一種能量梯級式利用的氫氣熱壓縮系統的製作方法

2023-11-10 23:33:07

本發明屬於動力設備技術領域，涉及一種氫氣壓縮系統，具體涉及一種梯級式利用氫氣熱壓縮系統。

背景技術：

當今世界尚處在以石油、天然氣和煤炭為主導能源的化石能源經濟時代，這個化石能源經濟時代必將結束，一場空前的新能源革命已經開始。取代化石能源經濟的新能源經濟，或者說後石油時代的新能源經濟將是「氫能源經濟」、「低碳經濟」及其核能、太陽能、風能、水能、生物質能、地熱等多元化能源現代化利用相輔相成的新能源經濟。

氫能源是未來的能源主體，氫能源汽車、氫燃料電池日漸進入人們的生活當中。氫能源在內燃機車、火箭、汽車、船舶、交通工具以及以氫為動力的燃料電池等方面有著廣泛的應用前景。隨著氫能源時代即將到來，氫能源汽車逐步推廣使用，環保節能的金屬氫化物熱壓縮成為近年世界範圍的壓縮系統研究的熱點。現有技術的氫壓縮系統多為兩級壓縮，壓縮效率低，不能滿足氫能源汽車及其它動力設備的需求。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種能量梯級式利用的氫氣熱壓縮系統，充分利用金屬氫化物氫氣熱壓縮機反應床吸氫時放出的反應熱以及降溫操作時放出的顯熱，提高氫氣熱壓縮機的熱效率。

本發明的技術方案是：能量梯級式利用的氫氣熱壓縮系統，包括1～100級處於不同工作溫度區間的氫氣熱壓縮機和高壓氫氣總管，氫氣熱壓縮機設有低壓氫氣入口、高壓氫氣出口和1～100個金屬氫化物反應床。低壓氫氣入口與低壓氫氣管路連接，高壓氫氣出口通過高壓氫氣管路與高壓氫氣總管連接。一級氫氣熱壓縮機與外部熱源連接，下一級氫氣熱壓縮機通過熱源梯級利用管路與上一級氫氣熱壓縮機連接。氫氣熱壓縮機內部設有級內換熱管路和級間換熱管路，同級氫氣熱壓縮機內金屬氫化物反應床之間通過級內換熱管路連接，兩級氫氣熱壓縮機之間通過級間換熱管路連接。高壓氫氣總管分別與外供氫氣管路、膨脹做功動力輸出管路和膨脹做功發電管路連接。

金屬氫化物反應床設有級間換熱入口和級間換熱出口，級間換熱管路包括級間加熱迴路和級間冷卻迴路。級間換熱入口和級間換熱出口通過三通閥切換連通到級間加熱迴路或級間冷卻迴路，級間加熱迴路與上一級級間冷卻迴路連通，級間冷卻迴路與下一級級間加熱迴路連通氫氣熱壓縮機設有級內換熱加熱管路、級內換熱冷卻管路、氫氣循環泵和三通閥，金屬氫化物反應床設有反應床入口、反應床出口、氫氣入口、氫氣出口、級內換熱入口、級內換熱出口。氫氣入口和級內換熱入口通過三通閥與反應床入口連接，反應床出口通過三通閥與氫氣出口和級內換熱出口連接。級內換熱出口通過三通閥、級內換熱冷卻管路和氫氣循環泵連接到反應床入口。

氫氣熱壓縮系統設有合成氨及尿素生產裝置、膨脹機、發電機和電解水制氫機。合成氨及尿素生產裝置通過外部熱源管路與一級氫氣熱壓縮機連接，合成氨及尿素生產裝置的低壓氫氣管網通過低壓氫氣管路連接到一級氫氣熱壓縮機的低壓氫氣入口。高壓氫氣總管通過外供氫氣管路與合成氨及尿素生產裝置高壓氫氣管網連接，通過膨脹做功動力輸出管路與膨脹機連接，膨脹機的乏汽出口連接到一級氫氣熱壓縮機的低壓氫氣入口。膨脹機與發電機軸連接，發電機與電解水制氫機電路連接。

氫氣熱壓縮系統的多級氫氣熱壓縮機處於不同工作溫度區間，金屬氫化物反應床內填裝金屬儲氫材料，金屬儲氫材料能在較低溫度下吸收較低壓力的氫氣同時放出反應熱，在較高溫度下吸收反應熱同時放出較高壓力的氫氣，實現氫氣的壓縮。不同級的氫氣熱壓縮機的金屬氫化物反應床內裝載的金屬儲氫材料不同，上一級氫氣熱壓縮機內金屬儲氫材料的吸氫溫度高於或等於下一級氫氣熱壓縮機內的金屬儲氫材料的放氫溫度，下一級氫熱壓縮機金屬氫化物反應床放氫時所需要的熱量由上一級氫熱壓縮機金屬氫化物反應床吸氫時放出的反應熱來部分或全部提供。金屬氫化物反應床所用儲氫材料包括但不限於稀土類及鈣系合金、ti、zr系合金、鈦系合金、鎂系合金或釩系合金。系統的一種應用形式是與金屬氫化物儲氫系統聯產，金屬氫化物儲氫系統包括但不限於鎂系金屬氫化物儲氫系統。金屬氫化物儲氫系統吸氫時放出的餘熱供給本發明的氫氣熱壓縮系統使用，產生的高壓氫氣直接外供或經膨脹機做功作為動力輸出或發電使用或者高壓氫氣經過膨脹機做功發電，產生的電力用於電解制氫裝置生產更多的氫氣。

氫氣熱壓縮機的金屬氫化物反應床設有加熱線圈。級間換熱入口和級間換熱出口可通過三通閥的切換，分別與級間加熱迴路或級間冷卻迴路連通。換熱介質為氫氣、水、導熱油或其他換熱介質的一種或多種組合。每級氫氣熱壓縮機設有級內換熱系統，級內換熱系統包括級內換熱加熱管路、級內換熱循環泵和級內換熱冷卻管路。級內換熱入口可通過三通閥的切換，分別連接到級內換熱冷卻管路和級內換熱加熱管路，級內換熱出口也可通過三通閥的切換，分別連接到級內換熱冷卻管路和級內換熱加熱管路，級內換熱冷卻管路上設有氫氣循環泵。

能量梯級式利用的氫氣熱壓縮系統的壓縮過程分為六個階段：

階段一為級間換熱冷卻過程，關閉金屬氫化物壓縮機反應床的壓縮機反應床入口和壓縮機反應床出口，打開級間換熱入口和級間換熱出口並通過三通閥切換連通到級間冷卻迴路，與下一級氫氣壓縮機換熱，將金屬氫化物壓縮機反應床冷卻到吸氫溫度；

階段二為吸氫過程，打開壓縮機反應床入口並切換連通到氫氣進口，吸收低壓氫氣，吸氫放出的熱量通過級間冷卻迴路傳遞給下一級氫氣熱壓縮機，供其放氫時所需反應熱使用；

階段三為級內換熱升溫過程，吸氫達到預定時間後，級間換熱入口和級間換熱出口關閉，壓縮機反應床入口切換連通到級內換熱入口，級內換熱入口通過級內換熱加熱管路與另一個處於級內換熱降溫過程的壓縮機反應床的級內換熱出口連通，並打開壓縮機反應床出口切換連通到級內換熱出口，級內換熱出口通過級內換熱冷卻管路與處於級內換熱降溫過程的壓縮機反應床的級內換熱入口連通，同時通過氫氣循環泵使氫氣在兩個壓縮機反應床之間循環流動進行換熱；

階段四為級間換熱加熱過程，壓縮機反應床通過級內換熱升至一定溫度後，壓縮機反應床入口和出口關閉，打開級間換熱入口和級間換熱出口並切換連通到級間加熱迴路，與上一級氫氣壓縮機換熱，將金屬氫化物壓縮機反應床加熱到放氫溫度；

階段五為放氫過程，金屬氫化物壓縮機反應床加熱到放氫溫度後，壓縮機反應床出口打開並切換連通到中間罐，放出高壓氫氣；放氫過程中所需反應熱，通過級間加熱迴路由上一級氫氣熱壓縮機吸氫時放出的反應熱供給；

階段六為級內換熱降溫過程，壓縮機反應床出口切換連通到級內換熱出口，級內換熱出口通過級內換熱加熱管路與另一個處於級內換熱升溫過程的壓縮機反應床的級內換熱入口連通，打開壓縮機反應床入口並切換連通到級內換熱入口，通過級內換熱冷卻管路與處於級內換熱升溫過程的壓縮機反應床的級內換熱出口連通，並通過氫氣循環泵使氫氣在兩個壓縮機反應床之間循環流動進行換熱，充分換熱後重新進入到階段一的工作過程，如此重複。氫氣熱壓縮系統設有儲氫材料卸裝裝置，儲氫材料卸裝裝置包括分離罐、緩衝罐、高溫倉、低溫倉、真空罐、氫氣壓縮機、供料器、高壓氫氣罐和加注槍。加注槍與金屬氫化物反應床的加注口連接。加注槍設有氫氣口和金屬氫化物口，高溫倉和低溫倉分別設有1～50個隔艙。加注槍的金屬氫化物口通過添加-抽料共用管路連接到分離罐，分離罐的氣體出口通過緩衝罐連接到真空罐，分離罐的固體出口連接到高溫倉和低溫倉。高溫倉和低溫倉分別通過供料器和添加-抽料共用管路連接到加注槍的金屬氫化物口。真空罐通過壓縮機連接到高壓氫氣罐，真空罐與高壓氫氣罐之間設有旁路。高壓氫氣罐出口分為三路，一路連接到分離罐，一路連接到供料器，一路連接到加注槍的氫氣口。高壓氫氣罐為兩臺，一用一備。增設儲氫材料卸裝裝置能實現級間或級內任意兩個金屬氫化物壓縮機反應床之間儲氫材料的相互倒換，以輔助換熱的充分進行。

本發明能量梯級式利用的氫氣熱壓縮系統，通過設置多級處於不同工作溫度的氫氣熱壓縮機，每級氫熱壓縮機設置有多組交替工作的金屬氫化物氫氣熱壓縮機反應床，級間和級內設置換熱系統，充分利用金屬氫化物氫氣熱壓縮機反應床吸氫時放出的反應熱以及降溫操作時放出的顯熱，提高了氫氣熱壓縮機的熱效率。本發明能在外界熱源的加熱下高效地將低壓氫氣壓縮至高壓，外界熱源可以是高溫煙氣和太陽能等各種餘熱，增加了餘熱利用的範圍和選擇性。

附圖說明

圖1為本發明能量梯級式利用的氫氣熱壓縮系統的流程示意圖

圖2為氫氣熱壓縮機級間換熱管路示意圖；

圖3為氫氣熱壓縮機級內換熱管路示意圖；

圖4為帶有膨脹做功發電的能量梯級式利用的氫氣熱壓縮系統流程；

圖5為儲氫材料卸裝裝置的流程示意圖。

其中：1—熱源梯級利用管路、2—一級氫氣熱壓縮機、3—級內換熱管路、4—金屬氫化物反應床、5—高壓氫氣管路、6—級間換熱管路、7—低壓氫氣管路、9—氫氣熱壓縮機、10—三級氫氣熱壓縮機、11—六級氫氣熱壓縮機、12—外供氫氣管路、13—膨脹做功動力輸出管路、14—膨脹做功發電管路、15—高壓氫氣總管、16—反應床出口、17—三通閥、18—氫氣出口、19—反應床入口、20—氫氣入口、21—級內換熱入口、22—級內換熱加熱管路、23—級內換熱冷卻管路、24—氫氣循環泵、25—級內換熱出口、26—級間換熱入口、27—膨脹機、28—發電機、29—電解水制氫機、30—合成氨及尿素生產裝置、31—級間換熱出口、32—上一級級間冷卻迴路、33—加熱線圈、34—下一級級間加熱迴路、37—級間加熱迴路、38—級間冷卻迴路、39—十級氫氣熱壓縮機、40—氫氣進-出氣管路、41—加注槍、42—分離罐、43—緩衝罐、44—高溫倉、45—添加-抽料共用管路、46—真空罐、47—氫氣壓縮機、48—供料器、49—高壓氫氣罐、50—低溫倉、100—氫氣熱壓縮系統。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本發明進行詳細說明。本發明保護範圍不限於實施例，本領域技術人員在權利要求限定的範圍內做出任何改動也屬於本發明保護的範圍。

實施例1

本發明能量梯級式利用的氫氣熱壓縮系統如圖1所示，包括六級氫氣熱壓縮機和高壓氫氣總管15，氫氣熱壓縮機設有低壓氫氣入口和高壓氫氣出口，如圖2、圖3所示，每臺氫氣熱壓縮機設有6臺金屬氫化物反應床4。低壓氫氣入口與低壓氫氣管路7連接，高壓氫氣出口通過高壓氫氣管路5與高壓氫氣總管連接。一級氫氣熱壓縮機2通過熱源梯級利用管路1與外部熱源連接，一級氫氣熱壓縮機通過熱源梯級利用管路1與二級氫氣熱壓縮機連接，二級氫氣熱壓縮機通過熱源梯級利用管路與三級氫氣熱壓縮機連接，以此類推連接到六級氫氣熱壓縮機11。氫氣熱壓縮機設有級內換熱管路3和級間換熱管路6，同級氫氣熱壓縮機內金屬氫化物反應床之間通過級內換熱管路連接，兩級氫氣熱壓縮機之間通過級間換熱管路6連接。高壓氫氣總管分別與外供氫氣管路12、膨脹做功動力輸出管路13和膨脹做功發電管路14連接。如圖2所示，金屬氫化物反應床設有級間換熱入口26和級間換熱出口31，級間換熱管路6包括級間加熱迴路37和級間冷卻迴路38。級間換熱入口通過三通閥和級間加熱迴路與上一級級間冷卻迴路32連通，級間換熱出口通過三通閥和級間冷卻迴路與下一級級間加熱迴路34連通。如圖3所示，氫氣熱壓縮機設有級內換熱加熱管路22、級內換熱冷卻管路23、氫氣循環泵24和三通閥17，金屬氫化物反應床4設有反應床入口19、反應床出口16、氫氣入口20、氫氣出口18、級內換熱入口21、級內換熱出口25。氫氣入口和級內換熱入口通過三通閥與反應床入口連接，反應床出口通過三通閥與氫氣出口和級內換熱出口連接。級內換熱出口通過三通閥、級內換熱冷卻管路和氫氣循環泵連接到反應床入口。氫氣熱壓縮機的金屬氫化物反應床4設有加熱線圈33。

本發明能量梯級式利用的氫氣熱壓縮系統的多級氫氣熱壓縮機處於不同工作溫度，金屬氫化物反應床4內填裝金屬儲氫材料，儲氫材料為鎂系合金或釩系合金。金屬儲氫材料能在較低溫度下吸收較低壓力的氫氣同時放出反應熱，在較高溫度下吸收反應熱同時放出較高壓力的氫氣，實現氫氣的壓縮。不同級的氫氣熱壓縮機的金屬氫化物反應床內裝載的金屬儲氫材料不同，上一級氫氣熱壓縮機內金屬儲氫材料的吸氫溫度高於或等於下一級氫氣熱壓縮機內的金屬儲氫材料的放氫溫度，下一級氫熱壓縮機金屬氫化物反應床放氫時所需要的熱量由上一級氫熱壓縮機金屬氫化物反應床吸氫時放出的反應熱來部分或全部提供。級間換熱入口和級間換熱出口可通過三通閥的切換，分別與級間加熱迴路或級間冷卻迴路連通。換熱介質為氫氣、水、導熱油或其他換熱介質的一種或多種組合。每級氫氣熱壓縮機設有級內換熱系統，級內換熱系統包括級內換熱加熱管路、級內換熱循環泵和級內換熱冷卻管路；級內換熱入口可通過三通閥的切換，分別連接到級內換熱冷卻管路和級內換熱加熱管路，級內換熱出口也可通過三通閥的切換，分別連接到級內換熱冷卻管路和級內換熱加熱管路，級內換熱冷卻管路上設有氫氣循環泵。

能量梯級式利用的氫氣熱壓縮系統的壓縮過程分為六個階段：

階段一為級間換熱冷卻過程，關閉金屬氫化物壓縮機反應床的壓縮機反應床入口和壓縮機反應床出口，打開級間換熱入口和級間換熱出口並通過三通閥切換連通到級間冷卻迴路，與下一級氫氣壓縮機換熱，將金屬氫化物壓縮機反應床冷卻到吸氫溫度；

階段二為吸氫過程，打開壓縮機反應床入口並切換連通到氫氣進口，吸收低壓氫氣，吸氫放出的熱量通過級間冷卻迴路傳遞給下一級氫氣熱壓縮機，供其放氫時所需反應熱使用；

階段三為級內換熱升溫過程，吸氫達到預定時間後，級間換熱入口和級間換熱出口關閉，壓縮機反應床入口切換連通到級內換熱入口，級內換熱入口通過級內換熱加熱管路與另一個處於級內換熱降溫過程的壓縮機反應床的級內換熱出口連通，並打開壓縮機反應床出口切換連通到級內換熱出口，級內換熱出口通過級內換熱冷卻管路與處於級內換熱降溫過程的壓縮機反應床的級內換熱入口連通，同時通過氫氣循環泵使氫氣在兩個壓縮機反應床之間循環流動進行換熱；

階段四為級間換熱加熱過程，壓縮機反應床通過級內換熱升至一定溫度後，壓縮機反應床入口和出口關閉，打開級間換熱入口和級間換熱出口並切換連通到級間加熱迴路，與上一級氫氣壓縮機換熱，將金屬氫化物壓縮機反應床加熱到放氫溫度；

階段五為放氫過程，金屬氫化物壓縮機反應床加熱到放氫溫度後，壓縮機反應床出口打開並切換連通到中間罐，放出高壓氫氣；放氫過程中所需反應熱，通過級間加熱迴路由上一級氫氣熱壓縮機吸氫時放出的反應熱供給；

階段六為級內換熱降溫過程，壓縮機反應床出口切換連通到級內換熱出口，級內換熱出口通過級內換熱加熱管路與另一個處於級內換熱升溫過程的壓縮機反應床的級內換熱入口連通，打開壓縮機反應床入口並切換連通到級內換熱入口，通過級內換熱冷卻管路與處於級內換熱升溫過程的壓縮機反應床的級內換熱出口連通，並通過氫氣循環泵使氫氣在兩個壓縮機反應床之間循環流動進行換熱，充分換熱後重新進入到階段一的工作過程，如此重複。

實施例2

本發明另一實施方式如圖4所示，氫氣熱壓縮系統100、合成氨及尿素生產裝置30、膨脹機27、發電機28和電解水制氫機29，氫氣熱壓縮系統包括十級氫氣熱壓縮機和高壓氫氣總管15，氫氣熱壓縮機設有低壓氫氣入口和高壓氫氣出口，每臺氫氣熱壓縮機設有8臺金屬氫化物反應床4。合成氨及尿素生產裝置通過熱源梯級利用管路1與一級氫氣熱壓縮機2連接，由合成氨及尿素生產裝置提供外部熱源。一級氫氣熱壓縮機通過熱源梯級利用管路1與二級氫氣熱壓縮機連接，二級氫氣熱壓縮機通過熱源梯級利用管路與三級氫氣熱壓縮機連接，以此類推連接到十級氫氣熱壓縮機39。氫氣熱壓縮機設有級內換熱管路3和級間換熱管路6，同級氫氣熱壓縮機內金屬氫化物反應床之間通過級內換熱管路連接，兩級氫氣熱壓縮機之間通過級間換熱管路6連接。合成氨及尿素生產裝置的低壓氫氣管網通過低壓氫氣管路7連接到一級氫氣熱壓縮機的低壓氫氣入口。高壓氫氣總管15通過外供氫氣管路12與合成氨及尿素生產裝置高壓氫氣管網連接，通過膨脹做功動力輸出管路13與膨脹機連接，膨脹機的乏汽出口連接到一級氫氣熱壓縮機的低壓氫氣入口。膨脹機與發電機軸連接，發電機與電解水制氫機電路連接。

能量梯級式利用的氫氣熱壓縮系統與現有的合成氨及尿素生產裝置聯產，合成氨及尿素生產裝置產生的氫氣及廢熱供給本發明氫氣熱壓縮系統使用。氫氣熱壓縮系統產生的高壓氫氣回供給合成氨及尿素生產裝置使用。高壓氫氣經過膨脹機做功發電，產生的電力用於電解制氫裝置生產更多的氫氣。如圖5所示，氫氣熱壓縮系統設有儲氫材料卸裝裝置，儲氫材料卸裝裝置包括分離罐42、緩衝罐43、高溫倉44、低溫倉50、真空罐46、氫氣壓縮機47、供料器48、高壓氫氣罐49和加注槍41。加注槍與金屬氫化物反應床4的加注口連接。加注槍設有氫氣口和金屬氫化物口，高溫倉和低溫倉分別設有1～50個隔艙。加注槍的金屬氫化物口通過添加-抽料共用管路45連接到分離罐，分離罐的氣體出口通過緩衝罐連接到真空罐，分離罐的固體出口連接到高溫倉和低溫倉。高溫倉和低溫倉分別通過供料器和添加-抽料共用管路連接到加注槍的金屬氫化物口。真空罐通過壓縮機連接到高壓氫氣罐，真空罐與高壓氫氣罐之間設有旁路。高壓氫氣罐出口分為三路，一路連接到分離罐，一路連接到供料器，一路連接到加注槍的氫氣口。高壓氫氣罐為兩臺，一用一備。增設儲氫材料卸裝裝置能實現級間或級內任意兩個金屬氫化物壓縮機反應床之間儲氫材料的相互倒換，以輔助換熱的充分進行。