压输送到机械式氢压缩机，再由机械式氢压缩机增压输送到储氢罐；其中，金属氢化物氢压缩机的氢压缩材料通过过渡池输送的热水加热，或通过第一入水口输送工业废热水加热。
步骤S2中，当金属氢化物氢压缩机利用机械式氢压缩机产生的废热时，通过机械式氢压缩机产生的废热加热过渡池的介质水，过渡池提供热水给金属氢化物氢压缩机对氢压缩材料加热，将氢气增压供应至机械式氢压缩机继续增压至储氢罐。
步骤S1中，操作方式为：打开机械式氢压缩机与过渡池之间的水泵和水阀，打开机械式氢压缩机与储氢罐之间的单向阀，打开长管拖车与机械式氢压缩机之间的单向阀，机械式氢压缩机对长管拖车中的氢气进行增压输送到储氢罐；
步骤S2中，操作方式为：关闭长管拖车与机械式氢压缩机之间的单向阀，打开长管拖车与金属氢化物氢压缩机之间的单向阀将氢气输送至金属氢化物氢压缩机吸氢，直到金属氢化物氢压缩机的压力表示数稳定后，关闭长管拖车与金属氢化物氢压缩机之间的单向阀，打开第二入水口与过渡池之间的水阀和水泵，打开第二出水口与过渡池之间的水阀，打开金属氢化物氢压缩机与机械式氢压缩机之间的单向阀。
本实施例以加氢站拟用废热利用的金属氢化物氢压缩机系统并再利用机械式氢压缩机运行产生的废热为例。
具体操作方法：当储氢罐的压力表示数≤30MPa时，一辆规格为20MPa氢压的长管拖车满载300公斤氢气为该加氢站加注氢气。首先长管拖车与金属氢化物氢压缩机和机械式氢压缩机通过管道连接后，开启机械式氢压缩机与过渡池之间的水阀和水泵，开启机械式氢压缩机的水冷系统，开启长管拖车与机械式氢压缩机之间的单向阀，开启机械式氢压缩机和储氢罐之间的单向阀，机械式氢压缩机开始对长管拖车中的氢气进行增压至储氢罐，增压过程中产生的热量被机械式氢压缩机的水冷系统通过管道输送到过渡池，将过渡池的水升温至60℃。
当长管拖车和金属氢化物氢压缩机之间的管道上的压力表压力降到≤6MPa，此时机械式氢压缩机无法对长管拖车余氢进行有效增压，关闭机械式氢压缩机和长管拖车的单向阀，开启长管拖车和金属氢化物氢压缩机之间的单向阀，将剩余6MPa未被增压氢气供入金属氢化物氢压缩机并使氢压缩材料吸氢；金属氢化物氢压缩机中氢压缩材料开始吸氢，在金属氢化物氢压缩机的压力表示数稳定后，关闭长管拖车和金属氢化物氢压缩机之间的单向阀，开启金属氢化物氢压缩机和过渡池之间的水泵和水阀，水泵将过渡池的热水通过管道输送到金属氢化物氢压缩机的水热系统对氢压缩材料加热，使其升温至60℃；金属氢化物氢压缩机中氢压缩材料经升温后放氢平台压升高至≥10MPa，开启金属氢化物氢压缩机和机械式氢压缩机之间的单向阀将氢气供应到机械式氢压缩机继续增压；机械式氢压缩机对金属氢化物氢压缩机释放的氢气继续增压过程中产生的热水可通过管道输送到过渡池，过渡池将热水输送到金属氢化物氢压缩机，继续对金属氢化物氢压缩机供热，促使其进一步放氢，以弥补放氢后金属氢化物温度不足的问题。
当金属氢化物氢压缩机的压力表压力示数≤5MPa后，关闭金属氢化物氢压缩机和机械式氢压缩机之间的单向阀、机械式氢压缩机和储氢罐之间的单向阀，关闭机械式氢压缩机，待温度表温度降到≤40℃，关闭两个水泵(一个是过渡池与机械式氢压缩机之间的水泵，一个是过渡池与金属氢化物氢压缩机之间的水泵)，关闭全部水阀，使系统自然冷却至室温。
本实施例未提及部分同实施例一。
实施例三
本实施例中，步骤S2中，步骤S2中，当金属氢化物氢压缩机利用工业废热水时：通过第一入水口的水泵输送工业废热水对氢压缩材料加热，将氢气增压供应至机械式氢压缩机继续增压。
本实施例的操作方式：关闭长管拖车与机械式氢压缩机之间的单向阀，打开长管拖车与金属氢化物氢压缩机之间的单向阀，直到金属氢化物氢压缩机的压力表示数稳定后，关闭长管拖车与金属氢化物氢压缩机之间的单向阀，打开第一入水口的水泵和水阀，通过源源不断的工业废热水对金属氢压缩机加热，打开第一出水口的水阀。
本实施例以某加氢站拟用废热利用的金属氢化物氢压缩机系统并再利用工业废热水为例，当储氢罐的压力表示数≤30MPa时，一辆规格为20MPa氢压的长管拖车满载300公斤氢气为该加氢站加注氢气。首先长管拖车与金属氢化物氢压缩机和机械式氢压缩机通过管道连接后，开启机械式氢压缩机与过渡池之间的水阀和水泵，开启机械式氢压缩机的水冷系统，开启长管拖车与机械式氢压缩机之间的单向阀，开启机械式氢压缩机和储氢罐之间的单向阀，机械式氢压缩机开始对长管拖车中的氢气进行增压至储氢罐，增压过程中产生的热量被机械式氢压缩机的水冷系统通过管道输送到过渡池，将过渡池的水升温至60℃。当长管拖车和金属氢化物氢压缩机之间的管道上的压力表压力降到≤6MPa，此时机械式氢压缩机无法长管拖车余氢进行有效增压，关闭机械式氢压缩机和长管拖车的单向阀，开启长管拖车和金属氢化物氢压缩机之间的单向阀，将剩余6MPa未被增压氢气供入金属氢化物氢压缩机并使氢压缩材料吸氢；金属氢化物氢压缩机中氢压缩材料吸氢，在金属氢化物氢压缩机的压力表示数稳定后，关闭长管拖车和金属氢化物氢压缩机之间的单向阀，开启第一入水口和第一出水口的水阀和水泵，水泵驱动工业废热水通过金属氢化物氢压缩机的水热系统对氢压缩材料加热，使其升温至≥60℃；金属氢化物氢压缩机中氢压缩材料经升温后放氢平台压升高至≥10MPa，开启金属氢化物氢压缩机和机械式氢压缩机之间的单向阀，将氢气供应机械式氢压缩机继续增压；当金属氢化物氢压缩机的压力表压力示数≤5MPa后，关闭所有单向阀、关闭第一入水口和第一出水口的水阀和水泵，使系统自然冷却至室温。
本实施例未提及部分同实施例二。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种废热利用的金属氢化物氢压缩机系统，其特征在于：包括长管拖车、金属氢化物氢压缩机、机械式氢压缩机、储氢罐、水泵和储热机构；金属氢化物氢压缩机和机械式氢压缩机均通过管道与长管拖车连接，金属氢化物氢压缩机和机械式氢压缩机通过管道连接；机械式氢压缩机通过管道与储氢罐连接；金属氢化物氢压缩机设有第一入水口和第一出水口，第一入水口依次连接有水阀和水泵，第一出水口连接有水阀；金属氢化物氢压缩机通过管道与储热机构连接，储热机构通过管道与机械式氢压缩机连接；长管拖车与金属氢化物氢压缩机之间的管道设有单向阀和压力表，长管拖车与机械式氢压缩机之间的管道设有单向阀；机械式氢压缩机与储氢罐之间的管道设有单向阀；金属氢化物氢压缩机和储氢罐均设有压力表；金属氢化物氢压缩机和机械式氢压缩机之间的管道设有单向阀。
2.按照权利要求1所述的一种废热利用的金属氢化物氢压缩机系统，其特征在于：储热机构包括过渡池，金属氢化物氢压缩机设有第二入水口和第二出水口，第二入水口和第二出水口均通过管道与过渡池连接，第二入水口与过渡池之间的管道设有水阀和水泵，第二出水口与过渡池之间的管道设有水阀；机械式氢压缩机设有第三入水口和第三出水口，第三入水口与过渡池之间的管道设有水阀，第三出水口与过渡池之间的管道设有水阀和水泵。
3.按照权利要求2所述的一种废热利用的金属氢化物氢压缩机系统，其特征在于：过渡池设有温度表。
4.按照权利要求1所述的一种废热利用的金属氢化物氢压缩机系统，其特征在于：金属氢化物氢压缩机在待充氢状态下的内压为0.1～0.5MPa。
5.按照权利要求1所述的一种废热利用的金属氢化物氢压缩机系统，其特征在于：储氢罐为45MPa储氢罐，45MPa储氢罐待储氢状态下压力范围为10～30MPa。
6.按照权利要求2所述的一种废热利用的金属氢化物氢压缩机系统，其特征在于：过渡池的介质为水，过渡池的工作温度为10～60℃。
7.一种废热利用的方法，采用权利要求1-6中任一项所述的一种废热利用的金属氢化物氢压缩机系统，其特征在于：包括如下步骤：
S1：在储氢罐的压力表示数≤30MPa时，长管拖车中的氢气通过机械式压缩机进行增压输送到储氢罐；
S2：当长管拖车与金属氢化物氢压缩机之间的管道的压力表示数≤6MPa时，长管拖车中剩余的氢气通过金属氢化物氢压缩机进行增压输送到机械式氢压缩机，再由机械式氢压缩机增压输送到储氢罐；其中，金属氢化物氢压缩机的氢压缩材料通过过渡池输送的热水加热，或通过第一入水口输送工业废热水加热。
8.按照权利要求7所述的一种废热利用的方法，其特征在于：步骤S2中，当金属氢化物氢压缩机利用机械式氢压缩机产生的废热时，通过机械式氢压缩机产生的废热加热过渡池的介质水，过渡池提供热水给金属氢化物氢压缩机对氢压缩材料加热，将氢气增压供应至机械式氢压缩机继续增压至储氢罐。
9.按照权利要求7所述的一种废热利用的方法，其特征在于：步骤S2中，当金属氢化物氢压缩机利用工业废热水时：通过第一入水口的水泵输送工业废热水对氢压缩材料加热，将氢气增压供应至机械式氢压缩机继续增压。
10.按照权利要求7所述的一种废热利用的方法，其特征在于：
步骤S1中，操作方式为：打开机械式氢压缩机与过渡池之间的水泵和水阀，打开机械式氢压缩机与储氢罐之间的单向阀，打开长管拖车与机械式氢压缩机之间的单向阀，机械式氢压缩机对长管拖车中的氢气进行增压输送到储氢罐；
步骤S2中，操作方式为：关闭长管拖车与机械式氢压缩机之间的单向阀，打开长管拖车与金属氢化物氢压缩机之间的单向阀将氢气输送至金属氢化物氢压缩机吸氢，直到金属氢化物氢压缩机的压力表示数稳定后，关闭长管拖车与金属氢化物氢压缩机之间的单向阀，打开第二入水口与过渡池之间的水阀和水泵，打开第二出水口与过渡池之间的水阀，打开金属氢化物氢压缩机与机械式氢压缩机之间的单向阀；
或关闭长管拖车与机械式氢压缩机之间的单向阀，打开长管拖车与金属氢化物氢压缩机之间的单向阀将氢气输送至金属氢化物氢压缩机吸氢，直到金属氢化物氢压缩机的压力表示数稳定后，关闭长管拖车与金属氢化物氢压缩机之间的单向阀，打开第一入水口的水泵和水阀，打开第一出水口的水阀，打开金属氢化物氢压缩机与机械式氢压缩机之间的单向阀。
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