一种铝水制氢控制方法以及铝水制氢控制装置与流程

1.本发明涉及铝水制氢技术领域，具体涉及一种铝水制氢控制方法以及铝水制氢控制装置。


背景技术：

2.金属制氢的原理是利用活泼金属与水发生氧化还原反应制备氢气，这种制氢方法具有反应速度快、能量效率高、可循环等优点。金属单位质量体积小、密度大且极易保存，是一种潜在的制氢材料，金属被处理后发生置换反应产氢已经发展起来，有机碳氢化合物和含氢量丰富的水经常被用作氢源。在常温下能够与水直接反应的活泼金属原料，如钠、钾、镁等，获取途径较难、制备成本高，而且储存条件苛刻，因而并不适宜作为制氢原料。在常温条件下，铝与水接触也可发生反应产生氢气，副产物回收较为方便；同时铝是世界上储量最丰富的金属材料，价格便宜。
3.但是现有技术中的铝水制氢存在供氢量不足、且无法自适应目标设备的氢气需求的技术问题。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种铝水制氢控制方法以及铝水制氢控制装置，实现大规模稳定制氢。
5.实现本发明技术目的的方案为一种铝水制氢控制方法，应用于具有n个反应釜的制氢装置，n大于等于3，所述铝水制氢控制方法，包括：
6.控制各个所述反应釜依次开启，且当所述反应釜开启后，控制在所述反应釜内持续进行制氢工序；第i个开启的所述反应釜与第i 1个开启的所述反应釜的开启时间间隔ti≤ai b
i-a
i 1
，其中，bi为第i个开启的所述反应釜所进行的制氢工序中反应阶段的反应周期，ai为第i个开启的所述反应釜所进行的制氢工序中投料阶段的投料周期。
7.进一步地，所述制氢工序，具体包括，
8.投料阶段：在投料周期ai时间内，向所述反应釜内加入反应水和铝材料；
9.反应阶段；所述反应水和所述铝材料进行反应周期为bi的制氢反应；
10.排料阶段：在排料周期ci时间内，排出所述反应釜中生成的氢气并收集排出的所述氢气；排出所述反应釜内的反应水。
11.进一步地，所述当所述反应釜开启后，控制在所述反应釜内持续进行制氢工序，具体包括：不间断循环进行所述投料阶段、所述反应阶段和排料阶段；
12.所述控制各个所述反应釜依次开启，具体还包括，控制ti＞ai b
i-a
i 1-b
i 1
，且t
i 1
＞ti ai b
i-a
i 1-b
i 1
，其中ti为第i个开启的所述反应釜所进行的制氢工序中，所述投料阶段开始至所述排料阶段结束的循环周期。
13.进一步地，所述控制在所述反应釜内持续进行制氢工序，具体还包括，控制各所述反应釜所进行的所述制氢工序中，ti＝t
i 1
，ai＝a
i 1
，bi＝b
i 1
；ci＝c
i 1
；且ti≥ai。
14.进一步地，所述铝水制氢控制方法，还包括，在所述反应釜持续进行制氢工序的过程中，监测所述反应釜的内部温度，当所述反应釜的内部温度达到设定值时，对所述反应釜进行换热冷却。
15.进一步地，所述铝水制氢控制方法中，所述控制所述反应釜持续进行制氢工序，具体还包括，
16.在反应阶段中，所述制氢反应开始至距离结束设定时间时，进行排料阶段中的所述排出所述反应釜中生成的氢气并收集排出的所述氢气；
17.在收集排出的所述氢气之前，对排出各所述反应釜中的所述氢气先后进行冷却处理和干燥处理，得到目标氢气，收集所述目标氢气并进行存储或供应至后端使用设备。
18.进一步地，所述投料阶段，具体还包括，
19.在向所述反应釜内加入所述铝材料之前，对所述反应釜进行抽真空处理；
20.所述排料阶段中，所述排出所述反应釜内的反应水，具体还包括，监测所述反应釜中的反应水的水位，当监测到所述水位降至设定水位时，进行所述投料阶段中的向所述反应釜内加入反应水，以对所述反应釜的内壁进行冲洗；
21.所述排料阶段，具体还包括，将所述反应釜内的所述制氢反应的副产物排出，并对所述反应副产物进行絮凝处理和压制干化处理。
22.基于同样的发明构思，本发明还提供了一种用于上述的铝水制氢控制方法的铝水制氢控制装置，包括，
23.三个以上反应釜，均具有进料口、进水口、用于排放氢气的排气口以及用于排放反应水的排水口；
24.投料组件，与各所述进料口均连通，用于储存铝材料并向所述反应釜中注入所述铝材料；
25.水箱，与各所述进水口均连通，用于向所述反应釜中注入反应水。
26.进一步地，所述投料组件包括连通的储料舱和与所述反应釜数量相同的待料舱，所述待料舱与所述反应釜一一连通；
27.所述铝水制氢控制装置还包括连通于所述排气口的氢气处理组件，所述氢气处理组件包括连通的气体冷却器、气水分离器、干燥器、氢气增压泵和用于将所述氢气输送至目标设备的储氢罐。
28.进一步地，所述铝水制氢控制装置还包括，
29.冷却组件，包括冷媒管，冷却塔和板式换热器，所述冷媒管连通于所述水箱且包括盘设于所述反应釜外壁的外盘管和穿设于所述反应釜内的内置管；所述水箱和所述冷媒管连通于所述板式换热器的一侧，所述冷却塔连通于所述板式换热器的另一侧。
30.由上述技术方案可知，本发明提供的铝水制氢控制方法，通过控制在前次反应釜内的反应产氢结束之前，开始后次反应釜内的反应产氢，即第i个开启的所述反应釜与第i 1个开启的所述反应釜内的铝水反应存在交叉，以实现氢气产量的叠加，且可以使得所有反应釜产氢不间断，达到大规模制氢、氢气持续制造输出的技术效果，可以满足移动用氢终端实时、变工况用氢需求。
附图说明
31.图1为本发明实施例1提供的铝水制氢控制方法的流程框图；
32.图2为本发明实施例2提供的铝水制氢控制装置的示意图；
33.图3为图2的铝水制氢控制装置的氢气处理组件的示意图；
34.图4为图2的铝水制氢控制装置的反应副产物处理组件的示意图。
35.附图说明：1-反应釜；2-投料组件，21-储料舱，22-待料舱，23-真空泵；3-水箱；4-冷却组件，41-冷媒管，42-冷却塔，43-板式换热器；5-氢气处理组件，51-气体冷却器，52-气水分离器，53-干燥器，54-氢气增压泵，55-储氢罐；6-反应副产物处理组件，61-搅拌池，62-清水池，63-高位溢流口，64-螺杆泵，65-板框机，66-空压机；7-液封罐；8-排空口；9-控制组件。
具体实施方式
36.为了使本技术所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本技术，下面结合附图，通过具体实施例对本技术技术方案作详细描述。
37.为了解决现有技术中的铝水制氢存在供氢量不足、且无法自适应目标设备的氢气需求的技术问题，本发明提供了一种铝水制氢控制方法以及铝水制氢控制装置，下面通过两个具体实施例进行详细说明：
38.实施例1
39.如图1所示，本实施例提供的一种铝水制氢控制方法，应用于具有n个反应釜的制氢装置，n大于等于3，可以保证制氢工序进行过程中，开始产生氢气后的所有时刻均可以稳定、持续地制氢，且适配后端目标设备的需求。铝水制氢控制方法，包括：
40.控制各个反应釜依次开启，且当反应釜开启后，控制在反应釜内持续进行制氢工序；第i个开启的反应釜与第i 1个开启的反应釜的开启时间间隔ti≤ai b
i-a
i 1
，其中，bi为第i个开启的反应釜所进行的制氢工序中反应阶段的反应周期，ai为第i个开启的反应釜所进行的制氢工序中投料阶段的投料周期，使得在前次反应釜内的反应产氢结束之前，开始后次反应釜内的反应产氢，即第i个开启的反应釜与第i 1个开启的反应釜内的铝水反应存在交叉，以实现氢气产量的叠加，且可以使得所有反应釜产氢不间断，达到大规模制氢、氢气持续制造输出的技术效果。
41.本实施例中，制氢工序，具体包括，
42.投料阶段：在投料周期ai时间内，向反应釜内加入反应水和铝材料；
43.反应阶段；反应水和铝材料进行反应周期为bi的制氢反应；
44.排料阶段：在排料周期ci时间内，排出反应釜中生成的氢气并收集排出的氢气；排出反应釜内的反应水。
45.本发明对反应水和铝材料的加入顺序不做具体限定，为了降低投料过程中产生的部分氢气对投料系统的影响，本实施例中，向反应釜内加入反应水和铝材料，具体包括，先后进行时间为a1i的向反应釜内加入反应水和时间为a2i的向反应釜内加入铝材料，a1i a2i＝ai。
46.为了在控制反应釜数量以控制成本和装置的规模的同时，达到大规模持续制氢的需求，本实施例中，当反应釜开启后，控制在反应釜内持续进行制氢工序，具体包括：不间断
循环进行投料阶段、反应阶段和排料阶段，即在前次排料阶段结束的瞬间控制该反应釜马上不间断地进行下次投料阶段。
47.控制各个反应釜依次开启，具体还包括，控制ti＞ai b
i-a
i 1-b
i 1
，且t
i 1
＞ti ai b
i-a
i 1-b
i 1
，其中ti为第i个开启的反应釜所进行的制氢工序中，投料阶段开始至排料阶段结束的循环周期，即第i个开启的反应釜内进行的第一次反应阶段先于第i 1个开启的反应釜内第一次进行的反应阶段结束；而后第i个开启的反应釜循环开始第二次反应阶段，且保证第i 2个开启的反应釜内进行的第一次反应阶段先于在第i个开启的反应釜的第二次反应阶段结束。使得每三个依次开启的反应釜的制氢均重叠，保证循环多次后，仍然每个时刻均至少有一个反应釜内产生氢气。
48.需要说明的是，ti≤ai bi ci，即排料阶段不一定在反应阶段的瞬间才开始进行，可以根据需求重叠进行。
49.比如，本实施例中，铝水制氢控制方法中，控制反应釜持续进行制氢工序，具体还包括，在反应阶段中，制氢反应开始至距离结束设定时间时，进行排料阶段中的排出反应釜中生成的氢气并收集排出的氢气，可以达到缩短循环周期的效果，通过工艺效率。
50.为了简化控制程序，确保每个时刻均至少有一个反应釜内产生氢气，实现大规模制氢，本实施例中，控制在反应釜内持续进行制氢工序，具体还包括，控制各反应釜所进行的制氢工序中，ti＝t
i 1
，ai＝a
i 1
，bi＝b
i 1
；ci＝c
i 1
。
51.为了实现平稳制氢，且使在制氢开启一段时间后，各个时间所产生的氢气量均衡稳定，本实施例中，ti≥ai，以曲线的波峰对波谷叠加的原理相似，以稳定制氢。
52.铝水制氢是一个放热反应，反应过程中会产生热量，使水温上升，当温度过高时，制氢反应可控性会变差，同时高温水汽会携带大量氢氧化铝溶液进入后续纯化设备和管道，高温水汽遇到管道内壁冷凝沉积，经过一段时间积累有可能堵塞管道形成安全隐患。本实施例中，铝水制氢控制方法，还包括，在反应釜持续进行制氢工序的过程中，监测反应釜的内部温度，当反应釜的内部温度达到设定值时，对反应釜进行换热冷却。在运行过程中，每个反应釜需要的散热量是不同的，为了适应反应釜的散热需求，通过各个反应釜上连通设置的流量阀控制调节进入各个反应釜的冷却水量。
53.由于铝合金材料与水反应产出的氢气因温度较高、含水量较大等原因不能直接供给后端使用，必须经过纯化方可。为了保证制氢安全和用氢安全，本实施例中，在收集排出的氢气之前，对排出各反应釜中的氢气先后进行冷却处理和干燥处理，得到目标氢气，收集目标氢气并进行存储或供应至后端使用设备。
54.当将本实施例的中的水制氢控制方法应用于船舶时，反应水可直接利用海上水源，当水温较低时，本实施例中，在向反应釜内加入反应水之前，预先将反应水加热至设定温度，以提高铝水反应的效率。优选地，设定温度为水温常温即可。
55.由于需要在同一个反应釜内循环进行制氢，为了避免交叉影响，本实施例中，排料阶段中，排出反应釜内的反应水，具体还包括，监测反应釜中的反应水的水位，当监测到水位降至设定水位时，进行所述投料阶段中的向所述反应釜内加入反应水，以对反应釜的内壁进行冲洗。
56.另外铝水制氢反应副产物需定期排出以免影响后续反应的进行，制氢各个环节需要统一调节，否则难以高效、平稳、安全运行。本实施例中，排料阶段，具体还包括，将反应釜
内的制氢反应的副产物排出，并对反应副产物进行絮凝处理和压制干化处理。
57.为了适应变工况需求，本实施例中，投入原料的量可以相应变化，只需要控制满足任意时刻均产氢即可。
58.本实施例提供的铝水制氢控制方法，可以确保铝水制氢全过程平稳、全自动运行且满足移动终端大规模用氢需求。本发明充分考虑到实用性及试验制氢连续、平稳、安全可控的基本功能；满足单个氢气罐及多罐同时工作的要求；采取自动/手动自由切换、试验过程中参数可修正的原则且工艺流程相对简单，操作简便、安全实用，可以满足移动用氢终端实时、变工况用氢需求。
59.实施例2
60.基于同样的发明构思，本实施例中提供了一种用于实施实施例1中的铝水制氢控制方法的铝水制氢控制装置，如图2-图4所示，铝水制氢控制装置包括，三个以上反应釜1、投料组件2和水箱3。其中各反应釜1均具有进料口、进水口、用于排放氢气的排气口以及用于排放反应水的排水口，提供铝水反应场所并可以带压运行。投料组件2与各进料口均连通，用于储存铝材料并向反应釜1中注入铝材料；水箱3与各进水口均连通，用于向反应釜1中注入反应水，为平稳制氢提供必要条件。
61.为了防止排气阶段内部氢气溢出，本实施例中，在排水口设置有液封罐7。
62.本发明提供的铝水制氢控制装置，在各个反应釜1内均进行循环的制氢工序，为了实现投料的控制，本实施例中，投料组件2包括连通的储料舱21和与反应釜1数量相同的待料舱22，待料舱22与反应釜1通过管道一一连通，管道上设置有加料球阀，以控制储料舱21和待料舱22的导通和切断，储料舱21储存自动运行期间所需的铝合金材料，待料舱22临时储存单次反应所需的铝合金材料，以在反应开始前将反应原料铝合金材料按时序定量加入。
63.为了保证整个加料过程不会使空气进入，本实施例中，投料组件2还包括真空泵23，真空泵23连通于待料舱22。
64.氢气的制备需要严格的安全性，为了保证安全，本实施例中，反应釜1上开设有紧急排空口8，紧急排空口8设置有被动开启的安全阀，当反应釜内部压力超过安全阀的标定值时安全阀开启，实现氢气的紧急排空。
65.铝合金材料与水反应产出的氢气因温度较高、含水量较大等原因不能直接供给后端使用，必须经过纯化方可。另外氢气产出与氢气消耗可能不同步进行，因此还需一个氢气罐。本实施例中，铝水制氢控制装置还包括连通于排气口的氢气处理组件5，氢气处理组件5包括连通的气体冷却器51、气水分离器52、干燥器53、氢气增压泵54和用于将氢气输送至目标设备的储氢罐55。纯化过程分三级工作，第一级为气体冷却器51，用来将气体中的水蒸气分离出来；第二级为气水分离器52，将冷却后的液滴从气体中分离出来；第三级为a/b干燥器53，对气体进行物理吸附干燥，以对产出的氢气进行冷却、干燥处理。
66.由于铝水制氢是一个放热反应，反应过程中会产生热量，使水温上升，当温度过高时，制氢反应可控性会变差，同时高温水汽会携带大量氢氧化铝溶液进入后续纯化设备和管道，高温水汽遇到管道内壁冷凝沉积，经过一段时间积累有可能堵塞管道形成安全隐患。
67.为了控制反应温度，本实施例中，反应釜1设置有温度传感器；铝水制氢控制装置还包括冷却组件4，包括冷媒管41、冷却塔42和板式换热器43，冷媒管41连通于水箱3且包括
盘设于反应釜1外壁的外盘管和穿设于反应釜1内的内置管；水箱3和冷媒管41连通于板式换热器43的一侧，冷却塔42连通于板式换热器43的另一侧，以维持反应过程中反应水温度不超过一定的温度(工艺参数)，带走反应放热量，板式换热器43收集的热量再对反应水进行加热，利用铝水反应产生的能量。可以使用河水或制淡海水作为水源。
68.铝水制氢反应副产物需定期排出以免影响后续反应的进行，反应副产物处理组件6包括搅拌池61、清水池62、板框机65、空压机66等。主要功能是对反应副产物进行干化处理，并将上清液回收。具体地，反应物泥浆通过反应器反应副产物排放口后，自动进入副产物处理环节，经过副产物搅拌池61、加药、絮凝、反应，清水自动溢出到清水池62备用。浓缩絮凝后的副产物通过螺杆泵64进入板框机65进行干化脱水，泥饼回收。板框机65压滤脱出来的水通过液位落差进入清水池62备用，清水池62设计有高位溢流口63，多余清水的自动外排。
69.铝水制氢控制装置还包括控制组件9，主要由开关设备、测量仪表、保护电器和辅助设备等组成，通过触摸屏实现人机交互。控制组件9通过网络通讯及配电与其它组件互联，提供人机交互平台，对各组件的状态进行实时检测与控制，集中调度管理各组件按照预定流程和时序完成制氢作业。
70.为了保证制氢的安全，本实施例中，反应釜1以及储氢罐55均设置安全阀，安全阀接口对应独立管线进入隔离收集区域，且在独立管线上设置有阻火器。
71.为了监测反应釜1内的压力，以确保反应釜1工作在正常压力范围内，本实施例中，反应釜1内设置有压力传感器。
72.为了监控水位以及判断反应水是否完全排出，本实施例中，反应釜1内还设置有超声波液位计。
73.本实施例提供的铝水制氢控制装置的单个反应釜1的使用方法以及工作原理如下：
74.第一个制氢周期中：
75.反应准备以及投料阶段(反应器第一次启动状态)：所有阀门初始化处于关闭状态，水箱3加热水温至一设定值，打开进水阀门和反应釜底部连通液封罐的排水阀门，以向液封罐内注水，保证水密封，并关闭包括液封罐的出水阀门在内的其他阀，向反应釜1中注入反应水，与此同时对待料舱22和加料舱抽真空。铝合金材料通过螺旋送料器由储料舱21提前加至待料舱22，并通过称重传感器测量输送的铝合金材料的重量；以按时序定量加入铝合金材料。接收到投料指令后，打开加料上球阀铝合金材料进入待料舱22，然后连通加料舱和待料舱的上阀门和连通待料舱和反应釜的下阀门处于关闭状态，待水注入反应器后进水阀门关闭，加料下球阀打开铝合金材料进入反应器中，铝合金材料全部投入后加料下球阀关闭，进入反应阶段，优选地，上阀门和下阀门均为蝶阀，以到达更佳的效果。
76.反应阶段：铝合金材料与水反应，压力传作用感器实时传递反应器内的压力到plc控制系统，温度传感器实时传递反应器内水温到plc控制系统，当温度达到设定值时水冷系统开始工作控制水温在设定值左右，所产出的氢气进入纯化储存组件。
77.反应结束阶段(同时进行下次循环准备)：反应开始一定时间后，底部球阀开启，液位计探测到反应器内部水位降到一定值后，排水阀门开启，反应副产物进入到反应副产物处理组件6中。液位计实时反馈反应器内部液位，反应器内部水位降到一定值后，进水阀门
开启开始冲洗，一段时间后排水阀门关闭，然后反应器内部水位上升到一设定值后底部球阀关闭。反应副产物处理组件6独立工作，工作时间不计入整个反应时间中。反应器内液位降到一定值后，排水阀门关闭，进入下一制氢工序周期，在下一制氢工序中，在投料阶段加入铝材料之前，对待料舱22和加料舱抽真空，以排出上次序投料阶段溢出至投料组件的氢气。
78.通过上述实施例，本发明具有以下有益效果或者优点：
79.本发明提供的一种铝水制氢控制方法以及铝水制氢控制装置，充分考虑到实用性及试验制氢连续、平稳、可控的基本功能；满足单个氢气罐及多罐同时工作的要求；采取自动/手动自由切换、试验过程中参数可修正的原则且工艺流程相对简单，操作简便、安全实用，可以满足移动用氢终端实时、变工况用氢需求。
80.尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
81.显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。