专利名称：一种使用可回收液体金属试剂用于受控按需就地氢气发生的系统以及该系统中使用的方法
技术领域：
本发明属于使用碱金属和碱土金属化学发生氢气以及从对应氢氧化物回收碱金属和碱土金属的技术领域。本发明在发生量对应于可变需求的可控氢气发生方面尤其有用，例如配备内燃机、涡轮机或氢电池的交通工具，所述交通工具如陆路、空中或水上运动的交通工具，以及任何用于任何通途的需要按需氢气发生的其他装置。
背景技术：
氢气可作为污染燃料在燃料电池、内燃机或涡轮机以及任何使用气态氢作为燃料使用的其他系统中使用。显然，使用氢气作为燃料的动力发生系统需要氢气通过一种发生 工艺产生。一般来说，通过这种发生工艺产生的氢气以气体或液体的形式储存在储罐中，再从储罐输送到动力发生系统(例如US2006/011659A1)。这些系统和不可再生的化石燃料使用的常规运输系统相当。氢气发生系统有很多种，尤其如US-6245309-B1和US-6461408-B2中公开的甲醇等碳氢化合物的催化重整、US2004/0065542A1中公开的水的电解、US2005/0036941A1和US2009/0274595A1中公开的氢化物、US-4988486中公开的金属和酸、US-7052658-B2中公开的金属和碱氨基硼烷。按照美国能源部("DOE ")的标准，能量密度是"每磅(也就是单位重M.)白勺胃月目倉泛 fi t 比 〃 (#= # 倉泛 # · http://wwwl. eere. energy, gov/solar/solarRlossary. html#E)。下表所列为可作为燃料使用的一些物质的能量表I
权利要求
1.一种受控按需就地氢气发生的系统，其包含用于储存第一试剂的第一储存装置(I);用于储存第二试剂软化水的第二储存装置(2);使试剂反应发生氢气的反应器(3)，反应器(3)包含试剂进口(3a、3b)和反应器出口(3c);用于将加热到高于其熔点的第一试剂液流可控注入反应器(3)的注入装置(7，8);用于将软化水注入反应器(3)注水系统(13、 14,15);连接到反应器出口(3c)用于将氢气从反应器(3)中产生的残留反应产物分离的分离装置(4、18);以及连接到第一分离装置(4)用于接收从第一分离装置(4)中所提取氢气的氢气接收装置(5);其特征在于试剂是一种选自碱金属、碱土金属、由碱金属组成的碱金属合金或混合物、由碱土金属组成的碱土金属合金或混合物以及由至少一种碱金属和至少一种碱土金属组成的金属合金或混合物的不含铝的纯金属试剂，残留反应产物包含选自碱金属氢氧化物和碱土金属氢氧化物的金属氢氧化物；注入装置(7、8)是用于通过挤出将液态金属试剂的液流可控注入反应器(3)的金属试剂注入装置(7，8)；水注入系统(13、14、15)用于对应于注入反应器(3)的金属试剂量随时注入化学计量的水(优选为液态冷水)，使反应器(3)内部的受控金属试剂/水的比率得以保持；反应器(3)是一个均质反应器；其中进一步包含用于通过选择性地在系统中提供了真空来保持储存装置(1、2)、金属试剂注入装置(7、8)、注水系统(13、14、15)、反应器(3)、分离装置(4、18)和氢气接收装置 (5)不含氧气的真空装置(IOaUObUOc) 0
2.—种根据权利要求I的氢气发生系统，其特征在于第一储存装置(I)通过一个金属试剂进料系统连接到第一反应器进口(3a)，所述金属试剂进料系统包含至少一个用于通过将液态的金属试剂液流经过受控尺寸管口挤出机模头挤出而可控注入反应器(3)的金属试剂注入设备(7)；一个将注入设备(7)和第一反应器进口(3a)连接的金属注入管(8)；用于将金属试剂加热到金属试剂熔点以上的所述温度使其在进入反应器(3)前转为所述液态的试剂加热装置(9a、9b)；在第一进料系统、储存装置(1、2)、注水装置(13、14、15)、反应器(3)、分离装置(4、18) 和氢气接收装置(5)选择性产生真空并使其不含氧气、确保适当储存条件和工艺启动的真空发生装置(IOaUObUOc) ο提供用于控制金属试剂进入反应器(3)流量的流量控制阀装置(11、12)；用于将反应器(3)保持在工作温度的制冷装置(17)；第二储存装置(2)通过一个水进料系统与第二反应器连接，所述进料系统包含一个将第二储存装置(2)连接到第二反应器进口(3b)的注水管(13)、用于计量注入反应器(3)的水的水计量装置(14)以及连接到第二反应器进口(3b)的注水装置(15)。流量控制装置(11)和水计量装置(14)由比例控制装置控制，使水计量装置(14)始终提供所述化学计量的水，使反应器(3)中的所述受控金属试剂/水的比率得以保持。
3.—种根据权利要求2的氢气发生系统,其特征在于金属注入设备(7)包含一个圆柱形管(7a)、一个上述容纳液态金属试剂的盖室(7b)和一个连接到碱金属注入管(8)的试剂出口 (7c)、通过试剂进料管(7g)以及连接试剂进口(7d)和第一储存装置之间(I)的试剂进料阀(7i)连接到第一储存装置(I)的试剂进口(7d)；与真空发生装置(10a、10b、IOc)连接的真空口(7e)；一个可在圆柱形管(7a)中移动的活塞(7f)，活塞向第一位置(C)移动将碱金属通过试剂进口(7e)吸入盖室(7b)，向第二位置(V)移动将碱金属试剂液流通过试剂出口(7c)推出到碱金属注入管(8)中；一个控制活塞在所述第一位置(C)和所述第二位置(V)之间的运动以便在圆柱形筒 (7a)内存在的液体金属试剂上施加受控的压力的活塞作动器(7j)。
4.一种根据权利要求2或3的氢气发生系统，其特征在于流量控制阀装置(11、12)被插入金属注入管(8)，并包含一个布置在试剂出口(7c)和第一反应器进口(3a)之间的压力控制阀(11)；一个布置在压力控制阀(11)和第一反应器进口(3a)之间防止试剂从反应器(3)回流的单向阀(12)。
5.一种根据权利要求2、3或4的氢气发生系统，其特征在于真空发生装置(10a、10b、 10c)包含一个通过真空管(IOb)以及一个插入真空管(IOb)的真空阀(IOc)连接到真空口 (7e)的真空系统(IOa)。
6.—种根据权利要求3-5的氢气发生系统,其特征在于试剂的加热装置(9a、9b)包含布置成至少加热金属试剂注入设备(7)盖室(7b)的第一试剂加热装置(9a)。
7.—种根据权利要求3-6的氢气发生系统,其特征在于试剂的加热装置(9a、9b)包含布置在金属注入管(8)中的第二试剂加热装置(％)。
8.—种根据前述任一权利要求的氢气发生系统,其特征在于分离装置(4、18)包含连接到反应器出口(3c)的第一分离装置(4)，其包含连接反应器出口(3c)用于接收反应器生成的氢气和残留反应产物混合物的进口(4a)、连接到氢气接收装置(5)的第一出口(4b) 以及连接到金属氢氧化物接收装置(6)被提供用于接收从第一分离装置(4)抽取的残留反应产物的第二出口(4c)。
9.一种根据权利要求8的氢气发生系统，其特征在于反应器出口(3c)被连接到喷雾喷嘴(16)，将所述混合物喷入第一分离装置(4)。
10.一种根据权利要求8和9的氢气发生系统，其特征在于第一分离装置(4)包含连接到真空系统(IOa)中的吸入口(4d)以及一个将吸入口(4d)和真空系统(IOa)之间互连的启动真空阀(23)。
11.一种根据权利要求8、9或10的氢气发生系统,其特征在于其包含将氢气接收装置 (5)和第一分离装置(4)的第一出口(4b)之间相互连接的第二分离装置(18)，第二分离装置(18)是一个除沫器，其包含一个连接到第一分离装置(4)第一出口的气体-蒸气进口 (18a)，一个连接到氢气接收装置(5)的氢气出口(18b)和一个连接到金属氢氧化物接收装置(6)的金属氢氧化物出口(18c)。
12.—种根据权利要求11的氢气发生系统，其特征在于其包含一个将液滴分离器(18) 和氢气接收装置(5)之间相互连接的氢气过滤设备(19)。
13.一种根据任一前述权利要求的氢气发生系统，其特征在于反应器(3)的制冷装置 (17)通过通有冷却液的回路与第一和/或第二试剂加热装置(9a、9b)连接，这样反应器 (3)中产生的热量可用于在金属试剂注入到反应器(3)之前对其加热。
14.一种根据任一前述权利要求的氢气发生系统，其特征在于其进一步包含一个金属氢氧化物还原反应器(24)，其包含一个反应室(24a)，一个用于包含至少一种金属氢氧化物的残留反应产物向反应室(24a)进料、以便使残留反应产物与一种包含硅铁和氧化钙的还原剂接触的残留物进口(24c)，一个用于有选择地从反应室(24a)提取水分和汽化碱金属试剂的反应器提取出口(24d)；反应器加热装置(25)，其被用于有选择地将反应室(24a)加热到脱水温度，将水分从残留反应产物中抽出，加热到焙烧温度，将无水金属氢氧化物转化为金属氧化物，以及加热到高于残留反应产物中碱金属试剂沸点的气化温度，以得到汽化的碱金属试剂；一个连接到提取出口(24d)和真空发生装置(26b)的真空导管(26a)；一个在提取出口(24d)和真空发生装置(26b)之间的真空导管中互连的真空阱(27)， 真空阱(27)包含一个位于其底部并连接到冷凝液提取阀(28)冷凝液出口(27a)和一个位于其顶部并连接到放空阀(29)的放空出口(27b)。一个在提取出口(24a)和真空阱(27)之间的真空导管(26a)中互连的水分提取阀 (26c)；用于将真空阱(24)中的水分冷却至水分冷凝温度的水分冷却装置(30)；一个连接到反应器提取出口(24d)并连接到碱金属储存器(32)的提取导管(31)。碱金属的冷却装置(33)，其被布置在提取导管(31)上，用于通过将进入提取导管(31) 的汽化碱金属冷却到碱金属的熔点以上的一个温度而使其液化，从而将液态碱金属送入碱金属储存器(32)。
15.—种根据权利要求14的氢气发生系统,其特征在于碱金属储存器(32)提供有储存器加热装置(34)，用于保持液态碱金属处于液体状态。
16.—种根据权利要求14或15的氢气发生系统,其特征在于碱金属储存器(32)是所述的第一储存装置(I)。
17.—种根据权利要求14、15或16的氢气发生系统,其特征在于金属氢氧化物还原反应器(24)包含一个还原剂进口(24b)，用来将细碎的硅铁和氧化钙混合物向反应室(24a) 进料。
18.一种根据任一前述权利要求的氢气发生系统，其特征在于反应器(3)的制冷装置 (17)通过通有冷却液的回路与氢氧化物还原反应器(24)热连接，这样反应器(3)中产生的热量可用于加热金属氢氧化物还原反应器(24)。
19.一种按需受控就地氢气发生的方法，其包含通过选自碱金属、碱土金属、由碱金属组成的碱金属合金或混合物、由碱土金属组成的碱土金属合金或混合物以及由至少一种碱金属和至少一种碱土金属组成的金属合金的不含铝的金属试剂与水的反应制取氢气和包含选自碱金属氢氧化物和碱土金属氢氧化物的残留反应产物；并将氢气从残留反应产物中分离，其特征在于所述方法包含通过在真空条件下加热，将金属试剂液化，得到液态金属试剂；通过金属试剂注入装置(7、8)将液体金属试剂挤出注入到一个均质反应器(3)中，同时通过注水系统(13、14、15)对应于液体金属试剂量向反应器(3)注入化学计量的水，使反应器(3)内部的受控金属试剂/水的比率得以保持；将氢气和残留反应产物从反应器(3)转移到分离装置(4、18)；将氢气从残留反应产物中分离；将分离出的氢气转移到氢气接收装置(5)，将残留反应产物转移到金属氢氧化物接收装置(6)，从而通过在系统中有选择地提供真空，使金属试剂注入装置(7、8)、注水系统 (13、14、15)、反应器(3)、分离装置(4、18)和氢气接收装置(5)保持无氧。
20.一种根据权利要求19的方法，其特征在于，从残留反应产物中存在的碱金属氧化物中回收碱金属是通过使用多种还原剂在金属氢氧化物还原反应器(24)中完成的，采用的工艺包含将残留反应产物从金属氢氧化物接收装置(6)转移到金属氢氧化物还原反应器(24)； 在含有残留反应产物的氢氧化物还原反应器(24)中产生真空；使残留反应产物在真空中受热脱水；从金属氢氧化物还原反应器(24)中提取蒸发出的水，使残留反应产物不含水分； 焙烧残留反应产物，使金属氢氧化物转变为金属氧化物；在真空条件下使用包含细碎脱水硅铁合金和氧化钙混合物的还原剂通过将反应器 (24)中的金属氧化物加热到金属氧化物中所存在金属沸点以上的温度来还原金属氧化物， 从而提供了一种金属氧化物的硅热还原，得到气化的金属试剂；从氢氧化物还原反应器(24)中提取汽化金属试剂，并将汽化金属试剂转移到冷凝器； 在冷凝器中通过汽化碱金属试剂冷却到碱金属熔点以上的温度而使其液化，得到液态碱金属试剂；将液态碱金属转移到一个碱金属储存器(32)。
21.一种根据权利要求20的方法，其特征在于，液态碱金属在碱金属储存器(32)中保持在液体状态。
22.一种根据权利要求20或21的方法，其特征在于，通过金属试剂注入设备(7)将碱金属储存器(32)中包含的液态碱金属注入到所述的反应器(3)中。
全文摘要
一种按需受控就地氢气发生的方法，其能够将选自碱金属、碱土金属、由碱金属组成的碱金属合金或混合物、由碱土金属组成的碱土金属合金或混合物以及由至少一种碱金属和至少一种碱土金属组成的金属合金的金属试剂与水的反应制取氢气和包含选自碱金属氢氧化物和碱土金属氢氧化物的残留反应产物；并将氢气从残留反应产物中分离；通过在真空条件下加热，将金属试剂液化，得到液态金属试剂；通过金属试剂注入装置(7、8)将液体金属试剂挤出注入到反应器(3)中，同时通过注水系统(13、14、15)对应于液体金属试剂量向反应器(3)注入化学计量的水，使反应器(3)内部的受控金属试剂/水的比率得以保持；将氢气和残留反应产物从反应器(3)转移到分离装置(4、18)；将氢气从残留反应产物中分离；将分离出的氢气转移到氢气接收装置(5)，将残留反应产物转移到金属氢氧化物接收装置(6)，从而通过在系统中有选择地提供真空，使金属试剂注入装置(7、8)、注水系统(13、14、15)、反应器(3)、分离装置(4、18)和氢气接收装置(5)保持无氧。
文档编号C01B3/08GK102933488SQ201180023912
公开日2013年2月13日 申请日期2011年5月9日 优先权日2010年5月13日
发明者阿马利奥·加里多埃斯库德罗 申请人:阿马利奥·加里多埃斯库德罗