分布式氢气提取系统的制作方法

文档序号:8344060
分布式氢气提取系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本申请要求于2012年7月24日提交的美国临时专利申请No. 61/675, 041的优 先权,其全部内容通过引用并入本文。
[0002] 本公开通常涉及一种分布式氢气提取系统。
【背景技术】
[0003] 目前,一些能源通过网络进行分配,而其它能源则是成批输送并且现场储存。例 如,电网和一些气体网络使用电源线和管线来向家庭住宅和商业经营供应能源。而油和一 些其它气体由卡车输送到现场储存设施。然而,规则、环境考虑和经济因素的改变将影响未 来能源分配。
[0004] 氢气通常使用罐车进行分配并且在现场或特定分配中心储存在罐车中。另一种分 配系统可以使用现有气体网络,其中将氢气添加到运输气体用于经由现有网络进行分配。 连接至网络的提取系统可以根据需要从运输气体中提取氢气,从而降低运输和储存成本。
[0005] 一种提出的氢气分配方法使用天然气(NG)或合成天然气(SNG)网络。在未显著影 响NG的普通消费者的情况下,可以将最多50%的氢气添加到NG网络。一些提议包括:将约 10 %~约20 %的氢气添加到现有NG网络。氢气可以再生或可以从化石燃料中生产,并且 添加到现有NG网络,其中该氢气可以分配给多个消费者。多个氢气提取系统可以连接至现 有网络,并且被配置成根据需要提取氢气。
[0006] 出于若干个原因,目前的氢气生成系统不适合于上述网络。大多数目前的氢气生 成系统被配置成用于工业规模的操作,并且不适合于小规模的用途。它们可以是体积大、价 格贵、操作复杂、或需要大量维护。

【发明内容】

[0007] 本公开目的在于克服现有氢气生成系统的一个或多个缺点。此外,由本文所述的 提取系统生产的氢气可以现场储存、向专用氢气分配系统供应、或在现场使用。例如,所提 取的氢气可以供应到燃料电池并且用来生产电力。
[0008] 本公开的其它方面目的在于监控并定价氢气使用。例如,因为氢气将可能比NG具 有更大的价值,所以氢气消耗与NG消耗分开监控将更准确地说明所消耗的气体的实际成 本。这也会影响混合燃料的货币化。本公开描述了在使用时监控氢气消耗和NG消耗的系 统和方法。
[0009] 本公开的一个方面涉及一种氢气提取系统。该提取系统可以包括用于压缩包括氢 气的气体混合物的压缩机和用于接收压缩后的气体混合物的脱硫单元。该系统还可以包括 用于接收硫含量减少的气体混合物的氢气提取装置和用于接收所提取的氢气的氢气储存 装置。
[0010] 本发明的另一方面涉及一种从包括天然气和氢气的气体混合物中提取氢气的方 法。该方法可以包括:压缩气体混合物并且除去包含在压缩后的气体混合物中的至少部分 硫以形成富硫流和硫含量减少的混合物。该方法还可以包括:除去包含在硫含量减少的混 合物中的至少部分氢气以形成贫氢混合物与氢气,并且将氢气供应到氢气储存装置或其它 用途。
[0011] 本公开的另一方面涉及一种确定能源价格的方法。该方法可以包括:a)确定氢气 的质量流量(mass flow rate)和b)确定天然气的质量流量。该方法还可以包括c)将氢 气的质量流量乘以用于氢气的因子,d)将天然气的质量流量乘以用于天然气的因子,和e) 将步骤c)和步骤d)的值相加。
[0012] 本公开的其它目的和优点将在下面描述中部分阐述,部分将从描述中变得显而易 见,或者可以通过实施本公开而获知。通过在所附权利要求中特别指出的元素和组合将实 现并获得本公开的目的和优点。
[0013] 应当理解,前面的大致描述和下面的详细描述仅为示例性和解释性的,而非如权 利要求一样限制系统、装置和方法。
【附图说明】
[0014] 结合在说明书内并构成本说明书的一部分的附图示出了本公开的若干个实施例, 并与说明书一起用来解释本公开的原理。
[0015] 图1是根据示例性实施例的氢气分配系统的示意图。
[0016] 图2是根据示例性实施例的氢气提取系统的示意图。
[0017] 图3是根据另一不例性实施例的另一氛气提取系统的不意图。
[0018] 图4是根据另一示例性实施例的图3的氢气提取系统的示意图。
[0019] 图5A是根据示例性实施例的监控系统的示意图。
[0020] 图5B是根据另一示例性实施例的图5A的监控系统的示意图。
[0021] 图5C是根据另一示例性实施例的图5A的监控系统的示意图。
【具体实施方式】
[0022] 现在,将详细参照本公开的示例性实施例,在附图中示出了本公开的示例。在任何 可能的情况下,相同的附图标记在所有附图中用来代表相同或相似的部件。
[0023] 图1是根据所公开的示例性实施例的氢气分配系统10的示意图。氢气分配系统 10可以包括网络20,该网络20用于向各种位置分配流体。网络20可以被设计成运输各种 液体或气体的混合物、或单一类型的液体或气体。例如,网络20可以包括现有的气体分配 系统。
[0024] 各种管线、管道、通道和其它流体运输装置和系统可以形成网络20的至少一部 分。网络20还可以包括各种装置(未示出),这些装置被设计成用于流体处理。这些装置可 以包括储存设施、泵站、阀门、过滤器、仪表、控制系统、监控系统、或与流体或气体传输结合 使用的其它设备。
[0025] 在一些实施例中,网络20可以包括天然气分配系统,该天然气分配系统向住宅站 点或商业站点供应天然气(NG)。NG可以包括若干种气体的混合物。网络20可以包括管线 30,该管线被配置成接收各种流体,包括NG。另外,氢源40可以流体地连接至管线30以把 氢气供应给网络20。
[0026] 氢源40可以包括蒸汽重整器(未示出)或被配置成生产氢气的其它装置。该蒸汽 重整器可以被供以来自管线30的电力、水、和NG。电力可以由常规或其它能源(诸如风能或 太阳能)来提供。蒸汽重整器可以包括大型重整器(例如,大于2000 kg/天),该大型重整器 在集中式节点处将氢气注入高流量或高压力管线内。一些工业重整器每天可以生产高达约 600吨的氢气。在其它实施例中,蒸汽重整器可以包括小型重整器(例如,小于5 kg/天),该 小型重整器位于用户家中。也可以使用介于大型重整器和小型重整器之间的任何规模的其 它蒸汽重整器。
[0027] 其它氢源可以包括系统或方法,该系统或方法用来通过使用电力、可再生电力(风 能、太阳能、地热能)、不可再生电力(煤、石油、天然气、核能)电解水;通过生物生产;通过太 阳能直接催化的水裂解;或通过废水处理来产生氢气。
[0028] 多个氢源40可以位于整个网络20内并且被配置成在需要时,向管线30供应氢 气。在一些实施例中,管线30内的气体混合物60可以包括大于80 %的NG和小于20 %的 氢气。气体混合物60还可以包括小于5 %的氢气和小于10 %的氢气。在某些情况下,气 体混合物60含有高达75 %的氢气。还可以设想,网络20可以包括专用系统,该专用系统 用于分配具有约100 %的氢气的气体混合物60。另外,一个或多个氢气提取系统70可以连 接至网络20。
[0029] 图2是根据所公开的示例性实施例的氢气提取系统(HES)70的示意图。HES 70可 以被配置成从气体混合物60中提取氢气。在一些实施例中,HES 70可以包括成本效益系 统,该成本效益系统用于分离、纯化、和/或压缩氢气。考虑到相对少量的部件,ffiS 70可 以被配置成占据小体积和/或小占地面积(footprint )。由此可见,在住宅或小规模的商业 应用中可以使用ffiS 70。
[0030] 例如,HES 70可以被配置成以约0. 5 kg/天为一个燃料电池电动汽车(FCEV)供应 氢气或以约1 kg/天为两个FCEV供应氢气。然后,当可能需要在FCEV中车载储存时,氢气 可以被压缩至压力介于约350巴和700巴之间。HES 70可以加工成一定尺寸以所需的流量 为两个以上的FCEV的车队提供氢气。在其它示例中,HES 70可以被配置成供应到燃料电池 用于固定发电,诸如约4 kg/天(例如,住宅)、约25 kg/天(例如,综合性公寓)、约50 kg/天 (例如,工业建筑物)、或约250 kg/天(例如,大型制造或分配中心)、或者约1,500 kg/天~ 约2, 500 kg/天(例如,在服务站补给燃料的燃料电池汽车)。
[0031] HES 70可以经由供应管道80流体地连接至管线30。关于图5A-5C如下所解释, 供应管道80可以包括仪表(400,但图2中未示出),以监控从管线30到HES 70的气体混合 物60的流量。供应管道80可以流体地连接至压缩机90,该压缩机被配置成压缩流体。压 缩机90可以包括泵、鼓风机、或适合与天然气一起操作的另一压缩装置。在一些实施例中, 压缩机90可以仅抽取流体并且可以不需要压缩流体,特别是,压缩机90可以被配置成通过 HES 70的至少一部分来抽取流体混合物。如果HES 70包括低压降,则压缩机90可以作为 鼓风机操作。
[0032] 来自压缩机90的输出可以被引导至脱硫单元100,该脱硫单元100被配置成从供 应到脱硫单元100的流体中除去至少一些硫。各种类型的脱硫单元100能够与HES 70 - 起操作。例如,脱硫单元100可以包括再生热变动吸附(TSA)类型。TSA可以被配置成以使 从离开脱硫单元100中离开的流中除去的硫可以加回到返回至管线30的流中。这种配置 可能需要很少维护或不需要维护,诸如,例如更换脱硫催化剂。
[0033] 在一些实施例中,HES 70可以不包括压缩机90。例如,气体混合物60可以以足够 的压力直接从管线30向脱硫单元100供应。特别是,气体混合物60可以以约100 psig~ 约1,000 psig供应。在这种压力、或更高压力下,气体混合物60在被引导到脱硫单元100 中之前,可以无需额外加压。
[0034] 在由脱硫单元100从流体中除去至少部分硫之后,由脱硫单元100输出的硫含量 减少的气体混合物的供应可以被引导至氢气提取单元110来提取氢气。由氢气提取单元 110输出的所提取的氢气可以储存在一个或多个储存容器130中。
[0035] 在一些实施例中,氢气提取单元110可以包括
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