CN112871091A - 一种新型lohc加氢系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型LOHC加氢系统及方法，该系统由LOHC加氢和朗肯循环两个子系统组成，二者通过改进的加氢反应器相连。其中，LOHC加氢子系统，用于实现LOHC的高效加氢；朗肯循环子系统，利用加氢反应所释放的热量发电。本发明中改进的加氢反应器既是LOHC加氢反应发生的场所，也是朗肯循环的蒸发器。加氢反应释放的热量由工质吸收并带走，确保反应始终维持在最佳温度附近，产生的蒸汽驱动膨胀机带动发电机运转，产生的电能可用于系统内部消耗。本发明具有加氢效率高、速度快，整体能量利用率高，对外界的能量需求低等优点。
Description
技术领域
本发明属于氢能源领域，具体涉及一种新型LOHC加氢系统及方法。
背景技术
氢气作为一种真正意义上的清洁燃料，被认为是解决未来环境污染问题的关键。氢气的生产、储存、运输和使用有别于传统化石燃料，单位体积能量密度的限制使其应用难以扩展到交通运输领域，其长距离输送也难以像煤炭、石油一样便捷和高效。氢气的标准沸点远低于天然气，采用液氢方式储存和运输成本过高，而管道输送过程中的氢脆问题短期内很难解决。LOHC(Liquid Organic Hydrogen Carrier，液体有机氢载体)是一种极具潜力的氢气存储方式，通过不饱和有机物的可逆催化加氢和脱氢反应，实现了高密度储氢。不同于金属储氢，LOHC是一种性质与石油相近的流体，因此具有与现有加油站兼容的潜力。
目前，已报道的LOHC对主要有：萘(十氢化萘)、苯(环己烷)、联苯(联环己烷)、二苄基甲苯(全氢二苄基甲苯)、乙基咔唑(十二氢乙基咔唑)、二氧化碳(甲酸/甲醇)等。这些物质的加氢、脱氢反应条件各不相同，但总的来说，加氢反应一般需要较高的压力，必须使用催化剂加快反应速度，而且会放出大量的反应热。由于LOHC沸点和热分解温度一般较低，反应放热量较高(～60kJ/mol-H2)，同时为了确保催化剂不至烧结，保证高的加氢速度和转化率，加氢反应温度窗口一般较窄，维持温度窗口难度较高。
如何保证加氢反应始终维持在最佳温度附近，保证反应高效快速进行，降低加氢系统LOHC加压泵、H2压缩机等的对外的能量需求，提高加氢过程的能量利用率是推动LOHC进一步发展的重要环节。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种新型LOHC加氢系统及方法，以实现LOHC的高效快速加氢，将朗肯循环与LOHC加氢过程结合，改进加氢反应器结构，利用朗肯循环工质在反应器内的相变吸收反应热，使加氢反应器内的温度维持在合理范围，产生的蒸汽用于发电，产生的电能可供LOHC加压泵、H2压缩机等使用。降低了LOHC加氢过程的外部能耗，实现了反应的自持或低功耗进行。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种新型LOHC加氢系统，包括LOHC加氢子系统和朗肯循环子系统共同组成，二者通过加氢反应器相连，其中，LOHC加氢子系统，用于实现LOHC高效加氢，包括：LOHC加压泵、H2压缩机、气液混合器、热回收换热器、加氢反应器和气液分离器；
朗肯循环子系统，利用加氢反应释放的热量发电，包括：循环泵、加氢反应器、膨胀机、发电机和凝汽器；
LOHC加压泵的出口连接至气液混合器的LOHC入口，氢气源和气液分离器的H2出口连接至H2压缩机的入口，H2压缩机的出口连接至气液混合器的H2入口，气液混合器的出口连接至热回收换热器的未加氢LOHC和H2混合物入口，热回收换热器的未加氢LOHC和H2混合物出口连接至加氢反应器的LOHC和H2混合物入口，加氢反应器的LOHC和H2混合物出口连接至热回收换热器的已加氢LOHC和H2混合物入口，热回收换热器的已加氢LOHC和H2混合物出口连接至气液分离器的入口，气液分离器还设置有LOHC出口；
发电机和膨胀机通过联轴器相连，加氢反应器的朗肯循环工质出口连接至膨胀机的入口，膨胀机的出口连接至凝汽器的朗肯循环工质入口，凝汽器的朗肯循环工质出口通过循环泵连接至加氢反应器的朗肯循环工质入口，凝汽器上还设置有冷却工质入口和冷却工质出口。
本发明进一步的改进在于，加氢反应器既是LOHC加氢反应发生的场所，也是朗肯循环的蒸发器或称锅炉，加氢反应释放的热量由工质快速吸收并带走，确保加氢反应始终维持在最佳温度附近，产生的蒸汽驱动膨胀机带动发电机运转，产生的电能用于系统内部消耗。
本发明进一步的改进在于，加氢反应器催化剂层与换热器管路交替布置，确保每层催化剂温升不超过设定值，即≤30℃。
本发明进一步的改进在于，热回收换热器中热流体为加氢后LOHC和剩余H2的混合物，冷流体是加氢前LOHC和H2的混合物。
本发明进一步的改进在于，朗肯循环工质根据LOHC加氢反应温度确定，工质标准沸点低于或接近环境温度，临界温度。高于或接近LOHC加氢反应温度；反应温度、压力由LOHC和催化剂种类决定，兼顾LOHC加氢反应速度和反应限度。
本发明进一步的改进在于，膨胀机出口工质过热度>10℃具有利用价值和利用空间时，在膨胀机出口和循环泵入口之间增加回热器。
一种新型LOHC加氢方法，该方法采用所述的一种新型LOHC加氢系统，包括：
LOHC和H2经加压混合后进入热回收换热器，利用产物余热加热反应物，达到温度要求的LOHC和H2混合物进入加氢反应器，在加氢反应器中发生LOHC的加氢反应，加氢反应释放的热量由朗肯循环工质吸收带走，热量的及时带走保证了加氢催化剂温度的稳定，使得加氢反应始终高效进行；最终，加氢后的LOHC和剩余H2在气液分离器中分离，H2被送回H2压缩机再利用。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种新型LOHC加氢系统，由LOHC加氢和朗肯循环两个子系统共同组成，二者通过改进的加氢反应器相连。其中，LOHC加氢子系统，用于实现LOHC的高效加氢；朗肯循环子系统，利用加氢反应放热发电。
进一步，所述加氢反应器既是LOHC加氢反应发生的场所，也是朗肯循环的蒸发器。加氢反应释放的热量由工质快速吸收并带走，确保加氢反应始终维持在最佳温度附近，产生的蒸汽驱动膨胀机带动发电机运转，产生的电能可用于系统内部消耗。
进一步，所述加氢反应器内催化剂层与换热器管路交替布置，可以确保每层催化剂温升不超过设定值，保证了催化剂安全、长期使用，加氢反应高效、快速进行。
进一步，所述热回收换热器中的热流体为加氢后的LOHC和剩余H2的混合物，冷流体是加氢前的LOHC和H2的混合物。热回收换热器采取逆流布置，热流体进口温度由于加氢反应放热恰好高于冷流体出口温度，二者流量、比热容相当，热回收过程能量损失小。
进一步，朗肯循环工质需根据LOHC加氢反应温度确定，以确保更高的发电效率，而最佳加氢反应温度、压力是由LOHC和催化剂种类决定的。
进一步，根据朗肯循环工质和所处环境的不同，还可对系统进行相应的改进，使得系统能够适应不同情况高效运行。
本发明提供的一种新型LOHC加氢方法，加氢反应器可以工作在最佳温度附近，加氢效率高、速度快；朗肯循环利用反应放热产生的电能可供LOHC加压泵、H2压缩机等使用，系统能量利用率高，对外界的能量需求低。
附图说明
图1为本发明的系统组成示意图，其中，点线表示H2，实线表示LOHC和H2混合物或LOHC，虚线表示朗肯循环工质。图1只是为了举例说明系统的工作原理，催化剂和换热管路的层数，气液分离器的个数等并不局限于所列举的具体数目、位置和组合。
附图标记说明：
1、LOHC加压泵，2、H2压缩机，3、气液混合器，4、热回收换热器，5、加氢反应器，6、气液分离器，7、循环泵，8、膨胀机，9、发电机，10、凝汽器。
具体实施方式
以下结合示意图通过具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种新型LOHC加氢系统，由LOHC加氢和朗肯循环两个子系统共同组成，二者通过改进的加氢反应器相连。其中，LOHC加氢子系统，用于实现LOHC的高效快速加氢；朗肯循环子系统，利用加氢反应放热发电。
LOHC加氢子系统由LOHC加压泵1、H2压缩机2、气液混合器3、热回收换热器4、加氢反应器5、气液分离器6以及相关连接管路、旁通回路、阀门、温度传感器、压力传感器等组成。LOHC加压泵1出口和H2压缩机2出口连接气液混合器3入口，混合器出口连接热回收换热器4冷流体进口，热回收换热器4冷流体出口连接加氢反应器5入口，加氢反应器5出口连接热回收换热器4热流体进口，热回收换热器4热流体出口连接气液分离器6入口，加氢后的LOHC从气液分离器6液体出口流出，剩余的H2从气液分离器6气体出口回到H2压缩机2入口。
朗肯循环子系统由循环泵7、加氢反应器5、膨胀机8、发电机9和凝汽器10以及相关连接管路、旁通回路、阀门、温度传感器、压力传感器等组成。朗肯循环工质经循环泵7加压后送入加氢反应器5，在加氢反应器中吸热汽化后进入膨胀机8，推动膨胀机8运转，发电机9在联轴器的作用下与膨胀机8一同运转，进而产生电能，膨胀机8中做功后的工质进入凝汽器10中放热成为饱和或过冷液体，最后，重新回到循环泵7中，继续循环。
加氢反应器5内催化剂层与换热器管路交替布置，确保每层催化剂温升不超过设定值。此外，交替分层布置使得催化剂更换方便，换热器并联也有助于提升系统可靠性。
热回收换热器4中的热流体为加氢后LOHC和剩余H2的混合物，冷流体是加氢前LOHC和H2的混合物。热回收换热器采取逆流布置，热流体进口温度由于加氢反应放热恰好高于冷流体出口温度。
朗肯循环工质需根据LOHC加氢反应温度确定，而反应温度是由LOHC和催化剂种类决定的。例如：当LOHC为萘，采用PGM/Al2O3催化剂时，加氢反应温度120℃，反应放热量约63.9kJ/mol-H2，可采用R142b、R600、R245fa、R141b等临界温度大于120℃的流体作为朗肯循环工质；当LOHC为二苄基甲苯，采用PGM/Al2O3催化剂时，反应温度可达320℃，反应放热量约65.4kJ/mol-H2，可采用水作为工质。
根据朗肯循环工质的不同，还可对系统进行相应的改进，以提高系统适用性。例如：当采用干工质或混合工质，膨胀机出口工质过热度较高有利用潜力时，膨胀机出口和循环泵入口之间还可增加一个逆流回热器。对于缺水地区，凝汽器可采用直接风冷；而靠近江河湖海的地区，可尝试直接水冷。此外，应当指出抽汽回热加热、二次蒸汽再热等其他循环改进措施均未在实质上区别于本发明。
本发明提供一种新型LOHC加氢方法，包括：LOHC和H2经加压混合后进入热回收换热器，利用产物余热加热反应物。达到温度要求的LOHC和H2混合物进入加氢反应器，在反应器中发生LOHC的加氢反应。加氢反应释放的热量由朗肯循环工质吸收带走，热量的及时带走还保证了加氢催化剂温度的稳定，使得加氢反应始终高效进行。最终，加氢后的LOHC和剩余H2在气液分离器中分离，H2被送回H2压缩机再利用。本发明提出的新型LOHC加氢方法能够在保证加氢效率和加氢反应器安全可靠运行的前提下，利用加氢反应放热发电，产生的电能可部分或全部用于内部电机的消耗，尽可能地降低LOHC加氢过程的外部能耗，实现反应的自持或低功耗进行。
本发明所诉的实施方案，其核心思想是：利用朗肯循环工质吸收加氢反应放热，保持加氢反应在最佳温度窗口进行，朗肯循环所产生的电能可用于系统内部消耗，在实现LOHC高效快速加氢的同时，提升整体能量利用效率，降低对外部能源的需求。
所述实验方案，为了保证催化剂始终工作在各自最佳温度范围内，通过监测温度，调控阀门开度，实现对催化剂层的温度控制，保证加氢效率和速度，回收反应产生的热量。
所述实验方案，可通过调控压缩机、加压泵、循环泵等，使得它们在不同流量下保持较高的工作效率。
Claims (7)
1.一种新型LOHC加氢系统，其特征在于，包括LOHC加氢子系统和朗肯循环子系统共同组成，二者通过加氢反应器(5)相连，其中，
LOHC加氢子系统，用于实现LOHC高效加氢，包括：LOHC加压泵(1)、H2压缩机(2)、气液混合器(3)、热回收换热器(4)、加氢反应器(5)和气液分离器(6)；
朗肯循环子系统，利用加氢反应释放的热量发电，包括：循环泵(7)、加氢反应器(5)、膨胀机(8)、发电机(9)和凝汽器(10)；
LOHC加压泵(1)的出口连接至气液混合器(3)的LOHC入口，氢气源和气液分离器(6)的H2出口连接至H2压缩机(2)的入口，H2压缩机(2)的出口连接至气液混合器(3)的H2入口，气液混合器(3)的出口连接至热回收换热器(4)的未加氢LOHC和H2混合物入口，热回收换热器(4)的未加氢LOHC和H2混合物出口连接至加氢反应器(5)的LOHC和H2混合物入口，加氢反应器(5)的LOHC和H2混合物出口连接至热回收换热器(4)的已加氢LOHC和H2混合物入口，热回收换热器(4)的已加氢LOHC和H2混合物出口连接至气液分离器(6)的入口，气液分离器(6)还设置有LOHC出口；
发电机(9)和膨胀机(8)通过联轴器相连，加氢反应器(5)的朗肯循环工质出口连接至膨胀机(8)的入口，膨胀机(8)的出口连接至凝汽器(10)的朗肯循环工质入口，凝汽器(10)的朗肯循环工质出口通过循环泵(7)连接至加氢反应器(5)的朗肯循环工质入口，凝汽器(10)上还设置有冷却工质入口和冷却工质出口。
2.根据权利要求1所述的一种新型LOHC加氢系统，其特征在于，加氢反应器(5)既是LOHC加氢反应发生的场所，也是朗肯循环的蒸发器或称锅炉，加氢反应释放的热量由工质快速吸收并带走，确保加氢反应始终维持在最佳温度附近，产生的蒸汽驱动膨胀机(8)带动发电机(9)运转，产生的电能用于系统内部消耗。
3.根据权利要求1所述的一种新型LOHC加氢系统，其特征在于，加氢反应器(5)催化剂层与换热器管路交替布置，确保每层催化剂温升不超过设定值，即≤30℃。
4.根据权利要求1所述的一种新型LOHC加氢系统，其特征在于，热回收换热器(4)中热流体为加氢后LOHC和剩余H2的混合物，冷流体是加氢前LOHC和H2的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种新型LOHC加氢系统，其特征在于，朗肯循环工质根据LOHC加氢反应温度确定，质标准沸点低于或接近环境温度，临界温度高于或接近LOHC加氢反应温度；反应温度、压力由LOHC和催化剂种类决定，兼顾LOHC加氢反应速度和反应限度。
6.根据权利要求1所述的一种新型LOHC加氢系统，其特征在于，膨胀机出口工质过热度>10℃具有利用价值和利用空间时，在膨胀机出口和循环泵入口之间增加回热器。
7.一种新型LOHC加氢方法，其特征在于，该方法采用权利要求1至6中任一项所述的一种新型LOHC加氢系统，包括：
LOHC和H2经加压混合后进入热回收换热器(4)，利用产物余热加热反应物，达到温度要求的LOHC和H2混合物进入加氢反应器(5)，在加氢反应器(5)中发生LOHC的加氢反应，加氢反应释放的热量由朗肯循环工质吸收带走，热量的及时带走保证了加氢催化剂温度的稳定，使得加氢反应始终高效进行；最终，加氢后的LOHC和剩余H2在气液分离器中分离，H2被送回H2压缩机再利用。
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