CN107285278B - 一种能量梯级式利用的氢气热压缩*** - Google Patents

一种能量梯级式利用的氢气热压缩*** Download PDF

Info

Publication number
CN107285278B
CN107285278B CN201710412570.5A CN201710412570A CN107285278B CN 107285278 B CN107285278 B CN 107285278B CN 201710412570 A CN201710412570 A CN 201710412570A CN 107285278 B CN107285278 B CN 107285278B
Authority
CN
China
Prior art keywords
hydrogen
grade
heat
heat exchange
reaction bed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710412570.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107285278A (zh
Inventor
贾会平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shijiazhuang Xinhua Energy Environmental Protection Technology Co Ltd
Original Assignee
Shijiazhuang Xinhua Energy Environmental Protection Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shijiazhuang Xinhua Energy Environmental Protection Technology Co Ltd filed Critical Shijiazhuang Xinhua Energy Environmental Protection Technology Co Ltd
Priority to CN201710412570.5A priority Critical patent/CN107285278B/zh
Publication of CN107285278A publication Critical patent/CN107285278A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107285278B publication Critical patent/CN107285278B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/508—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by selective and reversible uptake by an appropriate medium, i.e. the uptake being based on physical or chemical sorption phenomena or on reversible chemical reactions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/0005—Reversible uptake of hydrogen by an appropriate medium, i.e. based on physical or chemical sorption phenomena or on reversible chemical reactions, e.g. for hydrogen storage purposes ; Reversible gettering of hydrogen; Reversible uptake of hydrogen by electrodes
    • C01B3/001—Reversible uptake of hydrogen by an appropriate medium, i.e. based on physical or chemical sorption phenomena or on reversible chemical reactions, e.g. for hydrogen storage purposes ; Reversible gettering of hydrogen; Reversible uptake of hydrogen by electrodes characterised by the uptaking medium; Treatment thereof
    • C01B3/0031—Intermetallic compounds; Metal alloys; Treatment thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/04—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of inorganic compounds, e.g. ammonia
    • C01B3/042—Decomposition of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/068—Ammonia synthesis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0833—Heating by indirect heat exchange with hot fluids, other than combustion gases, product gases or non-combustive exothermic reaction product gases
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Sorption Type Refrigeration Machines (AREA)

Abstract

本发明能量梯级式利用的氢气热压缩***，包括1～100级处于不同工作温度区间的氢气热压缩机和高压氢气总管，氢气热压缩机设有低压氢气入口、高压氢气出口和1～100个金属氢化物反应床。低压氢气入口与低压氢气管路连接，高压氢气出口通过高压氢气管路与高压氢气总管连接。外部热源通过外部加热管路按工作温度区间从高到低依次通过多级氢气热压缩机。相邻两级氢气热压缩机之间设有级间换热管路，每级氢气热压缩机内部设有级内换热管路。本发明充分利用金属氢化物氢气热压缩机反应床吸氢时放出的反应热及降温操作时放出的显热，提高了氢气热压缩机的热效率，增加了余热利用的范围和选择性。

Description

一种能量梯级式利用的氢气热压缩***
技术领域
本发明属于动力设备技术领域，涉及一种氢气压缩***，具体涉及一种梯级式利用氢气热压缩***。
背景技术
当今世界尚处在以石油、天然气和煤炭为主导能源的化石能源经济时代，这个化石能源经济时代必将结束，一场空前的新能源革命已经开始。取代化石能源经济的新能源经济，或者说后石油时代的新能源经济将是“氢能源经济”、“低碳经济”及其核能、太阳能、风能、水能、生物质能、地热等多元化能源现代化利用相辅相成的新能源经济。
氢能源是未来的能源主体，氢能源汽车、氢燃料电池日渐进入人们的生活当中。氢能源在内燃机车、火箭、汽车、船舶、交通工具以及以氢为动力的燃料电池等方面有着广泛的应用前景。随着氢能源时代即将到来，氢能源汽车逐步推广使用，环保节能的金属氢化物热压缩成为近年世界范围的压缩***研究的热点。现有技术的氢压缩***多为两级压缩，压缩效率低，不能满足氢能源汽车及其它动力设备的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种能量梯级式利用的氢气热压缩***，充分利用金属氢化物氢气热压缩机反应床吸氢时放出的反应热以及降温操作时放出的显热，提高氢气热压缩机的热效率。
本发明的技术方案是：能量梯级式利用的氢气热压缩***，包括1～100级处于不同工作温度区间的氢气热压缩机和高压氢气总管，氢气热压缩机设有低压氢气入口、高压氢气出口和1～100个金属氢化物反应床。低压氢气入口与低压氢气管路连接，高压氢气出口通过高压氢气管路与高压氢气总管连接。一级氢气热压缩机与外部热源连接，下一级氢气热压缩机通过热源梯级利用管路与上一级氢气热压缩机连接。氢气热压缩机内部设有级内换热管路和级间换热管路，同级氢气热压缩机内金属氢化物反应床之间通过级内换热管路连接，两级氢气热压缩机之间通过级间换热管路连接。高压氢气总管分别与外供氢气管路、膨胀做功动力输出管路和膨胀做功发电管路连接。
金属氢化物反应床设有级间换热入口和级间换热出口，级间换热管路包括级间加热回路和级间冷却回路。级间换热入口和级间换热出口通过三通阀切换连通到级间加热回路或级间冷却回路，级间加热回路与上一级级间冷却回路连通，级间冷却回路与下一级级间加热回路连通氢气热压缩机设有级内换热加热管路、级内换热冷却管路、氢气循环泵和三通阀，金属氢化物反应床设有反应床入口、反应床出口、氢气入口、氢气出口、级内换热入口、级内换热出口。氢气入口和级内换热入口通过三通阀与反应床入口连接，反应床出口通过三通阀与氢气出口和级内换热出口连接。级内换热出口通过三通阀、级内换热冷却管路和氢气循环泵连接到反应床入口。
氢气热压缩***设有合成氨及尿素生产装置、膨胀机、发电机和电解水制氢机。合成氨及尿素生产装置通过外部热源管路与一级氢气热压缩机连接，合成氨及尿素生产装置的低压氢气管网通过低压氢气管路连接到一级氢气热压缩机的低压氢气入口。高压氢气总管通过外供氢气管路与合成氨及尿素生产装置高压氢气管网连接，通过膨胀做功动力输出管路与膨胀机连接，膨胀机的乏汽出口连接到一级氢气热压缩机的低压氢气入口。膨胀机与发电机轴连接，发电机与电解水制氢机电路连接。
氢气热压缩***的多级氢气热压缩机处于不同工作温度区间，金属氢化物反应床内填装金属储氢材料，金属储氢材料能在较低温度下吸收较低压力的氢气同时放出反应热，在较高温度下吸收反应热同时放出较高压力的氢气，实现氢气的压缩。不同级的氢气热压缩机的金属氢化物反应床内装载的金属储氢材料不同，上一级氢气热压缩机内金属储氢材料的吸氢温度高于或等于下一级氢气热压缩机内的金属储氢材料的放氢温度，下一级氢热压缩机金属氢化物反应床放氢时所需要的热量由上一级氢热压缩机金属氢化物反应床吸氢时放出的反应热来部分或全部提供。金属氢化物反应床所用储氢材料包括但不限于稀土类及钙系合金、Ti、Zr系合金、钛系合金、镁系合金或钒系合金。***的一种应用形式是与金属氢化物储氢***联产，金属氢化物储氢***包括但不限于镁系金属氢化物储氢***。金属氢化物储氢***吸氢时放出的余热供给本发明的氢气热压缩***使用，产生的高压氢气直接外供或经膨胀机做功作为动力输出或发电使用或者高压氢气经过膨胀机做功发电，产生的电力用于电解制氢装置生产更多的氢气。
氢气热压缩机的金属氢化物反应床设有加热线圈。级间换热入口和级间换热出口可通过三通阀的切换，分别与级间加热回路或级间冷却回路连通。换热介质为氢气、水、导热油或其他换热介质的一种或多种组合。每级氢气热压缩机设有级内换热***，级内换热***包括级内换热加热管路、级内换热循环泵和级内换热冷却管路。级内换热入口可通过三通阀的切换，分别连接到级内换热冷却管路和级内换热加热管路，级内换热出口也可通过三通阀的切换，分别连接到级内换热冷却管路和级内换热加热管路，级内换热冷却管路上设有氢气循环泵。
能量梯级式利用的氢气热压缩***的压缩过程分为六个阶段：
阶段一为级间换热冷却过程，关闭金属氢化物压缩机反应床的压缩机反应床入口和压缩机反应床出口，打开级间换热入口和级间换热出口并通过三通阀切换连通到级间冷却回路，与下一级氢气压缩机换热，将金属氢化物压缩机反应床冷却到吸氢温度；
阶段二为吸氢过程，打开压缩机反应床入口并切换连通到氢气进口，吸收低压氢气，吸氢放出的热量通过级间冷却回路传递给下一级氢气热压缩机，供其放氢时所需反应热使用；
阶段三为级内换热升温过程，吸氢达到预定时间后，级间换热入口和级间换热出口关闭，压缩机反应床入口切换连通到级内换热入口，级内换热入口通过级内换热加热管路与另一个处于级内换热降温过程的压缩机反应床的级内换热出口连通，并打开压缩机反应床出口切换连通到级内换热出口，级内换热出口通过级内换热冷却管路与处于级内换热降温过程的压缩机反应床的级内换热入口连通，同时通过氢气循环泵使氢气在两个压缩机反应床之间循环流动进行换热；
阶段四为级间换热加热过程，压缩机反应床通过级内换热升至一定温度后，压缩机反应床入口和出口关闭，打开级间换热入口和级间换热出口并切换连通到级间加热回路，与上一级氢气压缩机换热，将金属氢化物压缩机反应床加热到放氢温度；
阶段五为放氢过程，金属氢化物压缩机反应床加热到放氢温度后，压缩机反应床出口打开并切换连通到中间罐，放出高压氢气；放氢过程中所需反应热，通过级间加热回路由上一级氢气热压缩机吸氢时放出的反应热供给；
阶段六为级内换热降温过程，压缩机反应床出口切换连通到级内换热出口，级内换热出口通过级内换热加热管路与另一个处于级内换热升温过程的压缩机反应床的级内换热入口连通，打开压缩机反应床入口并切换连通到级内换热入口，通过级内换热冷却管路与处于级内换热升温过程的压缩机反应床的级内换热出口连通，并通过氢气循环泵使氢气在两个压缩机反应床之间循环流动进行换热，充分换热后重新进入到阶段一的工作过程，如此重复。氢气热压缩***设有储氢材料卸装装置，储氢材料卸装装置包括分离罐、缓冲罐、高温仓、低温仓、真空罐、氢气压缩机、供料器、高压氢气罐和加注枪。加注枪与金属氢化物反应床的加注口连接。加注枪设有氢气口和金属氢化物口，高温仓和低温仓分别设有1～50个隔舱。加注枪的金属氢化物口通过添加-抽料共用管路连接到分离罐，分离罐的气体出口通过缓冲罐连接到真空罐，分离罐的固体出口连接到高温仓和低温仓。高温仓和低温仓分别通过供料器和添加-抽料共用管路连接到加注枪的金属氢化物口。真空罐通过压缩机连接到高压氢气罐，真空罐与高压氢气罐之间设有旁路。高压氢气罐出口分为三路，一路连接到分离罐，一路连接到供料器，一路连接到加注枪的氢气口。高压氢气罐为两台，一用一备。增设储氢材料卸装装置能实现级间或级内任意两个金属氢化物压缩机反应床之间储氢材料的相互倒换，以辅助换热的充分进行。
本发明能量梯级式利用的氢气热压缩***，通过设置多级处于不同工作温度的氢气热压缩机，每级氢热压缩机设置有多组交替工作的金属氢化物氢气热压缩机反应床，级间和级内设置换热***，充分利用金属氢化物氢气热压缩机反应床吸氢时放出的反应热以及降温操作时放出的显热，提高了氢气热压缩机的热效率。本发明能在外界热源的加热下高效地将低压氢气压缩至高压，外界热源可以是高温烟气和太阳能等各种余热，增加了余热利用的范围和选择性。
附图说明
图1为本发明能量梯级式利用的氢气热压缩***的流程示意图
图2 为氢气热压缩机级间换热管路示意图；
图3为氢气热压缩机级内换热管路示意图；
图4为带有膨胀做功发电的能量梯级式利用的氢气热压缩***流程；
图5为储氢材料卸装装置的流程示意图。
其中：1—热源梯级利用管路、2—一级氢气热压缩机、3—级内换热管路、4—金属氢化物反应床、5—高压氢气管路、6—级间换热管路、7—低压氢气管路、9—氢气热压缩机、10—三级氢气热压缩机、11—六级氢气热压缩机、12—外供氢气管路、13—膨胀做功动力输出管路、14—膨胀做功发电管路、15—高压氢气总管、16—反应床出口、17—三通阀、18—氢气出口、19—反应床入口、20—氢气入口、21—级内换热入口、22—级内换热加热管路、23—级内换热冷却管路、24—氢气循环泵、25—级内换热出口、26—级间换热入口、27—膨胀机、28—发电机、29—电解水制氢机、30—合成氨及尿素生产装置、31—级间换热出口、32—上一级级间冷却回路、33—加热线圈、34—下一级级间加热回路、37—级间加热回路、38—级间冷却回路、39—十级氢气热压缩机、40—氢气进-出气管路、41—加注枪、42—分离罐、43—缓冲罐、44—高温仓、45—添加-抽料共用管路、46—真空罐、47—氢气压缩机、48—供料器、49—高压氢气罐、50—低温仓、100—氢气热压缩***。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明能量梯级式利用的氢气热压缩***如图1所示，包括六级氢气热压缩机和高压氢气总管15，氢气热压缩机设有低压氢气入口和高压氢气出口，如图2、图3所示，每台氢气热压缩机设有6台金属氢化物反应床4。低压氢气入口与低压氢气管路7连接，高压氢气出口通过高压氢气管路5与高压氢气总管连接。一级氢气热压缩机2通过热源梯级利用管路1与外部热源连接，一级氢气热压缩机通过热源梯级利用管路1与二级氢气热压缩机连接，二级氢气热压缩机通过热源梯级利用管路与三级氢气热压缩机连接，以此类推连接到六级氢气热压缩机11。氢气热压缩机设有级内换热管路3和级间换热管路6，同级氢气热压缩机内金属氢化物反应床之间通过级内换热管路连接，两级氢气热压缩机之间通过级间换热管路6连接。高压氢气总管分别与外供氢气管路12、膨胀做功动力输出管路13和膨胀做功发电管路14连接。如图2所示，金属氢化物反应床设有级间换热入口26和级间换热出口31，级间换热管路6包括级间加热回路37和级间冷却回路38。级间换热入口通过三通阀和级间加热回路与上一级级间冷却回路32连通，级间换热出口通过三通阀和级间冷却回路与下一级级间加热回路34连通。如图3所示，氢气热压缩机设有级内换热加热管路22、级内换热冷却管路23、氢气循环泵24和三通阀17，金属氢化物反应床4设有反应床入口19、反应床出口16、氢气入口20、氢气出口18、级内换热入口21、级内换热出口25。氢气入口和级内换热入口通过三通阀与反应床入口连接，反应床出口通过三通阀与氢气出口和级内换热出口连接。级内换热出口通过三通阀、级内换热冷却管路和氢气循环泵连接到反应床入口。氢气热压缩机的金属氢化物反应床4设有加热线圈33。
本发明能量梯级式利用的氢气热压缩***的多级氢气热压缩机处于不同工作温度，金属氢化物反应床4内填装金属储氢材料，储氢材料为镁系合金或钒系合金。金属储氢材料能在较低温度下吸收较低压力的氢气同时放出反应热，在较高温度下吸收反应热同时放出较高压力的氢气，实现氢气的压缩。不同级的氢气热压缩机的金属氢化物反应床内装载的金属储氢材料不同，上一级氢气热压缩机内金属储氢材料的吸氢温度高于或等于下一级氢气热压缩机内的金属储氢材料的放氢温度，下一级氢热压缩机金属氢化物反应床放氢时所需要的热量由上一级氢热压缩机金属氢化物反应床吸氢时放出的反应热来部分或全部提供。级间换热入口和级间换热出口可通过三通阀的切换，分别与级间加热回路或级间冷却回路连通。换热介质为氢气、水、导热油或其他换热介质的一种或多种组合。每级氢气热压缩机设有级内换热***，级内换热***包括级内换热加热管路、级内换热循环泵和级内换热冷却管路；级内换热入口可通过三通阀的切换，分别连接到级内换热冷却管路和级内换热加热管路，级内换热出口也可通过三通阀的切换，分别连接到级内换热冷却管路和级内换热加热管路，级内换热冷却管路上设有氢气循环泵。
能量梯级式利用的氢气热压缩***的压缩过程分为六个阶段：
阶段一为级间换热冷却过程，关闭金属氢化物压缩机反应床的压缩机反应床入口和压缩机反应床出口，打开级间换热入口和级间换热出口并通过三通阀切换连通到级间冷却回路，与下一级氢气压缩机换热，将金属氢化物压缩机反应床冷却到吸氢温度；
阶段二为吸氢过程，打开压缩机反应床入口并切换连通到氢气进口，吸收低压氢气，吸氢放出的热量通过级间冷却回路传递给下一级氢气热压缩机，供其放氢时所需反应热使用；
阶段三为级内换热升温过程，吸氢达到预定时间后，级间换热入口和级间换热出口关闭，压缩机反应床入口切换连通到级内换热入口，级内换热入口通过级内换热加热管路与另一个处于级内换热降温过程的压缩机反应床的级内换热出口连通，并打开压缩机反应床出口切换连通到级内换热出口，级内换热出口通过级内换热冷却管路与处于级内换热降温过程的压缩机反应床的级内换热入口连通，同时通过氢气循环泵使氢气在两个压缩机反应床之间循环流动进行换热；
阶段四为级间换热加热过程，压缩机反应床通过级内换热升至一定温度后，压缩机反应床入口和出口关闭，打开级间换热入口和级间换热出口并切换连通到级间加热回路，与上一级氢气压缩机换热，将金属氢化物压缩机反应床加热到放氢温度；
阶段五为放氢过程，金属氢化物压缩机反应床加热到放氢温度后，压缩机反应床出口打开并切换连通到中间罐，放出高压氢气；放氢过程中所需反应热，通过级间加热回路由上一级氢气热压缩机吸氢时放出的反应热供给；
阶段六为级内换热降温过程，压缩机反应床出口切换连通到级内换热出口，级内换热出口通过级内换热加热管路与另一个处于级内换热升温过程的压缩机反应床的级内换热入口连通，打开压缩机反应床入口并切换连通到级内换热入口，通过级内换热冷却管路与处于级内换热升温过程的压缩机反应床的级内换热出口连通，并通过氢气循环泵使氢气在两个压缩机反应床之间循环流动进行换热，充分换热后重新进入到阶段一的工作过程，如此重复。
实施例2
本发明另一实施方式如图4所示，氢气热压缩***100、合成氨及尿素生产装置30、膨胀机27、发电机28和电解水制氢机29，氢气热压缩***包括十级氢气热压缩机和高压氢气总管15，氢气热压缩机设有低压氢气入口和高压氢气出口，每台氢气热压缩机设有8台金属氢化物反应床4。合成氨及尿素生产装置通过热源梯级利用管路1与一级氢气热压缩机2连接，由合成氨及尿素生产装置提供外部热源。一级氢气热压缩机通过热源梯级利用管路1与二级氢气热压缩机连接，二级氢气热压缩机通过热源梯级利用管路与三级氢气热压缩机连接，以此类推连接到十级氢气热压缩机39。氢气热压缩机设有级内换热管路3和级间换热管路6，同级氢气热压缩机内金属氢化物反应床之间通过级内换热管路连接，两级氢气热压缩机之间通过级间换热管路6连接。合成氨及尿素生产装置的低压氢气管网通过低压氢气管路7连接到一级氢气热压缩机的低压氢气入口。高压氢气总管15通过外供氢气管路12与合成氨及尿素生产装置高压氢气管网连接，通过膨胀做功动力输出管路13与膨胀机连接，膨胀机的乏汽出口连接到一级氢气热压缩机的低压氢气入口。膨胀机与发电机轴连接，发电机与电解水制氢机电路连接。
能量梯级式利用的氢气热压缩***与现有的合成氨及尿素生产装置联产，合成氨及尿素生产装置产生的氢气及废热供给本发明氢气热压缩***使用。氢气热压缩***产生的高压氢气回供给合成氨及尿素生产装置使用。高压氢气经过膨胀机做功发电，产生的电力用于电解制氢装置生产更多的氢气。如图5所示，氢气热压缩***设有储氢材料卸装装置，储氢材料卸装装置包括分离罐42、缓冲罐43、高温仓44、低温仓50、真空罐46、氢气压缩机47、供料器48、高压氢气罐49和加注枪41。加注枪与金属氢化物反应床4的加注口连接。加注枪设有氢气口和金属氢化物口，高温仓和低温仓分别设有1～50个隔舱。加注枪的金属氢化物口通过添加-抽料共用管路45连接到分离罐，分离罐的气体出口通过缓冲罐连接到真空罐，分离罐的固体出口连接到高温仓和低温仓。高温仓和低温仓分别通过供料器和添加-抽料共用管路连接到加注枪的金属氢化物口。真空罐通过压缩机连接到高压氢气罐，真空罐与高压氢气罐之间设有旁路。高压氢气罐出口分为三路，一路连接到分离罐，一路连接到供料器，一路连接到加注枪的氢气口。高压氢气罐为两台，一用一备。增设储氢材料卸装装置能实现级间或级内任意两个金属氢化物压缩机反应床之间储氢材料的相互倒换，以辅助换热的充分进行。

Claims (9)

1.一种能量梯级式利用的氢气热压缩***，其特征是：氢气热压缩***包括2～100级处于不同工作温度区间的氢气热压缩机和高压氢气总管（15），所述氢气热压缩机设有低压氢气入口、高压氢气出口和2～100个金属氢化物反应床（4）；所述低压氢气入口与低压氢气管路（7）连接，所述高压氢气出口通过高压氢气管路（5）与高压氢气总管连接；一级氢气热压缩机（2）与外部热源连接，下一级氢气热压缩机通过热源梯级利用管路（1）与上一级氢气热压缩机连接；所述氢气热压缩机设有级内换热管路（3）和级间换热管路（6），同级氢气热压缩机内金属氢化物反应床之间通过级内换热管路连接，两级氢气热压缩机之间通过级间换热管路（6）连接；所述高压氢气总管分别与外供氢气管路（12）、膨胀做功动力输出管路（13）和膨胀做功发电管路（14）连接；所述金属氢化物反应床设有级间换热入口（26）和级间换热出口（31），所述级间换热管路（6）包括级间加热回路（37）和级间冷却回路（38）；所述级间换热入口和级间换热出口通过三通阀切换连通到级间加热回路或级间冷却回路，级间加热回路与上一级级间冷却回路（32）连通，级间冷却回路与下一级级间加热回路（34）连通；所述氢气热压缩机设有级内换热加热管路（22）、级内换热冷却管路（23）、氢气循环泵（24）和三通阀（17），所述金属氢化物反应床（4）设有反应床入口（19）、反应床出口（16）、氢气入口（20）、氢气出口（18）、级内换热入口（21）、级内换热出口（25）；所述氢气入口和级内换热入口通过三通阀与反应床入口连接，所述反应床出口通过三通阀与氢气出口和级内换热出口连接；所述级内换热出口通过三通阀、级内换热冷却管路和氢气循环泵连接到反应床入口。
2.根据权利要求1所述的能量梯级式利用的氢气热压缩***，其特征是：所述氢气热压缩***（100）设有合成氨及尿素生产装置（30）、膨胀机（27）、发电机（28）和电解水制氢机（29），所述合成氨及尿素生产装置通过外部热源管路与一级氢气热压缩机（2）连接，合成氨及尿素生产装置的低压氢气管网通过低压氢气管路（7）连接到一级氢气热压缩机的低压氢气入口；所述高压氢气总管（15）通过外供氢气管路（12）与合成氨及尿素生产装置高压氢气管网连接，通过膨胀做功动力输出管路（13）与膨胀机连接，膨胀机的乏汽出口连接到一级氢气热压缩机的低压氢气入口；所述膨胀机与发电机轴连接，发电机与电解水制氢机电路连接。
3.根据权利要求1所述一种能量梯级式利用的氢气热压缩***，其特征是：所述氢气热压缩***的多级氢气热压缩机处于不同工作温度区间，所述金属氢化物反应床（4）内填装金属储氢材料，所述金属储氢材料能在较低温度下吸收较低压力的氢气同时放出反应热，在较高温度下吸收反应热同时放出较高压力的氢气，实现氢气的压缩；不同级的氢气热压缩机的金属氢化物反应床内装载的金属储氢材料不同，上一级氢气热压缩机内金属储氢材料的吸氢温度高于或等于下一级氢气热压缩机内的金属储氢材料的放氢温度，下一级氢热压缩机金属氢化物反应床放氢时所需要的热量由上一级氢热压缩机金属氢化物反应床吸氢时放出的反应热来部分或全部提供。
4.根据权利要求3所述的能量梯级式利用的氢气热压缩***，其特征是：所述金属氢化物反应床（4）所用储氢材料包括稀土类及钙系合金、Ti、Zr系合金、钛系合金、镁系合金或钒系合金。
5.根据权利要求4所述的能量梯级式利用的氢气热压缩***，其特征是：所述***的一种应用形式是与金属氢化物储氢***联产，金属氢化物储氢***包括镁系金属氢化物储氢***；金属氢化物储氢***吸氢时放出的余热供给所述的氢气热压缩***使用，产生的高压氢气直接外供或经膨胀机做功作为动力输出或发电使用。
6.根据权利要求1所述的能量梯级式利用的氢气热压缩***，其特征是：所述氢气热压缩机的金属氢化物反应床（4）设有加热线圈（33）；所述级间换热入口和级间换热出口通过三通阀的切换，分别与级间加热回路或级间冷却回路连通；所述换热介质为氢气、水、导热油或其他换热介质的一种或多种组合。
7.根据权利要求1所述能量梯级式利用的氢气热压缩***，其特征是：每级氢气热压缩机设有级内换热***，级内换热***包括级内换热加热管路、级内换热循环泵和级内换热冷却管路；所述级内换热入口通过三通阀的切换，分别连接到级内换热冷却管路和级内换热加热管路，所述级内换热出口通过三通阀的切换，分别连接到级内换热冷却管路和级内换热加热管路，级内换热冷却管路上设有氢气循环泵。
8.根据权利要求1所述的能量梯级式利用的氢气热压缩***，其特征是：所述能量梯级式利用的氢气热压缩***的压缩过程分为六个阶段：
阶段一为级间换热冷却过程，关闭金属氢化物反应床的压缩机反应床入口和压缩机反应床出口，打开级间换热入口和级间换热出口并通过三通阀切换连通到级间冷却回路，与下一级氢气压缩机换热，将金属氢化物反应床冷却到吸氢温度；
阶段二为吸氢过程，打开压缩机反应床入口并切换连通到氢气进口，吸收低压氢气，吸氢放出的热量通过级间冷却回路传递给下一级氢气热压缩机，供其放氢时所需反应热使用；
阶段三为级内换热升温过程，吸氢达到预定时间后，级间换热入口和级间换热出口关闭，压缩机反应床入口切换连通到级内换热入口，级内换热入口通过级内换热加热管路与另一个处于级内换热降温过程的压缩机反应床的级内换热出口连通，并打开压缩机反应床出口切换连通到级内换热出口，级内换热出口通过级内换热冷却管路与处于级内换热降温过程的压缩机反应床的级内换热入口连通，同时通过氢气循环泵使氢气在两个压缩机反应床之间循环流动进行换热；
阶段四为级间换热加热过程，压缩机反应床通过级内换热升至一定温度后，压缩机反应床入口和出口关闭，打开级间换热入口和级间换热出口并切换连通到级间加热回路，与上一级氢气压缩机换热，将金属氢化物反应床加热到放氢温度；
阶段五为放氢过程，金属氢化物反应床加热到放氢温度后，压缩机反应床出口打开并切换连通到中间罐，放出高压氢气；放氢过程中所需反应热，通过级间加热回路由上一级氢气热压缩机吸氢时放出的反应热供给；
阶段六为级内换热降温过程，压缩机反应床出口切换连通到级内换热出口，级内换热出口通过级内换热加热管路与另一个处于级内换热升温过程的压缩机反应床的级内换热入口连通，打开压缩机反应床入口并切换连通到级内换热入口，通过级内换热冷却管路与处于级内换热升温过程的压缩机反应床的级内换热出口连通，并通过氢气循环泵使氢气在两个压缩机反应床之间循环流动进行换热，充分换热后重新进入到阶段一的工作过程，如此重复。
9.根据权利要求1所述的能量梯级式利用的氢气热压缩***，其特征是：所述氢气热压缩***设有储氢材料卸装装置，所述储氢材料卸装装置包括分离罐（42）、缓冲罐（43）、高温仓（44）、低温仓（50）、真空罐（46）、氢气压缩机（47）、供料器（48）、高压氢气罐（49）和加注枪（41）；所述加注枪设有氢气口和金属氢化物口，所述高温仓和低温仓分别设有1～50个隔舱；所述加注枪的金属氢化物口通过添加-抽料共用管路（45）连接到分离罐，所述分离罐的气体出口通过缓冲罐连接到真空罐，分离罐的固体出口连接到高温仓和低温仓；所述高温仓和低温仓分别通过供料器和添加-抽料共用管路连接到加注枪的金属氢化物口；所述真空罐通过压缩机连接到高压氢气罐，真空罐与高压氢气罐之间设有旁路；所述高压氢气罐出口分为三路，一路连接到分离罐，一路连接到供料器，一路连接到加注枪的氢气口；所述高压氢气罐为两台，一用一备。
CN201710412570.5A 2017-06-05 2017-06-05 一种能量梯级式利用的氢气热压缩*** Active CN107285278B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710412570.5A CN107285278B (zh) 2017-06-05 2017-06-05 一种能量梯级式利用的氢气热压缩***

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710412570.5A CN107285278B (zh) 2017-06-05 2017-06-05 一种能量梯级式利用的氢气热压缩***

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107285278A CN107285278A (zh) 2017-10-24
CN107285278B true CN107285278B (zh) 2019-05-31

Family

ID=60095404

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710412570.5A Active CN107285278B (zh) 2017-06-05 2017-06-05 一种能量梯级式利用的氢气热压缩***

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107285278B (zh)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108469196B (zh) * 2018-02-13 2020-04-24 上海柯来浦能源科技有限公司 一种高温气体余热利用***
CN108640082B (zh) * 2018-04-25 2020-10-30 上海柯来浦能源科技有限公司 一种利用金属氢化物梯级回收余热的装置和方法
CN108952861B (zh) * 2018-06-07 2021-02-26 上海柯来浦能源科技有限公司 液化工质中氢气升压床回收余热发电的装置和方法
CN108955284B (zh) * 2018-07-06 2019-11-22 上海柯来浦能源科技有限公司 一种氢气混合工质的余热利用***
CN109236400A (zh) * 2018-10-20 2019-01-18 上海柯来浦能源科技有限公司 一种氢氮混合工质发电***
CN109339879A (zh) * 2018-11-19 2019-02-15 上海柯来浦能源科技有限公司 一种低温热源的氢能利用***
CN109404072A (zh) * 2018-12-21 2019-03-01 上海柯来浦能源科技有限公司 一种金属储氢材料氢能热压做功装置
CN109578812A (zh) * 2019-01-23 2019-04-05 广东省稀有金属研究所 一种连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化***
CN111378980A (zh) * 2020-04-27 2020-07-07 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种联产氢气和尿素的储能***和方法
CN113044855B (zh) * 2021-04-29 2023-08-11 南京工业大学 一种加氢及合成氨***
CN114542953B (zh) * 2022-01-18 2023-06-16 华南理工大学 一种废热利用的金属氢化物氢压缩机***和方法
CN115535961B (zh) * 2022-10-24 2024-03-19 云南电网有限责任公司电力科学研究院 一种储氢合金吸放氢装置及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4311014A (en) * 1978-04-27 1982-01-19 Terry Lynn E Power cycles based upon cyclical hydriding and dehydriding of a material
CN1830755A (zh) * 2005-03-09 2006-09-13 株式会社日立制作所 供氢装置和供氢方法
JP2010208913A (ja) * 2009-03-12 2010-09-24 Kawasaki Heavy Ind Ltd ハイブリッド水素供給ステーション
CN102530860A (zh) * 2010-12-28 2012-07-04 北京有色金属研究总院 一种自带热源的金属氢化物氢压缩装置及其制作方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4311014A (en) * 1978-04-27 1982-01-19 Terry Lynn E Power cycles based upon cyclical hydriding and dehydriding of a material
CN1830755A (zh) * 2005-03-09 2006-09-13 株式会社日立制作所 供氢装置和供氢方法
JP2010208913A (ja) * 2009-03-12 2010-09-24 Kawasaki Heavy Ind Ltd ハイブリッド水素供給ステーション
CN102530860A (zh) * 2010-12-28 2012-07-04 北京有色金属研究总院 一种自带热源的金属氢化物氢压缩装置及其制作方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN107285278A (zh) 2017-10-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107285278B (zh) 一种能量梯级式利用的氢气热压缩***
CN102758690B (zh) 高效高压液态空气储能/释能***
CN110259662B (zh) 基于双井结构热盐井的辅助增压再热式压缩空气储能***及方法
CN102758748B (zh) 高压液态空气储能/释能***
CN108011118A (zh) 一种水化氢化镁的能源***
CN111075671B (zh) 一种耦合集成太阳能、超临界二氧化碳和压缩空气储能的发电***
JP2013510257A (ja) 超臨界空気蓄エネルギーシステム
CN107246289B (zh) 一种利用熔融盐蓄热实现电站调峰的装置及其工作方法
CN106677848A (zh) 一种以空气及水为储能工质的联合储能***及方法
CN108640082A (zh) 一种利用金属氢化物梯级回收余热的装置和方法
CN109826682A (zh) 一种可实现冷热电联供的集成型供能***
CN109763871A (zh) 一种金属储氢材料氢能热压液压做功装置
CN217652793U (zh) 一种压缩空气储能电站组合式储换热***
CN108507361A (zh) 一种利用工业窑炉尾气余热发电的***
CN112943393B (zh) 一种地热能热化学和压缩空气复合储能***及其运行方法
CN109555570A (zh) 一种金属储氢材料氢能负压做功***
CN203413967U (zh) 带富余蒸汽的烧结余热发电***
CN210179723U (zh) 一种基于供热与电力调峰耦合的联合循环装置
CN109763869B (zh) 一种用于联合循环能量梯级利用的蓄热耦合抽汽集成***及其运行方法
CN116378792A (zh) 基于热压解耦的废旧电厂改造的复合储能***及运行方法
CN216482441U (zh) 蒸汽蓄热、放热***
CN113719328B (zh) 超临界二氧化碳压缩储能发电***
CN113153471B (zh) 旧火电厂锅炉改造的压缩空气复合储能***及其运行方法
CN215057597U (zh) 一种煤电机组耦合压缩空气储能的综合能源供应***
CN108469196A (zh) 一种高温气体余热利用***

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant