一种高效热量回收的有机液体集成能源系统的制作方法

1.本发明属于有机液体储氢技术领域，具体涉及一种有机液体集成能源系统。


背景技术：

2.氢能作为前景光明的新能源方式，凭借着高能量密度和清洁无污染等优势，有机会取代锂离子电池等现存的储能技术。
3.氢能的大规模利用面临着较多的挑战，目前主要的储氢方式都有着各种缺点。高压气态储氢应用广泛成本低廉，但充放氢需要高压环境而且存在安全性隐患；金属氢化物储氢安全稳定且压力较低，但金属氢化物本身质量大，而且充放氢过程收到传热传质能力的限制，不适宜在移动交通领域应用；低温液态储氢具有较高的能量密度，是航空航天领域的热点技术，但该技术成本高、技术复杂，难以长时间存储氢气。
4.有机液体储氢技术能量密度高，安全稳定且方便大规模长距离运输，是未来氢能发展的重点。以乙基咔唑为代表的有机液体储氢材料在放氢过程中需要系统提供相当的热量，对于很多应用场景来说，热源的选取是应用有机储氢技术的关键。目前常见的技术采用电加热供热，加热器的电能从燃料电池获得，但是燃料电池发电效率只有40％
‑
55％，浪费了大量废热，从电再转化为热，进一步降低了系统能效。申请号201910537030.9公开了一种基于氢气催化燃烧加热的脱氢装置，采用氢气燃烧的方式向脱氢反应器供热，效率比电加热方案有所提高，但是燃烧过程中浪费了一部分热量品质，系统能效有一定提升空间。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种高效热量回收的有机液体集成能源系统，其主要解决了缺少外部热源的设备在应用有机液态储氢技术储能、供电中所存在的难题。
6.为解决上述技术问题，本发明所需克服的技术缺陷为：有机储氢材料在放氢过程中如何选取热源。
7.本发明采用了以下技术方案：
8.一种有机液体集成能源系统，其包括从前往后依次连接的储存单元、换热单元、脱氢反应单元、气液分离单元、发电单元及热泵单元；
9.所述的储存单元用于储存富氢有机液体和贫氢有机液体；
10.所述的储存单元提供的富氢有机液体在所述的换热单元中预热后，进入所述的脱氢反应单元；
11.所述的脱氢反应单元中的富氢液体发生吸热的脱氢反应，其脱氢反应所需热量由所述的热泵单元提供；
12.所述的脱氢反应单元中的反应产物进入所述的气液分离单元，所述的气液分离单元将其分离为氢气和贫氢的有机液体，贫氢的有机液体依次通入所述的换热单元、储存单元中的贫氢有机液体储罐中；所述的氢气被泵入所述的发电单元；
13.所述的发电单元以质子交换膜燃料电池为主，空气和氢气在所述的发电单元中反
应发电，产生的电能一部分输入到所述的热泵单元中，另一部分输出外界。
14.上述技术方案直接带来的有益技术效果为：
15.通过设置热泵单元，将发电单元中产生的废热进行收集，收集的热量可用于脱氢反应单元的脱氢反应中，无需额外对其进行加热。
16.作为本发明的一个优选方案，所述的热泵单元包括吸收式热泵单元和蒸汽压缩式热泵单元，通过所述的吸收式热泵单元和蒸汽压缩式热泵单元将发电单元产生的废热转化为热量足的热源，并供给所述的脱氢反应单元。
17.作为本发明的另一个优选方案，所述的储存单元包括富氢有机液体储罐和贫氢有机液体储罐；所述的换热单元采用管壳式换热器，热负荷23.55mj/h。
18.进一步优选，所述的脱氢反应单元为多孔介质固定床反应器，在160～170℃温度范围工作，采用pd/al2o3多孔介质催化剂，填充惰性物质al2o3，反应器空速为1.1h
‑1，脱氢过程有机液体流量750mol/h，氢气流量100nm3/h。
19.进一步优选，所述的发电单元的发电效率为50％，输出电能532mj/h，产生余热320mj/h。
20.优选的，所述的热泵单元主要通过发电单元提供的电能控制工作范围；额定工况下，热泵单元所需电功64mj/h，发电单元将12％的电能供给热泵单元，使得热泵单元提供180℃左右热负荷230mj/h的热源。
21.优选的，所述的吸收式热泵单元为溴化锂/水第二类单效吸收式热泵，其中吸收器工作温度为120～150℃，热负荷177mj/h，蒸发器和发生器工作温度为70～90℃，冷凝器工作温度为160～190℃，cop为1.2～1.4。
22.优选的，所述的蒸汽压缩式热泵单元采用高温制冷剂r11，其中蒸发器工作温度为110～130℃，冷凝器工作温度为170～190℃，cop为1.28，提供热负荷230mj/h的热源。
23.所述的有机液体为n
‑
乙基咔唑有机储氢液体，富氢有机液体为十二氢乙基咔唑，富氢有机液体流量为750mol/h。
24.本发明的另一目的在于提供上述的一种有机液体集成能源系统在储能电站中的应用。
25.与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
26.本发明通过两级热泵单元利用了燃料电池中产生的废热，不再需要外部热源供应放氢过程，提高了整体能效，相对于电加热或氢气催化燃烧等方式也有明显的效率提升，相对于氢气催化燃烧方案，发电效果提高15％～23％以上，是一种应用范围广泛、储能效率较高的新型技术方案。
27.本发明系统无需外界供热、储能密度高、安全环保，适用于储能电站等追求能效的应用场景。
附图说明
28.下面结合附图对本发明做进一步说明：
29.图1为本发明一种高效热量回收的有机液体集成能源系统的结构示意图；
30.图2为本发明压缩式热泵工况循环压焓图；
31.图中：1、储存单元，2、换热单元，3、脱氢反应单元，4、气液分离单元，5、发电单元，
6、热泵单元，7、蒸汽压缩式热泵单元，8、吸收式热泵单元，9、富氢有机液体储罐，10、贫氢有机液体储罐。
32.a——b为压缩过程
33.b——c为冷凝过程
34.c——d为节流过程
35.d——a为蒸发过程。
具体实施方式
36.本发明提出了一种高效热量回收的有机液体集成能源系统，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
37.如图1所示，本发明提出了一种高效热量回收的有机液体集成能源系统，包括从其往后依次连接的储存单元1、换热单元2、脱氢单元3、气液分离单元4、发电单元5和热泵单元6。
38.其中储存单元1包括富氢有机液体储罐9和贫氢有机液体储罐10，富氢有机液体储罐9中储存特定的富氢有机储氢液体，贫氢有机液体储罐10中储存贫氢有机储氢液体；
39.富氢有机液体储罐9和贫氢有机液体储罐10分别与换热单元2相连，具体的，换热单元2以板翅式换热器及相应泵阀组成，板翅式换热器的具体结构参照现有技术即可，此处不做详细冗述。
40.富氢有机液体从富氢有机液体储罐9泵出，经换热单元2预热进入脱氢反应单元3，经脱氢反应单元3所得气液混合物进入气液分离单元4中，经气液分离单元4分离后，得到的贫氢液体经换热单元2冷却进入贫氢有机液体储罐10储存，等待后期循环处理；经过气液分离单元4分离后所得氢气进入发电单元中。
41.脱氢反应单元3的大体结构如：包括脱氢反应器、换热器、相应泵阀和电控设备，各个设备的具体结构参见现有技术即可，脱氢反应单元3中富氢有机液体发生吸热的脱氢反应，吸热所需的热量从热泵单元6中得到，将所获得的热量供给脱氢过程，反应产物到达气液分离单元4；
42.气液分离单元4中反应产物被分离为氢气和贫氢有机液体，贫氢液体经换热单元返回贫氢有机液体储罐10，氢气则被泵入发电单元5；
43.发电单元5以质子交换膜燃料电池为主，包含相应的换热器、管件及电控设备，空气和氢气在发电单元5中反应发电，产生的电能一部分输入到热泵单元6支持蒸汽压缩式热泵7的正常工作，绝大部分输出外界供应其他用电器工作；热泵单元6主要包含吸收式热泵单元8和蒸汽压缩式热泵单元7，从发电单元6得到的废热依次经两级热泵被转化为品质高、热量足的热源最终供应给脱氢反应单元3。
44.上述的一种高效热量回收的有机液体集成能源系统，其中的有机液体为n
‑
乙基咔唑有机储氢液体，富氢液体为十二氢乙基咔唑，富氢有机液体流量750mol/h。
45.上述的一种高效热量回收的有机液体集成能源系统，其中的脱氢反应单元3为多孔介质固定床反应器，在160～170℃温度范围工作，采用pd/al2o3多孔介质催化剂，填充惰性物质al2o3，反应器空速为1.1h
‑1，脱氢过程有机液体流量750mol/h，氢气流量100nm3/h。
46.上述的一种高效热量回收的有机液体集成能源系统，换热单元2采用管壳式换热
器，热负荷23.55mj/h。
47.上述的一种高效热量回收的有机液体集成能源系统，发电单元5采用质子交换膜氢燃料电池，发电效率50％，输出电能532mj/h，产生余热320mj/h。
48.上述的一种高效热量回收的有机液体集成能源系统，其热泵单元6主要通过发电单元5提供的电能控制工作范围；额定工况下，热泵单元6所需电功64mj/h，发电单元将12％的电能供给热泵单元6，使得热泵单元提供180℃左右热负荷230mj/h的热源；
49.上述的一种高效热量回收的有机液体集成能源系统，其热泵单元6中吸收式热泵8为溴化锂/水第二类单效吸收式热泵，其中吸收器工作范围在130℃左右，热负荷177mj/h，蒸发器和发生器工作范围在80℃左右，冷凝器工作范围在25℃左右，cop为0.56；热泵单元6中蒸汽压缩式热泵7采用高温制冷剂r11，其中蒸发器工作范围在120℃左右，冷凝器工作范围在180℃左右，cop为1.28，提供热负荷230mj/h的热源，系统温焓图见附图2；
50.上述的一种高效热量回收的有机液体集成能源系统，所述脱氢得到的产物氢化学能1079mj/h，供电系统整体发电功率470mj/h，发电效率为44％，比较催化燃烧系统提高发电效率23％。
51.下面对本发明上述系统的工作方法做出说明。
52.具体包括以下步骤：
53.第一步、富氢有机液体从富氢有机液体储罐中泵出，经过换热单元预处理，之后进入脱氢反应单元，在脱氢反应单元中催化剂的作用下，进行脱氢反应，得到气液混合物；
54.第二步、所得气液混合物进入气液分离单元，经气液分离单元进行分离，分离所得贫氢液体经换热单元冷却进入贫氢有机液体储罐储存，等待后期循环处理；
55.第三步、气液分离单元所得氢气被泵入发电单元，空气和氢气在发电单元中反应发电，产生的电能一部分输入到热泵单元支持蒸汽压缩式热泵的工作，绝大部分输出外界供应其他用电器工作；从发电单元得到的废热依次经两级热泵被转化为品质高、热量足的热源最终供应给脱氢反应单元。
56.本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
57.尽管本文中较多的使用了诸如储存单元1、换热单元2、脱氢反应单元3、气液分离单元4等术语，但并不排除使用其它术语的可能性，使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
58.需要进一步说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。