一種分布式非能動氫安全防護(hù)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種分布式非能動氫安全防護(hù)系統(tǒng)，包括主動氫濃度監(jiān)測系統(tǒng)和被動氫濃度控制系統(tǒng)；被動氫濃度控制系統(tǒng)包括殼體，以及設(shè)置在該殼體內(nèi)、且由下往上依次分布的引氣區(qū)、催化區(qū)和導(dǎo)氣區(qū)；引氣區(qū)采用內(nèi)梯形設(shè)計，用于引入外部氫氣和空氣；催化區(qū)采用Pt或Pd材料作為催化劑，用于實現(xiàn)氫氣與空氣、催化劑混合發(fā)生非能動催化反應(yīng)；導(dǎo)氣區(qū)用于將催化后的剩余空氣和產(chǎn)生的水蒸氣排出；主動氫濃度監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測引入至引氣區(qū)的氫氣濃度，并對進(jìn)入引氣區(qū)的氫氣量進(jìn)行控制。本發(fā)明在氫泄漏、氫燃爆等涉氫事故中，無需人為外加主動控制便可自動和被動地進(jìn)行氫安全防護(hù)，不僅大幅度提高了涉氫場所的安全性，而且可以滿足不同場所的氫安全防護(hù)需求。
【專利說明】
_種分布式非能動氫安全防護(hù)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種防護(hù)系統(tǒng)，具體涉及的是一種分布式非能動氫安全防護(hù)系統(tǒng)及實現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]面對能源危機和能源價格快速上漲的壓力，尋找替代能源的呼聲越來越高，而氫能作為一種高效的清潔能源，引起了世界各國和科研機構(gòu)的高度重視，氫能經(jīng)濟(jì)的概念也由此浮出水面。
[0003]氫能經(jīng)濟(jì)可以理解為以氫能等清潔能源為主的清潔經(jīng)濟(jì)，其是充分利用氫能眾多的優(yōu)越性質(zhì)，以人類需求和市場為目標(biāo)所進(jìn)行的氫能研發(fā)、生產(chǎn)、儲存、運輸、經(jīng)營、管理等經(jīng)濟(jì)活動的總稱。發(fā)展氫能經(jīng)濟(jì)可以部分?jǐn)[脫人類對化石能源的依賴，實現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展。除新興氫能應(yīng)用之外，其它大規(guī)模涉氫場所還包括化工廠、氫實驗室、儲氫和輸送氫管道裝置等、工業(yè)制氫裝置、蓄電池房等。例如，據(jù)統(tǒng)計我國在合成氨工業(yè)中氫的年回收量可達(dá)14億m3，在氯堿工業(yè)中有8700萬m3的氫可供回收利用。此外，在冶金工業(yè)、發(fā)酵制酒廠及丁醇溶劑廠等生產(chǎn)過程中都有大量氫可回收。
[0004]而隨著氫應(yīng)用范圍的逐步擴大，其安全性也成為首要問題。對涉氫場所而言，無論是新興氫能的燃料電池汽車，還是傳統(tǒng)的化工廠，都需將氫安全問題提到首位。這是因為與常規(guī)能源相比，使用氫作為能源，會有不利于安全的屬性，例如:更寬的著火范圍，更低的著火能，更容易泄漏，更高的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，更容易爆炸。因此，氫能系統(tǒng)有不同于常規(guī)能源系統(tǒng)的危險特征，比如易燃、易泄漏、氫脆等。我國在長期的傳統(tǒng)涉氫應(yīng)用中，雖然逐步形成了自己的一套氫安全防護(hù)體系，包括氫相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)、人員培訓(xùn)和防護(hù)、設(shè)備防護(hù)等。但是，這些標(biāo)準(zhǔn)和措施，通常是以人為外加主動控制的手段來應(yīng)對涉氫事故的，并沒有考慮在小概率情況下，人為外加主動控制之前和控制手段執(zhí)行中，涉氫事故狀態(tài)惡化和升級的可能性。并且，由于氫目前的使用范圍不是非常廣，大多數(shù)使用者經(jīng)驗不夠豐富，在使用者的可接受心理上也存在著較大問題。所以，為了新興氫能系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展以及相關(guān)涉氫場所安全等級的提升，有必要對涉氫應(yīng)用的安全技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種分布式非能動氫安全防護(hù)系統(tǒng)，其可實現(xiàn)對涉氫場所的氫泄漏進(jìn)行監(jiān)測和處理，提升涉氫場所的安全等級。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0007]—種分布式非能動氫安全防護(hù)系統(tǒng)，包括主動氫濃度監(jiān)測系統(tǒng)和至少一個的被動氫濃度控制系統(tǒng);所述的被動氫濃度控制系統(tǒng)包括殼體，以及設(shè)置在該殼體內(nèi)、且由下往上依次分布的引氣區(qū)、催化區(qū)和導(dǎo)氣區(qū);所述引氣區(qū)采用內(nèi)梯形設(shè)計，用于引入外部氫氣和空氣;所述催化區(qū)采用Pt或Pd材料作為催化劑，用于實現(xiàn)氫氣與空氣、催化劑混合發(fā)生非能動催化反應(yīng);所述導(dǎo)氣區(qū)用于將催化后的剩余空氣和產(chǎn)生的水蒸氣排出；所述主動氫濃度監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測引入至引氣區(qū)及環(huán)境中的氫氣濃度，并對進(jìn)入引氣區(qū)的氫氣量進(jìn)行控制。
[0008]作為優(yōu)選，所述殼體由304不銹鋼制成。
[0009]進(jìn)一步地，所述引起區(qū)由多孔不銹鋼制成，且其表面孔隙中覆有氧化鋁材料。
[0010]具體地說，所述催化區(qū)分為上下分布的一級催化區(qū)和二級催化區(qū)，其中，一級催化區(qū)與引氣區(qū)連通，二級催化區(qū)與導(dǎo)氣區(qū)連通。
[0011]再進(jìn)一步地，所述一級催化區(qū)和二級催化區(qū)均采用多孔不銹鋼制成，其表面孔隙中采用超聲浸漬法負(fù)載了 Pt或Pd材料。
[0012]具體地說，所述主動氫濃度監(jiān)測系統(tǒng)包括用于監(jiān)測引入至引氣區(qū)及環(huán)境中的氫氣濃度的氫濃度傳感器，與該氫濃度傳感器連接的信號處理模塊，通過毛細(xì)導(dǎo)管與該信號處理模塊連接的毛細(xì)管氫濃度監(jiān)測模塊，與信號處理模塊連接的控制模塊，以及均與該控制模塊連接的氫源控制閥門和通風(fēng)設(shè)備。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0014](I)本發(fā)明設(shè)計合理、使用方便、成本低廉，在氫泄漏、氫燃爆等涉氫事故中，其無需人為外加主動控制，便可自動和被動地進(jìn)行氫安全防護(hù)，尤其是在比較嚴(yán)重的涉氫事故中，人為控制難以施加的時候，被動的氫安全防護(hù)系統(tǒng)可以起到及時減少涉氫場所的氫濃度，降低氫燃爆可能性，保證操作人員和設(shè)備的安全。
[0015](2)本發(fā)明中的殼體采用304不銹鋼制成，可以在進(jìn)行自動催化反應(yīng)的過程中，將熱量及時傳至系統(tǒng)外，從而避免系統(tǒng)內(nèi)部因熱積聚過多而導(dǎo)致局部過熱，進(jìn)而有效降低系統(tǒng)自引爆的可能性。
[0016](3)本發(fā)明可與應(yīng)用場所現(xiàn)有氫氣監(jiān)測報警系統(tǒng)直接兼容，并在無人監(jiān)視和無法人工干預(yù)時，自動進(jìn)行氫氣濃度的降低工作，將涉氫事故初期的風(fēng)險降至最低，大幅度提高涉氫場所的安全性。如此一來，不僅可以在最大程度實現(xiàn)應(yīng)用場所的低成本化，而且也符合了我國現(xiàn)有的氫安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。
[0017](4)本發(fā)明還可在單個被動氫濃度控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行疊加，以滿足不同場所的氫安全防護(hù)需求(例如不同的氫處理量、氫濃度分布要求等)。
[0018](5)本發(fā)明性價比高、實用性強、運行穩(wěn)定可靠，基本可以滿足未來氫能的發(fā)展和現(xiàn)有涉氫場所對氫安全防護(hù)方面的需求，為我國化工行業(yè)和未來清潔能源的發(fā)展提供強有力支持，因此，本發(fā)明具有很高的實用價值和推廣價值。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。
[0020]圖2為本發(fā)明中被動氫濃度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖3為本發(fā)明中主動氫濃度監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]其中，附圖標(biāo)記對應(yīng)的名稱為:
[0023]1-殼體，2-引氣區(qū)，3-催化區(qū)，4-一級催化區(qū)，5-二級催化區(qū)，6-導(dǎo)氣區(qū)，7-氫濃度傳感器，8-信號處理模塊，9-毛細(xì)管氫濃度監(jiān)測模塊，10-控制模塊。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合【附圖說明】和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，本發(fā)明的方式包括但不僅限于以下實施例。
[0025]本發(fā)明提供了非能動式的氫安全防護(hù)系統(tǒng)，可應(yīng)用于涉氫場所(例如化工廠、氫實驗室、氫燃料汽車等)，在發(fā)生涉氫事故時，本發(fā)明通過采用非能動啟動的方式，自動進(jìn)行催化氧化反應(yīng)，可以達(dá)到降低氫濃度的目的。如圖1?3所示，本發(fā)明包括兩大部分，S卩:主動氫濃度監(jiān)測系統(tǒng)和被動氫濃度控制系統(tǒng)。所述的被動氫濃度控制系統(tǒng)可以設(shè)置多個，如圖2所示，每個被動氫濃度控制系統(tǒng)均包括殼體I以及設(shè)置在該殼體I內(nèi)、且由下往上分布的引氣區(qū)2、催化區(qū)3和導(dǎo)氣區(qū)6。所述的引氣區(qū)2用于引入外部氫氣和空氣，其采用了內(nèi)梯形設(shè)計，本實施例中，引氣區(qū)2采用多孔不銹鋼(例如304)制成，且其表面的孔隙中覆有氧化鋁材料。所述的催化區(qū)3分為上下分布的一級催化區(qū)4和二級催化區(qū)5，所述的一級催化區(qū)4與引氣區(qū)2連通，所述的二級催化區(qū)5與導(dǎo)氣區(qū)6連通，并且一級催化區(qū)4和二級催化區(qū)5均采用多孔不銹鋼(例如304或316L)制成，其表面孔隙中采用超聲浸漬法負(fù)載了 Pt或Pd材料。一級催化區(qū)的主要功能是將引氣區(qū)2引入的氫空混合氣，以自動的非能動催化反應(yīng)，將80%以上的氫反應(yīng)去除，生成水蒸氣。二級催化區(qū)用于接收水蒸氣和剩余氫空混合氣，并在較高溫度下，將剩余的氫反應(yīng)去除。所述的導(dǎo)氣區(qū)6則用于將催化后的剩余空氣和產(chǎn)生的水蒸氣排出，實現(xiàn)氫空反應(yīng)流程的完結(jié)，并將氣體以一定的方向排出系統(tǒng)，保證系統(tǒng)內(nèi)部的熱分布和氣流分布的穩(wěn)定性。
[0026]所述主動氫濃度監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測引入至引氣區(qū)及環(huán)境中的氫氣濃度，并對進(jìn)入引氣區(qū)的氫氣量進(jìn)行控制。如圖3所示，所述的主動氫濃度監(jiān)測系統(tǒng)包括用于監(jiān)測引入至引氣區(qū)及環(huán)境中的氫氣濃度的氫濃度傳感器7，與該氫濃度傳感器7連接的信號處理模塊8，通過毛細(xì)導(dǎo)管與該信號處理模塊8連接的毛細(xì)管氫濃度監(jiān)測模塊9，與信號處理模塊8連接的控制模塊10，以及均與該控制模塊10連接的氫源控制閥門和通風(fēng)設(shè)備。
[0027]本發(fā)明的工作流程如下:
[0028]將本發(fā)明布置在涉氫場所。當(dāng)發(fā)生氫泄漏時，由主動氫濃度監(jiān)測系統(tǒng)控制氫氣流量，使氫氣和空氣一同經(jīng)由引氣區(qū)2進(jìn)入到催化區(qū)3的一級催化區(qū)4中。本發(fā)明先進(jìn)行少量的自動非能動催化反應(yīng)，產(chǎn)生一定量的熱能后，再通入大量氫氣和空氣，此時，由于催化反應(yīng)溫度上升(100°C以上)，可以進(jìn)一步加快催化反應(yīng)的速度。反應(yīng)后，生成的水蒸氣和氫空混合氣在二級催化區(qū)5內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)，由于氣體溫度較高，因此二級催化區(qū)內(nèi)的催化反應(yīng)速度較快，可以將剩余氣體中的氫氣濃度最大限度地降至零，最后，剩余空氣和水蒸氣再經(jīng)由導(dǎo)氣區(qū)6排出。本發(fā)明中的殼體I采用304不銹鋼制成，可以在保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時，將熱量傳至系統(tǒng)外，以避免系統(tǒng)內(nèi)部熱積聚過多而導(dǎo)致局部過熱，進(jìn)而降低自引爆的可能性。
[0029]技術(shù)指標(biāo):
[0030]在本發(fā)明中，引氣區(qū)的氫氣啟動濃度小于0.5%，其余為空氣。最大可反應(yīng)氫濃度為27%。催化區(qū)最高工作溫度為500°C，不會點爆氫空混合氣。催化區(qū)的氫反應(yīng)效率大于95%。氫處理量為5L/h/單元，最大可擴展至500L/h。被動氫濃度控制系統(tǒng)的使用壽命為8年，且在正常使用期限內(nèi)不因自身產(chǎn)水而失效并可耐空氣中微量雜質(zhì)氣體毒化。
[0031 ]此外，上述提到，一級催化區(qū)可將80%以上的氫反應(yīng)去除，然后生成的水蒸氣和氫空混合氣在較高溫度下進(jìn)入到二級催化區(qū)，因此，二級催化區(qū)所需的催化劑含量可適當(dāng)降低，并且可以摻雜非貴金屬材料，如N1、Cu等。從而在實現(xiàn)與其它氫反應(yīng)結(jié)構(gòu)相同目標(biāo)的條件下，大幅度降低催化劑材料成本。并且，由于氫分兩級反應(yīng)，對一級和二級催化區(qū)的結(jié)構(gòu)材料的要求也大幅度降低，可以使用耐溫800°C的結(jié)構(gòu)鋼材料，無需使用陶瓷耐溫材料。另外還無需擔(dān)心催化劑在高溫下的燒結(jié)問題，因為二級反應(yīng)的溫度較只采用一步反應(yīng)的溫度大幅度降低，可以使得催化劑的壽命大大提高。
[0032]在上述處理氫泄漏的過程中，主動氫濃度監(jiān)測系統(tǒng)對被動氫濃度控制系統(tǒng)及涉氫場所的氫濃度進(jìn)行實時監(jiān)測，具體為:氫濃度傳感器7實時采集氫濃度數(shù)據(jù)，然后傳輸至信號處理模塊8中進(jìn)行處理，處理后再傳輸至控制模塊10進(jìn)行分析，然后對涉氫場所的氫源控制閥門和通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制，以降低氫泄漏燃爆的危險。此外，在涉氫場所發(fā)生燃爆等嚴(yán)重事故時，由于涉氫場所內(nèi)部溫度過高，無法進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測，因此，涉氫場所含氫氣氛還可通過本發(fā)明中的毛細(xì)導(dǎo)管導(dǎo)至外部，然后再在環(huán)境外部由毛細(xì)管氫濃度監(jiān)測模塊9對含氫氣氛繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測。
[0033]另外，本發(fā)明還可以和現(xiàn)有的主動人工干涉控制結(jié)合，進(jìn)一步提高目前氫安全防護(hù)的水平，例如將氫氣監(jiān)測報警裝置和本發(fā)明結(jié)合，可以在少量氫發(fā)生泄漏時即開始自動控制現(xiàn)場氫濃度至爆炸限以下，同時在遠(yuǎn)離現(xiàn)場場所關(guān)閉氫源和開啟場外通排風(fēng)，并在氫濃度達(dá)到爆炸下限以下時，再采取人工手動或電動自動干涉如關(guān)閉現(xiàn)場閥門、開啟現(xiàn)場通排風(fēng)等措施，進(jìn)一步減低氫濃度和關(guān)閉氫事故源頭。在人工主動措施發(fā)揮作用時，本發(fā)明還可以繼續(xù)在現(xiàn)場諸如死角等部位降低氫濃度，輔助主動措施，從而達(dá)到更好的氫安全防護(hù)效果。因此，本發(fā)明可以填補涉氫事故中氫泄漏后、人工控制之前的干預(yù)空白，從而在涉氫事故初期即可自動作出安全的防護(hù)控制，為后續(xù)的人工控制贏得時間，如此也可以降低需要的人工干預(yù)等級。
[0034]因此，本發(fā)明可以兼容接入目前的主動監(jiān)測、報警和控制系統(tǒng)，無需太多額外的系統(tǒng)更改成本。隨著國際上已經(jīng)開始對傳統(tǒng)涉氫應(yīng)用和未來新興氫能應(yīng)用的被動氫安全防護(hù)技術(shù)開發(fā)，我國若能在此被動式氫安全防護(hù)技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，既可在此方面走在世界前列，也可對目前愈來愈多的涉氫場所進(jìn)行更高等級的氫氣安全防護(hù)。因此，本發(fā)明的設(shè)計研發(fā)，既有技術(shù)前瞻性，也具備了現(xiàn)實的意義。
[0035]上述實施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式之一，不應(yīng)當(dāng)用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的主體設(shè)計思想和精神上作出的毫無實質(zhì)意義的改動或潤色，其所解決的技術(shù)問題仍然與本發(fā)明一致的，均應(yīng)當(dāng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種分布式非能動氫安全防護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，包括主動氫濃度監(jiān)測系統(tǒng)和至少一個的被動氫濃度控制系統(tǒng);所述的被動氫濃度控制系統(tǒng)包括殼體(I )，以及設(shè)置在該殼體(I)內(nèi)、且由下往上依次分布的引氣區(qū)(2)、催化區(qū)(3)和導(dǎo)氣區(qū)(6);所述引氣區(qū)(2)采用內(nèi)梯形設(shè)計，用于引入外部氫氣和空氣；所述催化區(qū)(3)采用Pt或Pd材料作為催化劑，用于實現(xiàn)氫氣與空氣、催化劑混合發(fā)生非能動催化反應(yīng);所述導(dǎo)氣區(qū)(6)用于將催化后的剩余空氣和產(chǎn)生的水蒸氣排出；所述主動氫濃度監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測引入至引氣區(qū)及環(huán)境中的氫氣濃度，并對進(jìn)入引氣區(qū)的氫氣量進(jìn)行控制。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分布式非能動氫安全防護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，所述殼體(1)由304不銹鋼制成。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種分布式非能動氫安全防護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，所述引起區(qū)(2)由多孔不銹鋼制成，且其表面孔隙中覆有氧化鋁材料。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種分布式非能動氫安全防護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，所述催化區(qū)(3)分為上下分布的一級催化區(qū)(4)和二級催化區(qū)(5)，其中，一級催化區(qū)(4)與引氣區(qū)(2)連通，二級催化區(qū)(5)與導(dǎo)氣區(qū)(6)連通。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種分布式非能動氫安全防護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，所述一級催化區(qū)(4)和二級催化區(qū)(5)均采用多孔不銹鋼制成，其表面孔隙中采用超聲浸漬法負(fù)載了 Pt或Pd材料。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種分布式非能動氫安全防護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，所述主動氫濃度監(jiān)測系統(tǒng)包括用于監(jiān)測引入至引氣區(qū)及環(huán)境中的氫氣濃度的氫濃度傳感器(7)，與該氫濃度傳感器(7)連接的信號處理模塊(8)，通過毛細(xì)導(dǎo)管與該信號處理模塊(8)連接的毛細(xì)管氫濃度監(jiān)測模塊(9)，與信號處理模塊(8)連接的控制模塊(10)，以及均與該控制模塊(10)連接的氫源控制閥門和通風(fēng)設(shè)備。
【文檔編號】G05D11/13GK106094908SQ201610414891
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月14日 公開號201610414891.4, CN 106094908 A, CN 106094908A, CN 201610414891, CN-A-106094908, CN106094908 A, CN106094908A, CN201610414891, CN201610414891.4
【發(fā)明人】曹偉, 付軍, 陳杰, 高博, 張志強, 陳治江, 袁登鵬
【申請人】中國工程物理研究院材料研究所