一种固态储氢与氮气的混合储存系统以及运行方法和应用

技术领域

本发明涉及合成氨技术领域，尤其涉及一种固态储氢与氮气的混合储存系统以及运行方法和应用。

背景技术

氢气和氮气都是重要的工业气体，分别广泛应用于化工、能源、环保等领域。此外，氮气和氢气还能在高温高压并在添加催化剂的条件下进行合成氨的反应。工业合成氨对人类活动具有重大意义，例如为农业生产提供了重要的氮肥来源，极大地提高了农作物的产量；同时，氨气也是工业制造过程中必不可少的原料，可以用于生产各类化学品；此外，氨还是许多药物直接或间接的组成成分，对于医疗保健和人类健康有着重要的作用。

在现有的合成氨工艺技术中，往往采用的双气体通道，将氢气和氮气分别存储，在进行合成反应前再进一步混合，而氢的储运是氢能产业链中的限制性环节，提高氢能储运效率，降低氢能储运成本，是氢能储运技术的发展重点。目前，已实用化的储氢方式主要有三种：高压气态储氢、低温液氢储罐以及基于储氢材料的固态储氢。固态储氢技术是利用氢气与储氢材料的反应来实现氢气的储存，固态储氢的原理实质上就是一种化学储氢方法，其机理是金属的特殊晶格结构，在一定条件下(如一定的温度和压力下)，氢原子较容易进入金属晶格的四面体或八面体间隙中，这些金属合金与氢气产生化合反应生成金属氢化物，其可储存相当于其体积1000～3000倍的氢气。但目前储氢方式往往还存在安全性差和占地面积大等问题。如不当的储氢方式容易导致氢气泄漏、燃烧或爆炸，可能会对人员、环境和设备造成严重的伤害和破坏；另外，现有的储氢方式也存在占地面积过大的问题。

因此，如何提供一种固态储氢与氮气的混合储存系统以及运行方法和应用，对现有的合成氨工艺进行改进是本领域亟待解决的难题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种固态储氢与氮气的混合储存方法及在合成氨中的应用，以解决现有的工业合成氨的工艺中氢气与氮气需要分别存储，成本较高、对存储容器要求高的问题；同时提高气体储存的安全性，减小占地面积。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种固态储氢与氮气的混合储存系统，包含下列装置：氢气制备装置、氢气控制装置、氮气制备装置、氮气控制装置、混合储存罐；

所述混合储存罐中包括固态储氢材料。

优选的，所述固态储氢材料包括储氢合金、配位氢化物、金属有机骨架材料和碳材料中的一种或几种。

优选的，所述混合储存罐中还包括固态储氢材料载体，所述固态储氢材料位于储氢合金载体上。

优选的，所述固态储氢材料载体呈点阵状、蜂窝状和三维网状中的一种。

优选的，所述混合储存罐位于反应罐之前，所述混合储存罐与反应罐连通。

优选的，所述储氢合金包括镁系储氢合金、钛系储氢合金、钒系储氢合金、稀土系储氢合金和复合储氢合金中的一种或几种。

优选的，所述配位氢化物包括过渡金属配位氢化物、稀土金属配位氢化物和主族金属配位氢化物中的一种或几种。

优选的，所述碳材料包括活性炭、碳纳米纤维和碳纳米管中的一种或几种。

本发明的另一目的是提供一种固态储氢与氮气的混合储存系统的运行方法，包括以下步骤：

在混合储存罐中添加固态储氢材料，将氢气与氮气在混合储存罐中混合；其中，所述混合储存罐通过氮气进气管与氮气控制装置连通，通过氢气进气管与氢气控制装置连通。

本发明的再一目的是提供一种固态储氢与氮气的混合储存方法在合成氨中的应用。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明先采用固态储氢材料对氢气进行存储，然后与氮气进行混合，避免了氢气在常规储存罐储存时易发生氢脆的情况，降低了氢气对储罐材质的要求。另外，本发明采用固态储氢的方案，能够实现静态升压，减少压缩机的能耗。

2、本发明公开的混合储存罐可直接与反应器相连接，提供了一种新的工业合成氨的工艺；本发明所述工艺避免了现有方法在合成氨前需要先通入氮气，保护催化剂(避免催化剂中毒)，然后再通入氢气进行反应的问题。本发明可以通过调整混合储存罐内的温度、压力等条件，控制氢气释放速率，使混合气体满足反应配比，增加了反应混合气体的可控性。

3、本发明将固态储氢与氮气混合存储，提高了储氢的安全性；同时固态储氢极大地减小了占地面积。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为固态储氢与氮气的混合储存系统的示意图；

图2为固态储氢与氮气的混合储存系统管线的示意图。

图中：1-可再生能源发电装置、2-氢气制备装置、3-控制阀、4-流量计、5-压力调节阀、6-液氮储存装置、7-电动调节阀、8-紧急泄压阀、9-氢氮混合储存罐、10-出料管道

具体实施方式

本发明提供了一种固态储氢与氮气的混合储存系统，包含下列装置：氢气制备装置、氢气控制装置、氮气制备装置、氮气控制装置、混合储存罐；

所述混合储存罐中包括固态储氢材料。

在本发明中，所述固态储氢材料包括储氢合金、配位氢化物、金属有机骨架材料和碳材料中的一种或几种，优选为储氢合金。

在本发明中，所述混合储存罐中还包括固态储氢材料载体，所述固态储氢材料位于储氢合金载体上。

在本发明中，储氢合金载体包括不与氮气和氢气的混合气体发生反应的市售材料。

在本发明中，固态储氢材料分布于载体表面或嵌合与载体中，当固态储氢材料嵌合在载体中时，固态储氢材料能够与混合气体接触。

在本发明中，所述固态储氢材料载体呈点阵状、蜂窝状和三维网状中的一种。

在本发明中，固态储氢材料载体的结构能够使固态储氢材料均匀的分布在混合储存罐中，在吸氢和放氢的过程中利于氢气的吸收和均匀的释放，利于氢气与氮气混合均匀。

在本发明中，所述固态储氢材料载体不阻塞气体从进气管流向反应罐。

在本发明中，所述混合储存罐位于反应罐之前，所述混合储存罐与反应罐连通。

在本发明中，所述储氢合金包括镁系储氢合金、钛系储氢合金、钒系储氢合金、稀土系储氢合金和复合储氢合金中的一种或几种。

在本发明中，所述镁系储氢合金优选为MgH

所述钛系储氢合金优选为FeTiH

所述钒系储氢合金优选为V

所述稀土系储氢合金优选为LaNi

所述复合储氢合金优选为MgH

在本发明中，所述配位氢化物包括过渡金属配位氢化物、稀土金属配位氢化物和主族金属配位氢化物中的一种或几种。

在本发明中，所述过渡金属配位氢化物优选为HCo(CO)

所述稀土金属配位氢化物La(H)(THF)

所述主族金属配位氢化物BH

在本发明中，所述碳材料包括活性炭、碳纳米纤维和碳纳米管中的一种或几种。

本发明的另一目的是提供一种固态储氢与氮气的混合储存系统的运行方法，包括以下步骤：

在混合储存罐中添加固态储氢材料，将氢气与氮气在混合储存罐中混合。

所述混合储存罐通过氮气进气管与氮气控制装置连通，氮气控制装置与氮气制备装置连通；通过氢气进气管与氢气控制装置连通，氢气控制装置与氢气制备装置连通。本发明固态储氢与氮气的混合储存系统的示意图如图1所示，固态储氢与氮气的混合储存系统管线的示意图如图2所示。

在本发明中，所述氢气会先与固态储氢材料反应，进行固定。

在本发明中，储氢过程需要加热时，氮气优选为通过液氮的形式经氮气进气管通入混合储存罐。

本发明的另一目的是提供一种固态储氢与氮气的混合储存方法在合成氨中的应用。

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

氢气氮气混合储存系统：氢气制备装置、氢气控制装置、氮气制备装置、氮气控制装置、混合储存罐。

将Mg

当进行氨气合成时，调整混合储存罐的温度，大于300℃进行放氢，通过控制放氢速率，得到氢气与氮气3：1的混合气体，通入反应罐进行反应。

实施例2

氢气氮气混合储存系统：氢气制备装置、氢气控制装置、氮气制备装置、氮气控制装置、混合储存罐。

将FeTiH

当进行氨气合成时，调整混合储存罐的温度，大于30℃进行放氢，通过控制放氢速率，得到氢气与氮气3：1的混合气体，通入反应罐进行反应。

实施例3

氢气氮气混合储存系统：氢气制备装置、氢气控制装置、氮气制备装置、氮气控制装置、混合储存罐。

将LaNiH

当进行氨气合成时，调整混合储存罐的温度，大于100℃进行放氢，通过控制放氢速率，得到氢气与氮气3：1的混合气体，通入反应罐进行反应。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。