一種用于液態(tài)氫源材料脫氫反應(yīng)設(shè)備穩(wěn)定提供氫氣的控制系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于化工設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及一種用于液態(tài)氫源材料脫氫反應(yīng)設(shè)備穩(wěn)定提供氫氣的控制系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)展新能源以替代或部分替代不可再生的化石燃料是本世紀人類面臨的最大挑戰(zhàn)之一。在國務(wù)院去年頒布的《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中，以氫能燃料電池為代表的新能源和新能源汽車作為重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)方向被分別單獨列出，并提出了明確的發(fā)展目標和發(fā)展路線。氫能由于原料來源廣泛、無污染且能量轉(zhuǎn)換效率高，是解決未來清潔能源需求問題的首選新能源技術(shù)。
[0003]氫能技術(shù)包括氫的規(guī)模制備、儲存和運輸、高效率使用以及配套基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)等環(huán)節(jié)，其中儲存和運輸，是安全有效的利用氫能是最關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，工業(yè)上主要采用在_253°C的液化氫或350?700個大氣壓下高壓氫等儲運技術(shù)，高壓氫或液化氫技術(shù)及其應(yīng)用所需能耗是制氫成本的20倍以上，且存在泄漏或儲氫罐壓力過高等安全隱患。如果能夠?qū)浞肿游皆谀撤N載體上，實現(xiàn)常溫常壓下的安全儲存，待使用時，能將氫在溫和條件下，可控的釋放，則可有效地，安全使用氫能。因此，全球主要的工業(yè)國家都在研發(fā)基于常溫常壓的液態(tài)有機儲氫技術(shù)。以德國為例，開發(fā)的液態(tài)有機儲氫技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)較溫和條件下的吸/放氫循環(huán)，但釋放的氫氣時含有毒害燃料電池的副產(chǎn)物氣體產(chǎn)生，同時容量低及使用不方便等重要缺陷；日本目前正在研發(fā)基于甲苯等傳統(tǒng)有機材料的儲氫技術(shù)，但脫氫溫度過高(大于300°C)，且同樣存在副產(chǎn)物毒化燃料電池的問題。因而這兩種儲氫技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用受到制約。
[0004]目前，全球主要的工業(yè)國家都在研發(fā)基于常溫常壓的液態(tài)有機儲氫材料。德國開發(fā)的液態(tài)有機儲氫材料能夠?qū)崿F(xiàn)較溫和條件下的吸/放氫循環(huán)，但存在儲氫材料釋放的氫氣含有毒害燃料電池的氣體及使用不方便等重要缺陷；日本目前正在研發(fā)基于對甲基苯等傳統(tǒng)有機材料的儲氫技術(shù)，但脫氫溫度過高(大于300°C )，且同樣存在副產(chǎn)物毒化燃料電池的問題，因而無法實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。
[0005]發(fā)明者通過長期的探索和研宄，發(fā)現(xiàn)了一類液態(tài)有機共軛分子儲氫材料，此類材料具有熔點低(目前開發(fā)的技術(shù)已低至_20°C )、閃點高(150°C以上)、并在自制高效催化劑作用下，釋放氣體純度高(99.99% )、脫氫溫度低(約150°C )等特點，且循環(huán)壽命高(2000次以上)、可逆性強，并且不產(chǎn)生一氧化碳等毒害燃料電池的氣體。作為氫的載體，這類材料在使用過程中始終以液態(tài)方式存在，可以像石油一樣在常溫常壓下儲存和運輸，完全可利用現(xiàn)有汽油輸送方式和加油站構(gòu)架。
[0006]但如何能控制液態(tài)氫源材料釋放的氫氣能保證氫利用裝置的平穩(wěn)運用還是一個亟需解決的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種用于液態(tài)氫源材料脫氫反應(yīng)設(shè)備穩(wěn)定提供氫氣的控制系統(tǒng)，以及采用上述系統(tǒng)控制液態(tài)氫源材料脫氫反應(yīng)設(shè)備穩(wěn)定提供氫氣的方法。
[0008]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種用于液態(tài)氫源材料脫氫反應(yīng)設(shè)備穩(wěn)定提供氫氣的控制系統(tǒng)，反應(yīng)設(shè)備包括儲存液態(tài)氫源材料和液態(tài)儲氫載體的儲料箱、填充有脫氫催化劑對液態(tài)氫源材料進行脫氫反應(yīng)的脫氫反應(yīng)器、對脫氫反應(yīng)器進行加熱的加熱裝置、對脫氫產(chǎn)物進行分離的氣液分離器和氫利用裝置，該反應(yīng)設(shè)備控制系統(tǒng)包括:
緩沖罐，用于儲存脫氫反應(yīng)器產(chǎn)生的氫氣；
第一壓力傳感器，用于檢測脫氫反應(yīng)器壓力；
第二壓力傳感器，用于檢測緩沖罐壓力；
液位計，用于檢測氣液分離器內(nèi)液面位置；
控制器，用于采集所述第一、第二壓力傳感器以及液位計的信號并在滿足根據(jù)預(yù)先設(shè)定條件時發(fā)送控制信號，所述控制信號用于控制反應(yīng)設(shè)備中原料和反應(yīng)產(chǎn)物的流量以及脫氫反應(yīng)的啟停。
[0009]所述控制器控制反應(yīng)設(shè)備中原料和反應(yīng)產(chǎn)物的流量以及脫氫反應(yīng)的啟停是通過控制設(shè)置在儲料箱和預(yù)熱器管線上的輸入泵、設(shè)置在氣液分離器氣體出口的氫氣增壓泵、設(shè)置在氣液分離器液體出口的第一閥門、加熱裝置的啟停。
[0010]所述控制器控制輸入泵、氫氣增壓泵、第一閥門、加熱裝置啟停的具體為:在正常運行時，第二壓力傳感器檢測到緩沖罐的壓力低于第一設(shè)定值時，控制器控制輸入泵，提高液態(tài)氫源材料輸送到脫氫反應(yīng)器的流量，液態(tài)氫源材料在脫氫反應(yīng)器里進行脫氫反應(yīng)，提高氫氣產(chǎn)生速度以提高緩沖罐壓力；同時第一壓力傳感器檢測到脫氫反應(yīng)器的壓力高于設(shè)定值時，控制器控制啟動氫氣增壓泵，使反應(yīng)器內(nèi)部壓力低于設(shè)定壓力；第二壓力傳感器檢測緩沖罐內(nèi)的壓力高于第二設(shè)定值時，控制器控制關(guān)閉輸入泵和脫氫反應(yīng)器外部的加熱裝置使脫氫反應(yīng)器停止工作；液位計檢測到氣液分離器內(nèi)液面位置高于設(shè)定值時，控制器控制打開第一閥門，讓氣液分離器內(nèi)的液態(tài)儲氫載體流入儲料箱。
[0011]在所述儲料箱和脫氫反應(yīng)器之間設(shè)置有對液態(tài)氫源材料進行預(yù)熱的預(yù)熱器。
[0012]還包括設(shè)置在緩沖罐和氫利用裝置之間的穩(wěn)壓閥和第二閥門。
[0013]所述氫利用裝置為氫燃料電池或氫內(nèi)燃機或其他可以將氫能轉(zhuǎn)化為其他能量形式的裝置。
[0014]所述控制器為PLC、單片機或DCS。
[0015]一種控制液態(tài)氫源材料脫氫設(shè)備穩(wěn)定提供氫氣的方法，包括以下步驟:
(1)在正常運行時，第二壓力傳感器檢測到緩沖罐的壓力低于第一設(shè)定值時，控制器控制輸入泵，提高液態(tài)氫源材料輸送到脫氫反應(yīng)器的流量，液態(tài)氫源材料在脫氫反應(yīng)器里進tx脫氛反應(yīng)，提尚氛氣廣生速度以提尚緩沖鍾壓力；
(2)第一壓力傳感器檢測到脫氫反應(yīng)器的壓力高于設(shè)定值時，控制器控制啟動氫氣增壓泵，使反應(yīng)器內(nèi)部壓力低于設(shè)定壓力；
(3)第二壓力傳感器檢測緩沖罐內(nèi)的壓力高于第二設(shè)定值時，控制器控制關(guān)閉輸入泵和脫氫反應(yīng)器外部的加熱裝置使脫氫反應(yīng)器停止工作； (4)液位計檢測到氣液分離器內(nèi)液面位置高于設(shè)定值時，控制器控制打開第一閥門，讓氣液分離器內(nèi)的液態(tài)儲氫載體流入儲料箱。
[0016]所述液態(tài)氫源材料進入脫氫反應(yīng)器前在預(yù)熱器中被預(yù)熱。
[0017]反應(yīng)器產(chǎn)生的氫氣通過氫氣增壓泵輸送到緩沖罐，氫氣增壓泵可以使脫氫反應(yīng)器保持常壓甚至微負壓，有效的提高脫氫效率，并解決了反應(yīng)器不耐壓問題，拓寬了反應(yīng)器的選材，甚至可以選擇鑄鋁，石英玻璃反應(yīng)器等。反應(yīng)器中安裝第一壓力傳感器:一旦反應(yīng)器內(nèi)壓力達到某一設(shè)定值，即可通過控制器啟動氫氣增壓泵，使反應(yīng)器內(nèi)壓力保持穩(wěn)定。
[0018]采用緩沖罐以及穩(wěn)壓閥可以使供給氫利用裝置的氫氣更加穩(wěn)定。在氫利用裝置啟動時，可以直接將緩沖罐內(nèi)的氫氣送至氫利用裝置，其中氫利用裝置產(chǎn)生的電能使系統(tǒng)持續(xù)運行和輸出。在關(guān)閉系統(tǒng)時，脫氫反應(yīng)會減慢最終停止，該段時間內(nèi)產(chǎn)生的氫氣可以通過氫氣增壓泵輸入緩沖罐內(nèi)，作為下次啟動用。
[0019]控制器采集緩沖罐中設(shè)置的第二壓力傳感器信號，然后根據(jù)緩沖罐內(nèi)的壓力來調(diào)節(jié)輸入閥的流量和加熱裝置的啟停。一旦緩沖罐內(nèi)壓力高于第二設(shè)定值，即停止給脫氫反應(yīng)器加熱，關(guān)閉輸入泵，來減少氫氣的產(chǎn)生量。一旦緩沖罐內(nèi)壓力低至第一設(shè)定值，即提高輸入的流量，來產(chǎn)生更多的氫氣。
[0020]在液態(tài)氫源材料進入脫氫反應(yīng)器進行脫氫反應(yīng)前，可以先進行預(yù)熱，以提高脫氫效率。
[0021]采用本方案的控制系統(tǒng)及方法，可以有效地控制液態(tài)氫源材料釋放的氫氣的啟停，并保證氫利用裝置的平穩(wěn)運用。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明控制裝置具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合具體的附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0024]液態(tài)儲氫載體是一種可在常溫常壓下呈現(xiàn)液態(tài)的儲氫體系，包括至少兩種不同的儲氫組分，儲氫組分為不飽和芳香烴或雜環(huán)不飽和化合物，且至少一種儲氫組分為低熔點化合物，低熔點化合物的熔點低于80°C。
[0025]進一步地，儲氫組分選自雜環(huán)不飽和化合物，雜環(huán)不飽和化合物中的雜原子為N、S、0及P中的一種或多種。
[0026]進一步地，雜環(huán)不飽和化合物中雜環(huán)和芳環(huán)的總數(shù)為I?20，雜原子的總數(shù)為I?
20 ο
[0027]進一步地，相對于液態(tài)儲氫體系的總質(zhì)量而言，低熔點化合物的質(zhì)量分數(shù)為5?95%。
[0028]進一步地，液態(tài)儲氫體系還包括加氫添加劑，加氫添加劑為極性溶劑和/或非極性溶劑。
[0029]進一步地，相對于每克儲氫組分而言，加氫添加劑的加入量為0.1?10mL。
[0030]進一步地，不同的儲氫組分分別選自苯、甲苯、