專(zhuān)利名稱(chēng)：一種使用可回收液體金屬試劑用于受控按需就地氫氣發(fā)生的系統(tǒng)以及該系統(tǒng)中使用的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于使用堿金屬和堿土金屬化學(xué)發(fā)生氫氣以及從對(duì)應(yīng)氫氧化物回收堿金屬和堿土金屬的技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明在發(fā)生量對(duì)應(yīng)于可變需求的可控氫氣發(fā)生方面尤其有用，例如配備內(nèi)燃機(jī)、渦輪機(jī)或氫電池的交通工具，所述交通工具如陸路、空中或水上運(yùn)動(dòng)的交通工具，以及任何用于任何通途的需要按需氫氣發(fā)生的其他裝置。
背景技術(shù)：
氫氣可作為污染燃料在燃料電池、內(nèi)燃機(jī)或渦輪機(jī)以及任何使用氣態(tài)氫作為燃料使用的其他系統(tǒng)中使用。顯然，使用氫氣作為燃料的動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)需要?dú)錃馔ㄟ^(guò)一種發(fā)生 工藝產(chǎn)生。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)這種發(fā)生工藝產(chǎn)生的氫氣以氣體或液體的形式儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐中，再?gòu)膬?chǔ)罐輸送到動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)(例如US2006/011659A1)。這些系統(tǒng)和不可再生的化石燃料使用的常規(guī)運(yùn)輸系統(tǒng)相當(dāng)。氫氣發(fā)生系統(tǒng)有很多種，尤其如US-6245309-B1和US-6461408-B2中公開(kāi)的甲醇等碳?xì)浠衔锏拇呋卣S2004/0065542A1中公開(kāi)的水的電解、US2005/0036941A1和US2009/0274595A1中公開(kāi)的氫化物、US-4988486中公開(kāi)的金屬和酸、US-7052658-B2中公開(kāi)的金屬和堿氨基硼烷。按照美國(guó)能源部("DOE ")的標(biāo)準(zhǔn)，能量密度是"每磅(也就是單位重M.)白勺胃月目倉(cāng)泛 fi t 比 〃 (#= # 倉(cāng)泛 # · http://wwwl. eere. energy, gov/solar/solarRlossary. html#E)。下表所列為可作為燃料使用的一些物質(zhì)的能量表I
權(quán)利要求
1.一種受控按需就地氫氣發(fā)生的系統(tǒng)，其包含用于儲(chǔ)存第一試劑的第一儲(chǔ)存裝置(I);用于儲(chǔ)存第二試劑軟化水的第二儲(chǔ)存裝置(2);使試劑反應(yīng)發(fā)生氫氣的反應(yīng)器(3)，反應(yīng)器(3)包含試劑進(jìn)口(3a、3b)和反應(yīng)器出口(3c);用于將加熱到高于其熔點(diǎn)的第一試劑液流可控注入反應(yīng)器(3)的注入裝置(7，8);用于將軟化水注入反應(yīng)器(3)注水系統(tǒng)(13、 14,15);連接到反應(yīng)器出口(3c)用于將氫氣從反應(yīng)器(3)中產(chǎn)生的殘留反應(yīng)產(chǎn)物分離的分離裝置(4、18);以及連接到第一分離裝置(4)用于接收從第一分離裝置(4)中所提取氫氣的氫氣接收裝置(5);其特征在于試劑是一種選自堿金屬、堿土金屬、由堿金屬組成的堿金屬合金或混合物、由堿土金屬組成的堿土金屬合金或混合物以及由至少一種堿金屬和至少一種堿土金屬組成的金屬合金或混合物的不含鋁的純金屬試劑，殘留反應(yīng)產(chǎn)物包含選自堿金屬氫氧化物和堿土金屬氫氧化物的金屬氫氧化物；注入裝置(7、8)是用于通過(guò)擠出將液態(tài)金屬試劑的液流可控注入反應(yīng)器(3)的金屬試劑注入裝置(7，8)；水注入系統(tǒng)(13、14、15)用于對(duì)應(yīng)于注入反應(yīng)器(3)的金屬試劑量隨時(shí)注入化學(xué)計(jì)量的水(優(yōu)選為液態(tài)冷水)，使反應(yīng)器(3)內(nèi)部的受控金屬試劑/水的比率得以保持；反應(yīng)器(3)是一個(gè)均質(zhì)反應(yīng)器；其中進(jìn)一步包含用于通過(guò)選擇性地在系統(tǒng)中提供了真空來(lái)保持儲(chǔ)存裝置(1、2)、金屬試劑注入裝置(7、8)、注水系統(tǒng)(13、14、15)、反應(yīng)器(3)、分離裝置(4、18)和氫氣接收裝置 (5)不含氧氣的真空裝置(IOaUObUOc) 0
2.—種根據(jù)權(quán)利要求I的氫氣發(fā)生系統(tǒng)，其特征在于第一儲(chǔ)存裝置(I)通過(guò)一個(gè)金屬試劑進(jìn)料系統(tǒng)連接到第一反應(yīng)器進(jìn)口(3a)，所述金屬試劑進(jìn)料系統(tǒng)包含至少一個(gè)用于通過(guò)將液態(tài)的金屬試劑液流經(jīng)過(guò)受控尺寸管口擠出機(jī)模頭擠出而可控注入反應(yīng)器(3)的金屬試劑注入設(shè)備(7)；一個(gè)將注入設(shè)備(7)和第一反應(yīng)器進(jìn)口(3a)連接的金屬注入管(8)；用于將金屬試劑加熱到金屬試劑熔點(diǎn)以上的所述溫度使其在進(jìn)入反應(yīng)器(3)前轉(zhuǎn)為所述液態(tài)的試劑加熱裝置(9a、9b)；在第一進(jìn)料系統(tǒng)、儲(chǔ)存裝置(1、2)、注水裝置(13、14、15)、反應(yīng)器(3)、分離裝置(4、18) 和氫氣接收裝置(5)選擇性產(chǎn)生真空并使其不含氧氣、確保適當(dāng)儲(chǔ)存條件和工藝啟動(dòng)的真空發(fā)生裝置(IOaUObUOc) ο提供用于控制金屬試劑進(jìn)入反應(yīng)器(3)流量的流量控制閥裝置(11、12)；用于將反應(yīng)器(3)保持在工作溫度的制冷裝置(17)；第二儲(chǔ)存裝置(2)通過(guò)一個(gè)水進(jìn)料系統(tǒng)與第二反應(yīng)器連接，所述進(jìn)料系統(tǒng)包含一個(gè)將第二儲(chǔ)存裝置(2)連接到第二反應(yīng)器進(jìn)口(3b)的注水管(13)、用于計(jì)量注入反應(yīng)器(3)的水的水計(jì)量裝置(14)以及連接到第二反應(yīng)器進(jìn)口(3b)的注水裝置(15)。流量控制裝置(11)和水計(jì)量裝置(14)由比例控制裝置控制，使水計(jì)量裝置(14)始終提供所述化學(xué)計(jì)量的水，使反應(yīng)器(3)中的所述受控金屬試劑/水的比率得以保持。
3.—種根據(jù)權(quán)利要求2的氫氣發(fā)生系統(tǒng),其特征在于金屬注入設(shè)備(7)包含一個(gè)圓柱形管(7a)、一個(gè)上述容納液態(tài)金屬試劑的蓋室(7b)和一個(gè)連接到堿金屬注入管(8)的試劑出口 (7c)、通過(guò)試劑進(jìn)料管(7g)以及連接試劑進(jìn)口(7d)和第一儲(chǔ)存裝置之間(I)的試劑進(jìn)料閥(7i)連接到第一儲(chǔ)存裝置(I)的試劑進(jìn)口(7d)；與真空發(fā)生裝置(10a、10b、IOc)連接的真空口(7e)；一個(gè)可在圓柱形管(7a)中移動(dòng)的活塞(7f)，活塞向第一位置(C)移動(dòng)將堿金屬通過(guò)試劑進(jìn)口(7e)吸入蓋室(7b)，向第二位置(V)移動(dòng)將堿金屬試劑液流通過(guò)試劑出口(7c)推出到堿金屬注入管(8)中；一個(gè)控制活塞在所述第一位置(C)和所述第二位置(V)之間的運(yùn)動(dòng)以便在圓柱形筒 (7a)內(nèi)存在的液體金屬試劑上施加受控的壓力的活塞作動(dòng)器(7j)。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求2或3的氫氣發(fā)生系統(tǒng)，其特征在于流量控制閥裝置(11、12)被插入金屬注入管(8)，并包含一個(gè)布置在試劑出口(7c)和第一反應(yīng)器進(jìn)口(3a)之間的壓力控制閥(11)；一個(gè)布置在壓力控制閥(11)和第一反應(yīng)器進(jìn)口(3a)之間防止試劑從反應(yīng)器(3)回流的單向閥(12)。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求2、3或4的氫氣發(fā)生系統(tǒng)，其特征在于真空發(fā)生裝置(10a、10b、 10c)包含一個(gè)通過(guò)真空管(IOb)以及一個(gè)插入真空管(IOb)的真空閥(IOc)連接到真空口 (7e)的真空系統(tǒng)(IOa)。
6.—種根據(jù)權(quán)利要求3-5的氫氣發(fā)生系統(tǒng),其特征在于試劑的加熱裝置(9a、9b)包含布置成至少加熱金屬試劑注入設(shè)備(7)蓋室(7b)的第一試劑加熱裝置(9a)。
7.—種根據(jù)權(quán)利要求3-6的氫氣發(fā)生系統(tǒng),其特征在于試劑的加熱裝置(9a、9b)包含布置在金屬注入管(8)中的第二試劑加熱裝置(％)。
8.—種根據(jù)前述任一權(quán)利要求的氫氣發(fā)生系統(tǒng),其特征在于分離裝置(4、18)包含連接到反應(yīng)器出口(3c)的第一分離裝置(4)，其包含連接反應(yīng)器出口(3c)用于接收反應(yīng)器生成的氫氣和殘留反應(yīng)產(chǎn)物混合物的進(jìn)口(4a)、連接到氫氣接收裝置(5)的第一出口(4b) 以及連接到金屬氫氧化物接收裝置(6)被提供用于接收從第一分離裝置(4)抽取的殘留反應(yīng)產(chǎn)物的第二出口(4c)。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求8的氫氣發(fā)生系統(tǒng)，其特征在于反應(yīng)器出口(3c)被連接到噴霧噴嘴(16)，將所述混合物噴入第一分離裝置(4)。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求8和9的氫氣發(fā)生系統(tǒng)，其特征在于第一分離裝置(4)包含連接到真空系統(tǒng)(IOa)中的吸入口(4d)以及一個(gè)將吸入口(4d)和真空系統(tǒng)(IOa)之間互連的啟動(dòng)真空閥(23)。
11.一種根據(jù)權(quán)利要求8、9或10的氫氣發(fā)生系統(tǒng),其特征在于其包含將氫氣接收裝置 (5)和第一分離裝置(4)的第一出口(4b)之間相互連接的第二分離裝置(18)，第二分離裝置(18)是一個(gè)除沫器，其包含一個(gè)連接到第一分離裝置(4)第一出口的氣體-蒸氣進(jìn)口 (18a)，一個(gè)連接到氫氣接收裝置(5)的氫氣出口(18b)和一個(gè)連接到金屬氫氧化物接收裝置(6)的金屬氫氧化物出口(18c)。
12.—種根據(jù)權(quán)利要求11的氫氣發(fā)生系統(tǒng)，其特征在于其包含一個(gè)將液滴分離器(18) 和氫氣接收裝置(5)之間相互連接的氫氣過(guò)濾設(shè)備(19)。
13.一種根據(jù)任一前述權(quán)利要求的氫氣發(fā)生系統(tǒng)，其特征在于反應(yīng)器(3)的制冷裝置 (17)通過(guò)通有冷卻液的回路與第一和/或第二試劑加熱裝置(9a、9b)連接，這樣反應(yīng)器 (3)中產(chǎn)生的熱量可用于在金屬試劑注入到反應(yīng)器(3)之前對(duì)其加熱。
14.一種根據(jù)任一前述權(quán)利要求的氫氣發(fā)生系統(tǒng)，其特征在于其進(jìn)一步包含一個(gè)金屬氫氧化物還原反應(yīng)器(24)，其包含一個(gè)反應(yīng)室(24a)，一個(gè)用于包含至少一種金屬氫氧化物的殘留反應(yīng)產(chǎn)物向反應(yīng)室(24a)進(jìn)料、以便使殘留反應(yīng)產(chǎn)物與一種包含硅鐵和氧化鈣的還原劑接觸的殘留物進(jìn)口(24c)，一個(gè)用于有選擇地從反應(yīng)室(24a)提取水分和汽化堿金屬試劑的反應(yīng)器提取出口(24d)；反應(yīng)器加熱裝置(25)，其被用于有選擇地將反應(yīng)室(24a)加熱到脫水溫度，將水分從殘留反應(yīng)產(chǎn)物中抽出，加熱到焙燒溫度，將無(wú)水金屬氫氧化物轉(zhuǎn)化為金屬氧化物，以及加熱到高于殘留反應(yīng)產(chǎn)物中堿金屬試劑沸點(diǎn)的氣化溫度，以得到汽化的堿金屬試劑；一個(gè)連接到提取出口(24d)和真空發(fā)生裝置(26b)的真空導(dǎo)管(26a)；一個(gè)在提取出口(24d)和真空發(fā)生裝置(26b)之間的真空導(dǎo)管中互連的真空阱(27)， 真空阱(27)包含一個(gè)位于其底部并連接到冷凝液提取閥(28)冷凝液出口(27a)和一個(gè)位于其頂部并連接到放空閥(29)的放空出口(27b)。一個(gè)在提取出口(24a)和真空阱(27)之間的真空導(dǎo)管(26a)中互連的水分提取閥 (26c)；用于將真空阱(24)中的水分冷卻至水分冷凝溫度的水分冷卻裝置(30)；一個(gè)連接到反應(yīng)器提取出口(24d)并連接到堿金屬儲(chǔ)存器(32)的提取導(dǎo)管(31)。堿金屬的冷卻裝置(33)，其被布置在提取導(dǎo)管(31)上，用于通過(guò)將進(jìn)入提取導(dǎo)管(31) 的汽化堿金屬冷卻到堿金屬的熔點(diǎn)以上的一個(gè)溫度而使其液化，從而將液態(tài)堿金屬送入堿金屬儲(chǔ)存器(32)。
15.—種根據(jù)權(quán)利要求14的氫氣發(fā)生系統(tǒng),其特征在于堿金屬儲(chǔ)存器(32)提供有儲(chǔ)存器加熱裝置(34)，用于保持液態(tài)堿金屬處于液體狀態(tài)。
16.—種根據(jù)權(quán)利要求14或15的氫氣發(fā)生系統(tǒng),其特征在于堿金屬儲(chǔ)存器(32)是所述的第一儲(chǔ)存裝置(I)。
17.—種根據(jù)權(quán)利要求14、15或16的氫氣發(fā)生系統(tǒng),其特征在于金屬氫氧化物還原反應(yīng)器(24)包含一個(gè)還原劑進(jìn)口(24b)，用來(lái)將細(xì)碎的硅鐵和氧化鈣混合物向反應(yīng)室(24a) 進(jìn)料。
18.一種根據(jù)任一前述權(quán)利要求的氫氣發(fā)生系統(tǒng)，其特征在于反應(yīng)器(3)的制冷裝置 (17)通過(guò)通有冷卻液的回路與氫氧化物還原反應(yīng)器(24)熱連接，這樣反應(yīng)器(3)中產(chǎn)生的熱量可用于加熱金屬氫氧化物還原反應(yīng)器(24)。
19.一種按需受控就地氫氣發(fā)生的方法，其包含通過(guò)選自堿金屬、堿土金屬、由堿金屬組成的堿金屬合金或混合物、由堿土金屬組成的堿土金屬合金或混合物以及由至少一種堿金屬和至少一種堿土金屬組成的金屬合金的不含鋁的金屬試劑與水的反應(yīng)制取氫氣和包含選自堿金屬氫氧化物和堿土金屬氫氧化物的殘留反應(yīng)產(chǎn)物；并將氫氣從殘留反應(yīng)產(chǎn)物中分離，其特征在于所述方法包含通過(guò)在真空條件下加熱，將金屬試劑液化，得到液態(tài)金屬試劑；通過(guò)金屬試劑注入裝置(7、8)將液體金屬試劑擠出注入到一個(gè)均質(zhì)反應(yīng)器(3)中，同時(shí)通過(guò)注水系統(tǒng)(13、14、15)對(duì)應(yīng)于液體金屬試劑量向反應(yīng)器(3)注入化學(xué)計(jì)量的水，使反應(yīng)器(3)內(nèi)部的受控金屬試劑/水的比率得以保持；將氫氣和殘留反應(yīng)產(chǎn)物從反應(yīng)器(3)轉(zhuǎn)移到分離裝置(4、18)；將氫氣從殘留反應(yīng)產(chǎn)物中分離；將分離出的氫氣轉(zhuǎn)移到氫氣接收裝置(5)，將殘留反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到金屬氫氧化物接收裝置(6)，從而通過(guò)在系統(tǒng)中有選擇地提供真空，使金屬試劑注入裝置(7、8)、注水系統(tǒng) (13、14、15)、反應(yīng)器(3)、分離裝置(4、18)和氫氣接收裝置(5)保持無(wú)氧。
20.一種根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其特征在于，從殘留反應(yīng)產(chǎn)物中存在的堿金屬氧化物中回收堿金屬是通過(guò)使用多種還原劑在金屬氫氧化物還原反應(yīng)器(24)中完成的，采用的工藝包含將殘留反應(yīng)產(chǎn)物從金屬氫氧化物接收裝置(6)轉(zhuǎn)移到金屬氫氧化物還原反應(yīng)器(24)； 在含有殘留反應(yīng)產(chǎn)物的氫氧化物還原反應(yīng)器(24)中產(chǎn)生真空；使殘留反應(yīng)產(chǎn)物在真空中受熱脫水；從金屬氫氧化物還原反應(yīng)器(24)中提取蒸發(fā)出的水，使殘留反應(yīng)產(chǎn)物不含水分； 焙燒殘留反應(yīng)產(chǎn)物，使金屬氫氧化物轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘傺趸?；在真空條件下使用包含細(xì)碎脫水硅鐵合金和氧化鈣混合物的還原劑通過(guò)將反應(yīng)器 (24)中的金屬氧化物加熱到金屬氧化物中所存在金屬沸點(diǎn)以上的溫度來(lái)還原金屬氧化物， 從而提供了一種金屬氧化物的硅熱還原，得到氣化的金屬試劑；從氫氧化物還原反應(yīng)器(24)中提取汽化金屬試劑，并將汽化金屬試劑轉(zhuǎn)移到冷凝器； 在冷凝器中通過(guò)汽化堿金屬試劑冷卻到堿金屬熔點(diǎn)以上的溫度而使其液化，得到液態(tài)堿金屬試劑；將液態(tài)堿金屬轉(zhuǎn)移到一個(gè)堿金屬儲(chǔ)存器(32)。
21.一種根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其特征在于，液態(tài)堿金屬在堿金屬儲(chǔ)存器(32)中保持在液體狀態(tài)。
22.一種根據(jù)權(quán)利要求20或21的方法，其特征在于，通過(guò)金屬試劑注入設(shè)備(7)將堿金屬儲(chǔ)存器(32)中包含的液態(tài)堿金屬注入到所述的反應(yīng)器(3)中。
全文摘要
一種按需受控就地氫氣發(fā)生的方法，其能夠?qū)⑦x自堿金屬、堿土金屬、由堿金屬組成的堿金屬合金或混合物、由堿土金屬組成的堿土金屬合金或混合物以及由至少一種堿金屬和至少一種堿土金屬組成的金屬合金的金屬試劑與水的反應(yīng)制取氫氣和包含選自堿金屬氫氧化物和堿土金屬氫氧化物的殘留反應(yīng)產(chǎn)物；并將氫氣從殘留反應(yīng)產(chǎn)物中分離；通過(guò)在真空條件下加熱，將金屬試劑液化，得到液態(tài)金屬試劑；通過(guò)金屬試劑注入裝置(7、8)將液體金屬試劑擠出注入到反應(yīng)器(3)中，同時(shí)通過(guò)注水系統(tǒng)(13、14、15)對(duì)應(yīng)于液體金屬試劑量向反應(yīng)器(3)注入化學(xué)計(jì)量的水，使反應(yīng)器(3)內(nèi)部的受控金屬試劑/水的比率得以保持；將氫氣和殘留反應(yīng)產(chǎn)物從反應(yīng)器(3)轉(zhuǎn)移到分離裝置(4、18)；將氫氣從殘留反應(yīng)產(chǎn)物中分離；將分離出的氫氣轉(zhuǎn)移到氫氣接收裝置(5)，將殘留反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到金屬氫氧化物接收裝置(6)，從而通過(guò)在系統(tǒng)中有選擇地提供真空，使金屬試劑注入裝置(7、8)、注水系統(tǒng)(13、14、15)、反應(yīng)器(3)、分離裝置(4、18)和氫氣接收裝置(5)保持無(wú)氧。
文檔編號(hào)C01B3/08GK102933488SQ201180023912
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2011年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月13日
發(fā)明者阿馬利奧·加里多埃斯庫(kù)德羅 申請(qǐng)人:阿馬利奧·加里多埃斯庫(kù)德羅