專利名稱：一種使用可回收液體金屬試劑用于受控按需就地氫氣發生的系統以及該系統中使用的方法
技術領域：
本發明屬于使用堿金屬和堿土金屬化學發生氫氣以及從對應氫氧化物回收堿金屬和堿土金屬的技術領域。本發明在發生量對應于可變需求的可控氫氣發生方面尤其有用，例如配備內燃機、渦輪機或氫電池的交通工具，所述交通工具如陸路、空中或水上運動的交通工具，以及任何用于任何通途的需要按需氫氣發生的其他裝置。
背景技術：
氫氣可作為污染燃料在燃料電池、內燃機或渦輪機以及任何使用氣態氫作為燃料使用的其他系統中使用。顯然，使用氫氣作為燃料的動力發生系統需要氫氣通過一種發生 工藝產生。一般來說，通過這種發生工藝產生的氫氣以氣體或液體的形式儲存在儲罐中，再從儲罐輸送到動力發生系統(例如US2006/011659A1)。這些系統和不可再生的化石燃料使用的常規運輸系統相當。氫氣發生系統有很多種，尤其如US-6245309-B1和US-6461408-B2中公開的甲醇等碳氫化合物的催化重整、US2004/0065542A1中公開的水的電解、US2005/0036941A1和US2009/0274595A1中公開的氫化物、US-4988486中公開的金屬和酸、US-7052658-B2中公開的金屬和堿氨基硼烷。按照美國能源部("DOE ")的標準，能量密度是"每磅(也就是單位重M.)白勺胃月目倉泛 fi t 比 〃 (#= # 倉泛 # · 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的能量表I
權利要求
1.一種受控按需就地氫氣發生的系統，其包含用于儲存第一試劑的第一儲存裝置(I);用于儲存第二試劑軟化水的第二儲存裝置(2);使試劑反應發生氫氣的反應器(3)，反應器(3)包含試劑進口(3a、3b)和反應器出口(3c);用于將加熱到高于其熔點的第一試劑液流可控注入反應器(3)的注入裝置(7，8);用于將軟化水注入反應器(3)注水系統(13、 14,15);連接到反應器出口(3c)用于將氫氣從反應器(3)中產生的殘留反應產物分離的分離裝置(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，殘留反應產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)是用于通過擠出將液態金屬試劑的液流可控注入反應器(3)的金屬試劑注入裝置(7，8)；水注入系統(13、14、15)用于對應于注入反應器(3)的金屬試劑量隨時注入化學計量的水(優選為液態冷水)，使反應器(3)內部的受控金屬試劑/水的比率得以保持；反應器(3)是一個均質反應器；其中進一步包含用于通過選擇性地在系統中提供了真空來保持儲存裝置(1、2)、金屬試劑注入裝置(7、8)、注水系統(13、14、15)、反應器(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.—種根據權利要求I的氫氣發生系統，其特征在于第一儲存裝置(I)通過一個金屬試劑進料系統連接到第一反應器進口(3a)，所述金屬試劑進料系統包含至少一個用于通過將液態的金屬試劑液流經過受控尺寸管口擠出機模頭擠出而可控注入反應器(3)的金屬試劑注入設備(7)；一個將注入設備(7)和第一反應器進口(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以上的所述溫度使其在進入反應器(3)前轉為所述液態的試劑加熱裝置(9a、9b)；在第一進料系統、儲存裝置(1、2)、注水裝置(13、14、15)、反應器(3)、分離裝置(4、18) 和氫氣接收裝置(5)選擇性產生真空并使其不含氧氣、確保適當儲存條件和工藝啟動的真空發生裝置(IOaUObUOc) ο提供用于控制金屬試劑進入反應器(3)流量的流量控制閥裝置(11、12)；用于將反應器(3)保持在工作溫度的制冷裝置(17)；第二儲存裝置(2)通過一個水進料系統與第二反應器連接，所述進料系統包含一個將第二儲存裝置(2)連接到第二反應器進口(3b)的注水管(13)、用于計量注入反應器(3)的水的水計量裝置(14)以及連接到第二反應器進口(3b)的注水裝置(15)。流量控制裝置(11)和水計量裝置(14)由比例控制裝置控制，使水計量裝置(14)始終提供所述化學計量的水，使反應器(3)中的所述受控金屬試劑/水的比率得以保持。
3.—種根據權利要求2的氫氣發生系統,其特征在于金屬注入設備(7)包含一個圓柱形管(7a)、一個上述容納液態金屬試劑的蓋室(7b)和一個連接到堿金屬注入管(8)的試劑出口 (7c)、通過試劑進料管(7g)以及連接試劑進口(7d)和第一儲存裝置之間(I)的試劑進料閥(7i)連接到第一儲存裝置(I)的試劑進口(7d)；與真空發生裝置(10a、10b、IOc)連接的真空口(7e)；一個可在圓柱形管(7a)中移動的活塞(7f)，活塞向第一位置(C)移動將堿金屬通過試劑進口(7e)吸入蓋室(7b)，向第二位置(V)移動將堿金屬試劑液流通過試劑出口(7c)推出到堿金屬注入管(8)中；一個控制活塞在所述第一位置(C)和所述第二位置(V)之間的運動以便在圓柱形筒 (7a)內存在的液體金屬試劑上施加受控的壓力的活塞作動器(7j)。
4.一種根據權利要求2或3的氫氣發生系統，其特征在于流量控制閥裝置(11、12)被插入金屬注入管(8)，并包含一個布置在試劑出口(7c)和第一反應器進口(3a)之間的壓力控制閥(11)；一個布置在壓力控制閥(11)和第一反應器進口(3a)之間防止試劑從反應器(3)回流的單向閥(12)。
5.一種根據權利要求2、3或4的氫氣發生系統，其特征在于真空發生裝置(10a、10b、 10c)包含一個通過真空管(IOb)以及一個插入真空管(IOb)的真空閥(IOc)連接到真空口 (7e)的真空系統(IOa)。
6.—種根據權利要求3-5的氫氣發生系統,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備(7)蓋室(7b)的第一試劑加熱裝置(9a)。
7.—種根據權利要求3-6的氫氣發生系統,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.—種根據前述任一權利要求的氫氣發生系統,其特征在于分離裝置(4、18)包含連接到反應器出口(3c)的第一分離裝置(4)，其包含連接反應器出口(3c)用于接收反應器生成的氫氣和殘留反應產物混合物的進口(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)抽取的殘留反應產物的第二出口(4c)。
9.一種根據權利要求8的氫氣發生系統，其特征在于反應器出口(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)。
10.一種根據權利要求8和9的氫氣發生系統，其特征在于第一分離裝置(4)包含連接到真空系統(IOa)中的吸入口(4d)以及一個將吸入口(4d)和真空系統(IOa)之間互連的啟動真空閥(23)。
11.一種根據權利要求8、9或10的氫氣發生系統,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)是一個除沫器，其包含一個連接到第一分離裝置(4)第一出口的氣體-蒸氣進口 (18a)，一個連接到氫氣接收裝置(5)的氫氣出口(18b)和一個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.—種根據權利要求11的氫氣發生系統，其特征在于其包含一個將液滴分離器(18) 和氫氣接收裝置(5)之間相互連接的氫氣過濾設備(19)。
13.一種根據任一前述權利要求的氫氣發生系統，其特征在于反應器(3)的制冷裝置 (17)通過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，這樣反應器 (3)中產生的熱量可用于在金屬試劑注入到反應器(3)之前對其加熱。
14.一種根據任一前述權利要求的氫氣發生系統，其特征在于其進一步包含一個金屬氫氧化物還原反應器(24)，其包含一個反應室(24a)，一個用于包含至少一種金屬氫氧化物的殘留反應產物向反應室(24a)進料、以便使殘留反應產物與一種包含硅鐵和氧化鈣的還原劑接觸的殘留物進口(24c)，一個用于有選擇地從反應室(24a)提取水分和汽化堿金屬試劑的反應器提取出口(24d)；反應器加熱裝置(25)，其被用于有選擇地將反應室(24a)加熱到脫水溫度，將水分從殘留反應產物中抽出，加熱到焙燒溫度，將無水金屬氫氧化物轉化為金屬氧化物，以及加熱到高于殘留反應產物中堿金屬試劑沸點的氣化溫度，以得到汽化的堿金屬試劑；一個連接到提取出口(24d)和真空發生裝置(26b)的真空導管(26a)；一個在提取出口(24d)和真空發生裝置(26b)之間的真空導管中互連的真空阱(27)， 真空阱(27)包含一個位于其底部并連接到冷凝液提取閥(28)冷凝液出口(27a)和一個位于其頂部并連接到放空閥(29)的放空出口(27b)。一個在提取出口(24a)和真空阱(27)之間的真空導管(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)；一個連接到反應器提取出口(24d)并連接到堿金屬儲存器(32)的提取導管(31)。堿金屬的冷卻裝置(33)，其被布置在提取導管(31)上，用于通過將進入提取導管(31) 的汽化堿金屬冷卻到堿金屬的熔點以上的一個溫度而使其液化，從而將液態堿金屬送入堿金屬儲存器(32)。
15.—種根據權利要求14的氫氣發生系統,其特征在于堿金屬儲存器(32)提供有儲存器加熱裝置(34)，用于保持液態堿金屬處于液體狀態。
16.—種根據權利要求14或15的氫氣發生系統,其特征在于堿金屬儲存器(32)是所述的第一儲存裝置(I)。
17.—種根據權利要求14、15或16的氫氣發生系統,其特征在于金屬氫氧化物還原反應器(24)包含一個還原劑進口(24b)，用來將細碎的硅鐵和氧化鈣混合物向反應室(24a) 進料。
18.一種根據任一前述權利要求的氫氣發生系統，其特征在于反應器(3)的制冷裝置 (17)通過通有冷卻液的回路與氫氧化物還原反應器(24)熱連接，這樣反應器(3)中產生的熱量可用于加熱金屬氫氧化物還原反應器(24)。
19.一種按需受控就地氫氣發生的方法，其包含通過選自堿金屬、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產物；并將氫氣從殘留反應產物中分離，其特征在于所述方法包含通過在真空條件下加熱，將金屬試劑液化，得到液態金屬試劑；通過金屬試劑注入裝置(7、8)將液體金屬試劑擠出注入到一個均質反應器(3)中，同時通過注水系統(13、14、15)對應于液體金屬試劑量向反應器(3)注入化學計量的水，使反應器(3)內部的受控金屬試劑/水的比率得以保持；將氫氣和殘留反應產物從反應器(3)轉移到分離裝置(4、18)；將氫氣從殘留反應產物中分離；將分離出的氫氣轉移到氫氣接收裝置(5)，將殘留反應產物轉移到金屬氫氧化物接收裝置(6)，從而通過在系統中有選擇地提供真空，使金屬試劑注入裝置(7、8)、注水系統 (13、14、15)、反應器(3)、分離裝置(4、18)和氫氣接收裝置(5)保持無氧。
20.一種根據權利要求19的方法，其特征在于，從殘留反應產物中存在的堿金屬氧化物中回收堿金屬是通過使用多種還原劑在金屬氫氧化物還原反應器(24)中完成的，采用的工藝包含將殘留反應產物從金屬氫氧化物接收裝置(6)轉移到金屬氫氧化物還原反應器(24)； 在含有殘留反應產物的氫氧化物還原反應器(24)中產生真空；使殘留反應產物在真空中受熱脫水；從金屬氫氧化物還原反應器(24)中提取蒸發出的水，使殘留反應產物不含水分； 焙燒殘留反應產物，使金屬氫氧化物轉變為金屬氧化物；在真空條件下使用包含細碎脫水硅鐵合金和氧化鈣混合物的還原劑通過將反應器 (24)中的金屬氧化物加熱到金屬氧化物中所存在金屬沸點以上的溫度來還原金屬氧化物， 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器(24)中提取汽化金屬試劑，并將汽化金屬試劑轉移到冷凝器； 在冷凝器中通過汽化堿金屬試劑冷卻到堿金屬熔點以上的溫度而使其液化，得到液態堿金屬試劑；將液態堿金屬轉移到一個堿金屬儲存器(32)。
21.一種根據權利要求20的方法，其特征在于，液態堿金屬在堿金屬儲存器(32)中保持在液體狀態。
22.一種根據權利要求20或21的方法，其特征在于，通過金屬試劑注入設備(7)將堿金屬儲存器(32)中包含的液態堿金屬注入到所述的反應器(3)中。
全文摘要
一種按需受控就地氫氣發生的方法，其能夠將選自堿金屬、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金屬試劑與水的反應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產物；并將氫氣從殘留反應產物中分離；通過在真空條件下加熱，將金屬試劑液化，得到液態金屬試劑；通過金屬試劑注入裝置(7、8)將液體金屬試劑擠出注入到反應器(3)中，同時通過注水系統(13、14、15)對應于液體金屬試劑量向反應器(3)注入化學計量的水，使反應器(3)內部的受控金屬試劑/水的比率得以保持；將氫氣和殘留反應產物從反應器(3)轉移到分離裝置(4、18)；將氫氣從殘留反應產物中分離；將分離出的氫氣轉移到氫氣接收裝置(5)，將殘留反應產物轉移到金屬氫氧化物接收裝置(6)，從而通過在系統中有選擇地提供真空，使金屬試劑注入裝置(7、8)、注水系統(13、14、15)、反應器(3)、分離裝置(4、18)和氫氣接收裝置(5)保持無氧。
文檔編號C01B3/08GK102933488SQ201180023912
公開日2013年2月13日 申請日期2011年5月9日 優先權日2010年5月13日
發明者阿馬利奧·加里多埃斯庫德羅 申請人:阿馬利奧·加里多埃斯庫德羅