CN115520834A - 一种液态有机储氢材料的脱氢供氢系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氢能利用技术领域，公开一种液态有机储氢材料的脱氢供氢系统，其包括：脱氢装置、液态有机储氢材料罐和预热装置；所述脱氢装置包括位于上侧的预热段和位于下侧的催化脱氢段；在所述预热段的顶部设有氢气出口；所述液态有机储氢材料罐通过管道与所述脱氢装置构成循环回路，在所述循环回路上设有循环泵，所述液态有机储氢材料罐中的液态有机储氢材料在所述循环泵的作用下从所述脱氢装置的上端流入、下端流回到所述液态有机储氢材料罐内；所述预热装置与所述脱氢装置的预热段连接，用于对进入所述述脱氢装置的液态有机储氢材料预热，同时冷凝温度过高而挥发的液态有机储氢材料及杂质气体，提高了获取的氢气纯度。
Description
技术领域
本发明涉及氢能利用技术领域，更具体地涉及到一种液态有机储氢材料的脱氢供氢系统。
背景技术
氢能作为一种高能量密度、清洁高效、资源丰富的能源，在解决能源危机、全球变暖等方面可发挥重要作用，被认为是人类的终极能源载体，因此氢能的研究和发展具有重大战略意义。
制约氢能发展的主要有氢气的制取、储运和利用三个方面。目前氢气的储运方式主要有高压气态储氢、低温液态储氢、有机液态储运和固态储氢四种方式。其中，液态有机储氢（liquid organic hydrogen carriers，LOHC）是利用烯烃、炔烃、芳烃等不饱和液态有机物，通过加氢反应将氢气固定形成分子内结合有氢的液态化合物以实现储氢的功能。与其他几种储氢方式相比，液态有机储氢方式的体积储氢密度大、液态储氢纯度高、储氢过程安全高效，具有巨大的发展前景。
利用液态有机储氢材料实现氢气储运主要涉及到加氢、脱氢两个反应，脱氢反应需要吸收热量，脱氢产物需用气液分离器分离出氢气，然后利用氢气缓冲罐对氢气缓冲才能提供给供氢单元使用。
如一篇公开号为CN109850846A的中国发明专利申请公开一种自热式有机液体脱氢供氢系统，包括包括氢氧催化燃烧器、连接催化燃烧器氢气入口的氢气缓冲罐、连接催化燃烧器氧气入口的氧气瓶和空气预热器、以及连接催化燃烧器尾气出口的脱氢反应器，脱氢反应器的尾气出口与空气预热器连接；所述的催化燃烧器由外壳和设于外壳内的预混合室、布料器和催化燃烧室组成，所述的催化燃烧室为催化板卷成的蜂窝结构，催化板以铝箔为基底，γ-Al2O3为中间载体，铂为活性成分；氢气缓冲罐提供的氢气与空气预热器输送的空气通过各自流道进入预混合室，经过布料器后流入催化燃烧室燃烧，尾气进入脱氢反应器供热；所述的空气预热器上连接有冷凝器，冷凝器上连接有空气缓冲罐，空气缓冲罐通过离心风机连接空气预热器，尾气离开脱氢反应器后再流经冷凝器，冷凝水外排，尾气经空气预热器预热、通过氧气瓶补充氧气后再次进入催化燃烧器循环使用；所述的脱氢反应器为列管式反应器，管程内填充粒径为1～3mm的Raney-Ni催化剂，脱氢时有机液体流经催化剂；脱氢反应器上连接有原料预热器，原料预热器通过原料泵连接有盛装有机液体的原料罐，原料预热器通过气液分离器与氢气缓冲罐连接，气液分离器连接有载体罐，原料泵提供的有机液体原料经原料预热器预热后进入脱氢反应器管程进行脱氢反应，产生的氢气与有机液体的混合物用于原料预热，混合物降温后进入气液分离器，经过分离脱氢后的有机液体进入载体罐循环使用，而氢气进入氢气缓冲罐，一部分供应用氢单元使用，一部分系统内部使用。
现有技术虽然能够实现液态有机储氢材料的脱氢，但整个脱氢供氢结构较为复杂、脱氢效率也不是很理想。如何使液态有机储氢材料的脱氢更高效，仍是业界关注的重要问题。
发明内容
针对现存在的问题，本发明的目的在于提供一种脱氢供氢结构简单、脱氢反应更加充分的液态有机储氢材料的脱氢供氢系统，为解决现有技术中存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。
一种液态有机储氢材料的脱氢供氢系统，其包括：脱氢装置、液态有机储氢材料罐和预热装置。
所述脱氢装置包括位于上侧的预热段和位于下侧的催化脱氢段；在所述预热段的顶部设有氢气出口。
所述液态有机储氢材料罐通过管道与所述脱氢装置构成循环回路，在所述循环回路上设有循环泵，所述液态有机储氢材料罐中的液态有机储氢材料在所述循环泵的作用下从所述脱氢装置的上端流入、下端流回到所述液态有机储氢材料罐内。
所述预热装置与所述脱氢装置的预热段连接，用于对进入所述述脱氢装置的液态有机储氢材料预热。
更为优选的是，所述预热段包括第一流道腔和设置在所述第一流道腔内的微孔结构体，所述催化脱氢段包括第二流道腔和设置在所述第二流道腔内的催化结构体，所述第一流道腔和所述第二流道腔相互连通，所述第一流道腔和所述第二流道腔的侧壁通过绝缘过渡段隔开。
更为优选的是，所述第一流道腔为柱形腔，所述微孔结构体位于所述第一流道腔的轴线上，在所述第一流道腔的侧壁上设有与所述第一流道腔连通的凹凸流道。
所述第二流道腔为柱形腔，所述催化结构体位于所述第二流道腔的轴线上，在所述第二流道腔的侧壁上设有与所述第二流道腔连通的凹凸流道。
更为优选的是，所述第一流道腔和所述第二流道腔同轴设置。
更为优选的是，所述催化结构体由微孔导体和沉积在所述微孔导体上的脱氢催化剂构成，所述微孔导体接外部电源，通电后加热脱氢催化剂，进而达到脱氢反应所需温度。
更为优选的是，所述第二流道腔的侧壁为绝热件，在所述第二流道腔的侧壁上设置有热电偶，用于实时监控催化反应温度并进行温度的闭环控制；工作时，催化反应温度控制在180-200℃之间。
更为优选的是，所述液态有机储氢材料罐具有排出口和加注口，在所述液态有机储氢材料罐内部设置有氢含量检测计，用于实时监测所述液态有机储氢材料罐内的氢含量；当氢含量过低时，从所述排出口排出贫氢的液态有机储氢材料，并开启所述加注口注入富氢的液态有机储氢材料。
更为优选的是，在所述液态有机储氢材料罐的出口处设置有流量计和阀门；工作时，根据氢气需求量调整所述阀门的开度来控制液态有机储氢材料的流量，所述流量计测到的流量数据实时返回对所述阀门的开度进行闭环控制，进而使所述脱氢装置的氢气产生量与氢气需求量一致。
更为优选的是，所述预热装置包括冷却液循环泵和冷却液循环管道，所述冷却液循环管道盘绕于所述预热段上，所述冷却液循环泵设置在所述冷却液循环管道上。
更为优选的是，所述预热装置与用氢端散热系统连接，所述预热段的温度控制在65-75℃范围内。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
1）通过设置上下排布的预热段和催化脱氢段，工作时，液态有机储氢材料从脱氢装置顶部注入后，在重力作用下从上到下依次流经预热段和催化脱氢段，进行预热和脱氢，产生的氢气直接从顶部的氢气出口排出；预热段除了对新鲜注入的温度较低的液态有机储氢材料进行预热外，同时冷凝因底部温度过高而挥发的有机储氢材料或杂质，提高了最终获得的氢气纯度。
2）微孔结构体、催化剂结构体和凹凸流道等的组合设计，使得预热和冷凝去除氢气中的杂质效果更好，同时，液态有机储氢材料与催化剂接触也更充分，提高了脱氢反应效率。
3）通过在液态有机储氢材料罐的出口处设置流量计和阀门，可以通过控制液态有机储氢材料流量，实现按需制取氢气，无需设置专门的氢气缓冲罐。
4）本发明中，基于微孔导体材料的特性与第二流道腔的绝热性，通过外接电源直接加热催化层，节约能耗。
附图说明
图1所示为本发明提供的一种液态有机储氢材料的脱氢供氢系统的结构示意图。
图2所示为储氢脱氢装置的结构示意图。
附图标记说明。
1：脱氢装置，2：液态有机储氢材料罐，3：预热装置，4：管道，5：循环泵。
1-1：预热段，1-2：催化脱氢段，1-3：绝缘过渡段，1-4：氢气出口。
1-1-1：第一流道腔，1-1-2：微孔结构体。
1-2-1：第二流道腔，1-2-2：催化结构体，1-2-3：热电偶。
2-1：氢含量检测计，2-2：排出口，2-3：加注口，2-4：出料口，2-5：流量计，2-6：阀门。
3-1：冷却液循环泵，3-2：冷却液循环管道。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的描述。
如图1所示，一种液态有机储氢材料的脱氢供氢系统，其包括：脱氢装置1、液态有机储氢材料罐2、预热装置3等，所述液态有机储氢材料罐2与所述脱氢装置1通过管道4连接、构成循环回路，在所述循环回路上设有循环泵5，使液态有机储氢材料在所述液态有机储氢材料罐2与所述脱氢装置1之间循环流动；所述预热装置3与所述脱氢装置1连接，对进入所述述脱氢装置1的液态有机储氢材料预热。
结合图2所示，所述脱氢装置1包括：位于上侧的预热段1-1和位于下侧的催化脱氢段1-2，所述预热段1-1和所述催化脱氢段1-2之间设有绝缘过渡段1-3，在所述预热段1-1的顶部设有氢气出口1-4。具体地，所述预热段1-1包括第一流道腔1-1-1和设置在所述第一流道腔1-1-1内的微孔结构体1-1-2，所述催化脱氢段1-2包括第二流道腔1-2-1和设置在所述第二流道腔1-2-1内的催化结构体1-2-2，所述第一流道腔1-1-1和所述第二流道腔1-2-1相互连通，所述绝缘过渡段1-3将所述第一流道腔1-1-1和所述第二流道腔1-2-1的侧壁隔开。
本实施例中，优选所述第一流道腔1-1-1和所述第二流道腔1-2-1为同轴设置的柱形腔，结构更加紧凑。显然，本领域技术人员根据实际需要的不同可以适当改变第一流道腔1-1-1和第二流道腔1-2-1的空间布局。
工作时，液态有机储氢材料从脱氢装置1的顶部注入，在重力作用下，从上到下依次流过第一流道腔1-1-1和第二流道腔1-2-1。微孔结构体1-1-2位于第一流道腔1-1-1的轴线上，起到扰流的作用，进而使流经第一流道腔1-1-1的液体有机储氢材料能更均匀的预热，也更利于去除上升氢气中的杂质。显然，只要脱氢装置1包括位于上侧的预热段和位于下侧的催化脱氢段，并在所述预热段的顶部设有氢气出口，就可以起到类似的预热和去除上升氢气中的杂质的效果；脱氢装置1的具体结构不局限于以上举例。
本实施例中，催化结构体1-2-2由微孔导体和脱氢催化剂构成，微孔导体既能起到扰流作用同时也作为催化剂的载体，催化剂通过沉积技术均匀的分布在微孔导体表面。担载有催化层的微孔导体接外部电源，通电后直接加热催化层，进而达到脱氢反应所需温度。
本实施例中，优选在第一流道腔1-1-1和第二流道腔1-2-1的侧壁上刻有凹凸流道，在液态有机储氢材料均匀流经第一流道腔1-1-1和第二流道腔1-2-1时有更好的扰流效果，增加液态有机储氢材料与催化剂层的接触面积，使得脱氢反应更加充分。
本实施例中，第二流道腔1-2-1 的侧壁为绝热件，以便于实现催化结构体1-2-2的内建加热。优选在第二流道腔1-2-1 的侧壁设置有热电偶1-2-3，用于实时监控催化反应温度。优选热电偶1-2-3为多个，分布在第二流道腔1-2-1侧壁的上中下侧，以便于更好掌握第二流道腔1-2-1内的温度分布。
本实施例中，优选液态有机储氢材料罐2的内部设置有氢含量检测计2-1，用于实时监测液态有机储氢材料罐2内的氢含量。当氢含量过低时，从排出口2-2排出贫氢的液态有机储氢材料，并开启加注口2-3处阀门注入富氢的液态有机储氢材料。液态有机储氢材料罐2的出料口2-4处设置有流量计2-5和阀门2-6，用于根据氢气需求量控制液态有机储氢材料的流量。
常用的液态有机材料有不饱和的烯烃、炔烃或芳香烃等。本实施例中采用不饱和的杂环芳烃为液态有机储氢材料。
预热装置3包括冷却液循环泵3-1和冷却液循环管道3-2，冷却液循环管道3-2盘绕于所述预热段1-1上，所述冷却液循环泵3-1设置在所述冷却液循环管道3-2上。冷却液循环管道3-2可以与用氢端的散热系统相连接，充分利用用氢端的余热。预热装置3用于使预热段1-1的温度维持在设定范围内，对新鲜注入的温度较低的液态有机储氢材料进行预热，同时，冷凝温度过高而挥发的液态有机储氢材料及杂质。
本实施例提供的一种液态有机储氢材料的脱氢供氢系统，其工作流程如下。
1）根据用氢端或储氢端的需求，调整液态有机储氢材料罐2后的阀门2-6开度来控制液态有机储氢材料流量，流量计2-5测到的液态储氢材料的流量实时返回到控制器中以及时调整阀门2-6开度。液态有机储氢材料经过循环泵5加压后流入脱氢装置1中。
2）液态有机储氢材料从脱氢装置1顶部注入后，在重力作用下从上到下依次流经预热段1-1和催化脱氢段1-2，进行预热和脱氢。脱氢运行时，给担载有催化层的微孔导体通电，直接加热催化层，为液态有机储氢材料的脱氢反应提供热量。催化脱氢段1-2的热电偶1-2-3实时读取反应温度数据，控制器根据反馈的温度数据来及时调整外接电流，维持催化脱氢段1-2的反应温度在180℃-200℃范围内。液态有机储氢材料在催化剂作用下充分发生脱氢反应释放出氢气，氢气从从下往上流经预热段1-1后排出，被后续利用。
3）脱氢装置1工作时启动预热装置，预热装置可以与用氢端的散热系统相连接。以PEM燃料电池（质子交换膜燃料电池）散热系统为例。由于预热装置与PEM燃料电池散热系统相连接，冷却液温度维持在65-75℃，脱氢装置1的预热段1-1温度处在65-75℃范围内，对新鲜注入的温度较低的液态有机储氢材料进行预热，同时冷凝因底部温度过高而挥发的有机储氢材料或杂质，提高获得的氢气纯度。
需要说明的是，在本发明的描述中，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“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”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙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、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
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隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“至少”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。
在发明中，除非另有规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“下面”包括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低于第二特征。
通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。
Claims (10)
1.一种液态有机储氢材料的脱氢供氢系统，其特征在于，包括：脱氢装置、液态有机储氢材料罐和预热装置；
所述脱氢装置包括位于上侧的预热段和位于下侧的催化脱氢段，在所述预热段的顶部设有氢气出口；
所述液态有机储氢材料罐通过管道与所述脱氢装置构成循环回路，在所述循环回路上设有循环泵，所述液态有机储氢材料罐中的液态有机储氢材料在所述循环泵的作用下从所述脱氢装置的上端流入、下端流回到所述液态有机储氢材料罐内；
所述预热装置与所述脱氢装置的预热段连接，用于对进入所述述脱氢装置的液态有机储氢材料预热。
2.如权利要求1所述的一种液态有机储氢材料的脱氢供氢系统，其特征在于，所述预热段包括第一流道腔和设置在所述第一流道腔内的微孔结构体，所述催化脱氢段包括第二流道腔和设置在所述第二流道腔内的催化结构体，所述第一流道腔和所述第二流道腔相互连通，所述第一流道腔和所述第二流道腔的侧壁通过绝缘过渡段隔开。
3.如权利要求2所述的一种液态有机储氢材料的脱氢供氢系统，其特征在于，所述第一流道腔为柱形腔，所述微孔结构体位于所述第一流道腔的轴线上，在所述第一流道腔的侧壁上设有与所述第一流道腔连通的凹凸流道；
所述第二流道腔为柱形腔，所述催化结构体位于所述第二流道腔的轴线上，在所述第二流道腔的侧壁上设有与所述第二流道腔连通的凹凸流道。
4.如权利要求2或3所述的一种液态有机储氢材料的脱氢供氢系统，其特征在于，所述第一流道腔和所述第二流道腔同轴设置。
5.如权利要求2所述的一种液态有机储氢材料的脱氢供氢系统，其特征在于，所述催化结构体由微孔导体和沉积在所述微孔导体上的脱氢催化剂构成，所述微孔导体接外部电源，通电后加热脱氢催化剂，进而达到脱氢反应所需温度。
6.如权利要求2或5所述的一种液态有机储氢材料的脱氢供氢系统，其特征在于，所述第二流道腔的侧壁为绝热件，在所述第二流道腔的侧壁上设置有热电偶，用于实时监控催化反应温度并进行温度的闭环控制；工作时，催化反应温度控制在180-200℃之间。
7.如权利要求1所述的一种液态有机储氢材料的脱氢供氢系统，其特征在于，所述液态有机储氢材料罐具有排出口和加注口，在所述液态有机储氢材料罐内部设置有氢含量检测计，用于实时监测所述液态有机储氢材料罐内的氢含量；当氢含量过低时，从所述排出口排出贫氢的液态有机储氢材料，并开启所述加注口注入富氢的液态有机储氢材料。
8.如权利要求1所述的一种液态有机储氢材料的脱氢供氢系统，其特征在于，在所述液态有机储氢材料罐的出口处设置有流量计和阀门；工作时，根据氢气需求量调整所述阀门的开度来控制液态有机储氢材料的流量，所述流量计测到的流量数据实时返回对所述阀门的开度进行闭环控制，进而使所述脱氢装置的氢气产生量与氢气需求量一致。
9.如权利要求1所述的一种液态有机储氢材料的脱氢供氢系统，其特征在于，所述预热装置包括冷却液循环泵和冷却液循环管道，所述冷却液循环管道盘绕于所述预热段上，所述冷却液循环泵设置在所述冷却液循环管道上。
10.如权利要求1所述的一种液态有机储氢材料的脱氢供氢系统，其特征在于，所述预热装置与用氢端散热系统连接，所述预热段的温度控制在65-75℃范围内。
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| 安德列-斯坦科维茨等: "《化工装置的再设计 过程强化》", 国防工业出版社, pages: 221 - 222 * |
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