一种基于金属氢化物的氢回收系统及方法技术方案

本发明专利技术为一种基于金属氢化物的氢回收系统及方法。该系统包含氢气瓶、一级减压阀、气瓶阀门、供氢器阀门、供氢器、供氢器压力表、二级减压阀、微调阀、氢输出流量计、炉体压力表、排气阀门、排气单向阀、氢回收阀门、氢回收流量计、背压阀、氢回收单向阀、储氢器、油浴槽、储氢器压力表、氢回流单向阀、第一三通、第三三通、第五三通、第六三通。本发明专利技术实现了热处理过程中氢的回收和循环利用，消除了将氢气直接排入大气中造成安全隐患，并且具有很高的经济效益。

A hydrogen recovery system and method based on metal hydride

【技术实现步骤摘要】
一种基于金属氢化物的氢回收系统及方法
本专利技术属于氢回收
，特别涉及一种采用两种不同平台压的金属氢化物进行氢回收和循环利用的系统及方法。
技术介绍
氢是一种还原性很强的气体，被广泛应用于活泼金属零部件退火过程中的保护气，以消除工件在退火过程中的氧化现象。此外，还可将氢作为一种反应气体参与化学反应。例如常用的氢气气氛炉主要是在炉体一端以一定的流速通入高纯氢，另一端将氢气直接排入室外大气中。一方面，将大量的高纯氢排入大气中会造成资源浪费，增加了工件的热处理成本；另一方面，氢是一种易燃易爆的气体，其在空气中的爆炸极限为4.0％～75.6％(体积浓度)，大量的氢直接排入空气中存在很大的安全隐患。储氢合金是一类在一定条件下能够实现可逆储存氢气的金属材料，氢气被储氢合金吸收后以金属氢化物方式储存在金属晶格内部，具有安全性好、储氢效率高的优势。储氢合金储存氢气的体积密度甚至能达到液态氢密度，因此可以在较小的空间内实现大量氢的存储。但储氢合金吸收和释放氢气一般需要在特定的温度和氢气压力条件下进行。一般来讲，气氛炉中的气体压力与大气压相近，实现炉中的气体的回收还需要维持炉内气体压力和气体流速稳定，避免炉压和气流量波动对热处理过程带来的负面影响。若采用储氢合金回收氢气气氛炉中的氢，并实现氢的循环再利用则需要解决以下两个方面的问题：1)需要设计金属氢化物供氢和储氢装置，满足常压气氛热处理炉工作条件；2)需要开发氢回收和循环系统，在不改变现有气氛炉热处理工艺的前提下实现氢气的自动循环、回收和再利用。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对当前技术中存在的不足，提供一种金属氢化物氢回收系统及方法。该系统通过金属氢化物供氢和储氢装置，以及相关的气路连接，采用高平台压储氢合金提供氢气气源，经气氛炉后由低平台压储氢合金吸收氢气，随后加热低平台压储氢合金可将氢逆向转移至高平台压储氢合金，以此实现氢气气氛热处理过程中氢的循环再利用。本专利技术通过相关装置组成，储氢器和供氢器内合金设计成分以及合金质量与气氛炉所需氢气量之间的关系的研究，实现了氢气气氛条件下热处理过程中氢的回收和循环利用，节约了生产成本，提高了氢气使用过程的安全性。本专利技术的技术方案为：一种基于金属氢化物的氢回收系统，该系统包含氢气瓶、一级减压阀、气瓶阀门、供氢器阀门、供氢器、供氢器压力表、二级减压阀、微调阀、氢输出流量计、炉体压力表、排气阀门、排气单向阀、氢回收阀门、氢回收流量计、背压阀、氢回收单向阀、储氢器、加热装置、储氢器压力表、氢回流单向阀、第一三通、第三三通、第五三通、第六三通；所述氢气瓶经过一级减压阀、气瓶阀门和第三三通的一端相连；第三三通的另一端经过供氢器阀门和供氢器相连，第三三通第三端经过二级减压阀、微调阀、氢输出流量计与气氛炉的进气口相连；气氛炉的出气口与第五三通的一端相连，第五三通的另一端经过排气阀门和排气单向阀接入室外大气中，第五三通的第三端依次经过氢回收流量计、背压阀、氢回收单向阀与储氢器连接；储氢器置于加热装置内；储氢器还经过氢回流单向阀与供氢器相连。所述的供氢器由n个储氢罐并联组成，n＝1-20，储氢罐内装有高平台压储氢合金粉，所述的高压平台储氢合金粉化学组成为La1-xCexNi5.2-y-zMnyAlz，其中x＝0.4-0.6、y＝0.2-0.5、z＝0.1-0.3(原子比)，优选La0.5Ce0.5Ni4.7Mn0.3Al0.2；所述的储氢器由m个储氢罐并联组成，m＝1-20，储氢罐内装有低平台压储氢合金粉，所述的低压平台储氢合金粉化学组成为La1-uCeuNi5-v-wMnvAlw，其中u＝0.05-0.2、v＝0.3-0.7、w＝0.3-0.7(原子比)，优选La0.9Ce0.1Ni4.1Mn0.5Al0.4；所述的加热装置内的加热介质为水、导热油或电热丝。所述供氢器或储氢器内的合金粉理论总质量根据气氛炉使用过程中的气流量及通气时间决定，具体按下式计算：其中W为所需合金总质量(kg)，Q为气体流量(L/min)，t为通气时间(min)，ω为储氢合金有效储氢容量(wt.％)；对于供氢器中的储氢合金而言，有效储氢容量ω为30℃条件下合金在1MPa氢气力下对应的氢含量与在0.15MPa氢气力下对应的氢含量之间的差值；对于储氢器中的储氢合金而言，有效储氢容量ω为30℃条件时0.1MPa氢气力下对应的氢含量与合金加热放氢至1MPa氢气力下对应的氢含量之间的差值。一种基于金属氢化物的氢回收方法，该方法包含以下步骤：a)在气氛炉中装入待处理工件后关闭气氛炉的炉门，保持供氢器阀门和氢回收阀门关闭，打开氢气瓶阀门，开启气瓶阀门和排气阀门，调节微调阀使氢气进入炉内，气体流量为3-20L/min，通气10-30min排出炉内空气；b)关闭气瓶阀门和排气阀门，同时开启供氢器阀门和氢回收阀门，系统转由供氢器供氢，氢气经过气氛炉后由储氢器内的储氢合金吸收储存；供氢器内的高平台压储氢合金在室温条件下的有效工作压力范围为0.15-1MPa，储氢器内的低平台压储氢合金在室温条件下的吸氢工作压力范围为0.01-0.1MPa；随后对气氛炉进行所需的热处理操作；c)当气氛热处理时间及气体流量超过了储氢合金重量设计指标时，所需氢气的量大于供氢器中高平台压储氢合金的储氢容量，供氢器内的氢压力低于0.15MPa时，通过切换气瓶阀门和供氢器阀门来选择继续用氢气瓶供氢；同样，当储氢器内的压力达到0.1MPa时表明储氢器内的低平台压储氢合金吸氢已达到储氢容量，通过切换排气阀门和氢回收阀门来将后续的氢排到室外的空气中；d)热处理完毕后，关闭气瓶阀门、供氢器阀门、排气阀门、氢回收阀门以及微调阀，控控储氢器加热系统以1-5℃/min的升温速率开始升温，加热温度范围为50-250℃，加热过程中储氢器内的气体压力逐渐上升；当储氢器内的气体压力达到室温条件下供氢器内的气体压力时，回流单向阀自动开启，储氢器内的氢经过回流单向阀后由供氢器内的合金吸收储存；e)继续加热储氢器，当储氢器内气体压力达到1MPa时，在当前温度下保温10-30min，使储氢器和供氢器内的压力相等，此时储氢器中回收的氢已转移至供氢器内；随后关闭加热装置电源，待储氢器自然冷却至室温，可继续进行下一次热处理过程。本专利技术的实质性特点为：1、本专利技术设计了一套金属氢化物供氢和储氢装置，可以满足常压气氛热处理炉工作条件；2、储氢合金吸收和释放氢气需要一定的压力，而气氛炉一般是在常压下工作，设计相关的气路连接及提出储氢合金应满足的热力学和可逆储氢容量，满足热处理过程中氢气的自动释放和吸收，以及热处理后使氢由储氢器转移至供氢器，实现氢的循环利用是本专利技术的一个创新点；本专利技术采用两种金属氢化物作为供氢和吸氢材料，结合合适的气路，实现氢气的循环利用同样具有创新性。本专利技术的有益效果在于：1、采用具有不同平台压力的两种储氢合金作为氢吸收和存储介质，室温下用高平台压储氢合金提供氢气，循环后由低平台压储氢合金吸收氢气，随后加热低平台压储氢合金使氢自动转移至高平台储氢合金，实现了氢气气氛条件下热处理过程中氢的自动回收和循环利用，避免了氢气资源的浪费；2、现有的氢气气氛热处理工艺是将从炉中排出的氢气直接排入大气中，采用本专利技术提供的氢回收系统及方法实现了热处理过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于金属氢化物的氢回收系统，其特征为该系统包含氢气瓶、一级减压阀、气瓶阀门、供氢器阀门、供氢器、供氢器压力表、二级减压阀、微调阀、氢输出流量计、炉体压力表、排气阀门、排气单向阀、氢回收阀门、氢回收流量计、背压阀、氢回收单向阀、储氢器、加热装置、储氢器压力表、氢回流单向阀、第一三通、第三三通、第五三通、第六三通；所述氢气瓶经过一级减压阀、气瓶阀门和第三三通的一端相连；第三三通的另一端经过供氢器阀门和供氢器相连，第三三通第三端经过二级减压阀、微调阀、氢输出流量计与气氛炉的进气口相连；气氛炉的出气口与第五三通的一端相连，第五三通的另一端经过排气阀门和排气单向阀接入室外大气中，第五三通的第三端依次经过氢回收流量计、背压阀、氢回收单向阀与储氢器连接；储氢器置于加热装置内；储氢器还经过氢回流单向阀与供氢器相连。

【技术特征摘要】
1.一种基于金属氢化物的氢回收系统，其特征为该系统包含氢气瓶、一级减压阀、气瓶阀门、供氢器阀门、供氢器、供氢器压力表、二级减压阀、微调阀、氢输出流量计、炉体压力表、排气阀门、排气单向阀、氢回收阀门、氢回收流量计、背压阀、氢回收单向阀、储氢器、加热装置、储氢器压力表、氢回流单向阀、第一三通、第三三通、第五三通、第六三通；所述氢气瓶经过一级减压阀、气瓶阀门和第三三通的一端相连；第三三通的另一端经过供氢器阀门和供氢器相连，第三三通第三端经过二级减压阀、微调阀、氢输出流量计与气氛炉的进气口相连；气氛炉的出气口与第五三通的一端相连，第五三通的另一端经过排气阀门和排气单向阀接入室外大气中，第五三通的第三端依次经过氢回收流量计、背压阀、氢回收单向阀与储氢器连接；储氢器置于加热装置内；储氢器还经过氢回流单向阀与供氢器相连。2.如权利要求1所属的基于金属氢化物的氢回收系统，其特征为所述的供氢器由n个储氢罐并联组成，n＝1-20，储氢罐内装有高平台压储氢合金粉，所述的高压平台储氢合金粉化学组成为La1-xCexNi5.2-y-zMnyAlz，其中x＝0.4-0.6、y＝0.2-0.5、z＝0.1-0.3(原子比)；所述的储氢器由m个储氢罐并联组成，m＝1-20，储氢罐内装有低平台压储氢合金粉，所述的低压平台储氢合金粉化学组成为La1-uCeuNi5-v-wMnvAlw，其中u＝0.05-0.2、v＝0.3-0.7、w＝0.3-0.7(原子比)。3.如权利要求1所属的基于金属氢化物的氢回收系统，其特征为所述的加热装置内的加热介质为水、导热油或电热丝。4.如权利要求1所属的基于金属氢化物的氢回收系统，其特征为所述的高压平台储氢合金粉化学组成优选La0.5Ce0.5Ni4.7Mn0.3Al0.2；所述的低压平台储氢合金粉化学组成优选La0.9...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨泰，王鹏，李强，梁春永，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12