一种氢氦氖混合气膨胀制冷的氢液化装置

技术领域

本发明属于制冷与低温工程技术领域，具体涉及一种氢氦氖混合气膨胀制冷的氢液化装置。

背景技术

随着化石能源被过度地开采和利用，由此引发的二氧化碳大量排放已成为当今全球所面临最紧迫的环境问题。绿色清洁能源的开发利用是未来重要的研究方向。除核燃料外，氢的单位质量热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，而且燃烧产物只有水。因此，氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，将在改善能源结构、推动能源革命和实现节能减排中发挥不可或缺的作用。

氢气的直接储运有两种形式：液氢和气氢。常压下液氢的密度为70.8kg/m

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中氢液化过程中设备制造困难、能耗高的问题。本发明提供一种氢氦氖混合气膨胀制冷的氢液化装置，使预冷循环比能耗低于1.3kWh/kg液氢、氢氦氖膨胀制冷循环比能耗低于4.4kWh/kg液氢、循环氢压缩比能耗低于0.3kWh/kg液氢，整套装置比能耗低于6.0kWh/kg液氢。

为实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

本发明提供一种氢氦氖混合气膨胀制冷的氢液化装置，氢液化装置包括预冷冷箱、深冷冷箱、低温吸附器、冷剂储罐、一级混合气压缩机组、二级混合气压缩机组、循环氢压缩机组、液氢储罐，且相互之间通过管道连接。

预冷冷箱中设有一级换热器。深冷冷箱中设有二级换热器、氢气液分离罐、一级膨胀机组、二级膨胀机组和三级膨胀机组。氢液化装置的具体结构如下：

来自上游净化的原料氢通过第一管道与一级换热器的第一热侧进口连接。一级换热器的第一热侧出口通过第二管道与低温吸附器的进口连接。低温吸附器的出口通过第三管道与二级换热器的第一热侧进口连接。二级换热器的第一热侧出口依次通过第四管道和第五管道与氢气液分离罐的进口连接。氢气液分离罐的顶部出口通过第七管道与二级换热器的第一冷侧进口连接。二级换热器的第一冷侧出口通过第八管道与循环氢压缩机组的进口连接。循环氢压缩机组的出口通过第九管道与原料氢汇聚至第一管道的进口，构成循环。氢气液分离罐的底部出口通过第六管道连接液氢储罐。

氢液化装置的深冷冷箱中采用氢氦氖混合气膨胀制冷循环。具体结构如下：

一级混合气压缩机组的进口接收来自第十六混合气管道的氢氦氖混合气，一级混合气压缩机组的出口与第一混合气管道的进口连接，且第一混合气管道的出口分为第二混合气管道和第三混合气管道两条支路。

第三混合气管道与二级换热器的第二热侧进口连接。二级换热器的第二热侧出口通过第八混合气管道与一级膨胀机组的进口连接。一级膨胀机组的出口与第十一混合气管道的进口连接。

第二混合气管道与二级混合气压缩机组的进口连接。二级混合气压缩机组的出口分为第四混合气管道和第五混合气管道两条支路。第五混合气管道的出口与二级换热器的第三热侧进口连接。第四混合气管道的出口与二级换热器的第四热侧进口连接。

二级换热器的第三热侧出口通过第七混合气管道与二级膨胀机组的进口连接。二级膨胀机组的出口与第十混合气管道的进口连接。二级换热器的第四热侧出口通过第六混合气管道与三级膨胀机组的进口连接。三级膨胀机组的出口通过第九混合气管道与二级换热器的第四冷侧进口连接。二级换热器的第四冷侧出口与第十二混合气管道的进口连接，第十二混合气管道的出口与第十混合气管道的出口汇聚至第十三混合气管道的进口。十三混合气管道的出口与二级换热器的第三冷侧进口连接。

二级换热器的第三冷侧出口与第十四混合气管道的进口连接。第十四混合气管道的出口与第十一混合气管道的出口汇聚至第十五混合气管道的进口。第十五混合气管道的出口与二级换热器的第二冷侧进口连接。二级换热器的第二冷侧出口通过第十六混合气管道与一级混合气压缩机组的进口连接，构成氢氦氖混合气膨胀制冷循环。

作为优选，上述预冷冷箱为常压冷箱，深冷冷箱为真空冷箱。

作为优选，上述预冷冷箱中采用预冷循环，预冷循环采用液氮制冷、氮循环制冷或混合冷剂制冷循环。

作为优选，上述第四管道和第五管道之间设有氢气节流阀。

作为优选，上述一级换热器和二级换热器均为铝制板翅式换热器，其中二级换热器原料氢通道中根据制冷温区装填对应催化性能的正仲氢转化催化剂。

作为优选，上述低温吸附器中装填用于去除原料氢中易冻结杂质的分子筛。

作为优选，上述冷剂储罐包括氢氦氖回收罐、氦气储罐和氖气储罐。氢氦氖回收罐、氦气储罐和氖气储罐均通过管道与第十六混合气管道连接，用于调节氢氦氖混合气的组成。

作为优选，上述氢氦氖混合气组成为2.5mol％氢气、63.3mol％氦气和34.2mol％氖气。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的氢液化装置中预冷循环比能耗低于1.3kWh/kg液氢、氢氦氖膨胀制冷循环比能耗低于4.4kWh/kg液氢、循环氢压缩比能耗低于0.3kWh/kg液氢，整套装置比能耗低于6.0kWh/kg液氢，大幅低于现阶段11.9～13.8kWh/kg液氢的比能耗。

(2)本发明提供的氢液化装置避免了大型氢/氦压缩机和氢/氦膨胀机的使用，平均分子量为8～10g/mol氢氦氖混合气的音速比纯氢/氦的音速低得多，降低了压缩机和膨胀机的制造难度。

(3)本发明提供的氢液化装置具有液化率高、液氢纯度高以及产品仲氢含量高的优点，能够实现产品中仲氢含量不低于97％，每天能生产液氢50～100吨。

附图说明

图1为实施例提供的一种氢氦氖混合气膨胀制冷的氢液化装置示意图；

图中：一级换热器HE1、二级换热器HE2、低温吸附器S1、氢气节流阀V1、氢气液分离罐D1、循环氢压缩机组K1、一级混合气压缩机组K2、二级混合气压缩机组K3、一级膨胀机组E1、二级膨胀机组E2、三级膨胀机组E3、液氢储罐T1、氢氦氖回收罐T2、氦气储罐T3、氖气储罐T4、第一管道H1、第二管道H2、第三管道H3、第四管道H4、第五管道H5、第六管道H6、第七管道H7、第八管道H8、第九管道H9、第一混合气管道L1、第二混合气管道L2、第三混合气管道L3、第四混合气管道L4、第五混合气管道L5、第六混合气管道L6、第七混合气管道L7、第八混合气管道L8、第九混合气管道L9、第十混合气管道L10、第十一混合气管道L11、第十二混合气管道L12、第十三混合气管道L13、第十四混合气管道L14、第十五混合气管道L15、第十六混合气管道L16。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明各个实施例中的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明的描述中，需要理解的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件或者是间接连接即存在中间元件。相反，当元件为称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。

如图1所示，本实施例作为具体实施方式的优选，提供了一种氢氦氖混合气膨胀制冷的氢液化装置。该氢液化装置包括预冷冷箱、深冷冷箱，以及位于预冷冷箱和深冷冷箱外的低温吸附器S1、冷剂储罐、一级混合气压缩机组K2、二级混合气压缩机组K3、循环氢压缩机组K1、液氢储罐T1。其中，冷剂储罐包括氢氦氖回收罐T2、氦气储罐T3和氖气储罐T4。

本实施例中，预冷冷箱为常压冷箱，深冷冷箱为真空冷箱。预冷冷箱中设有一级换热器HE1。且预冷冷箱中采用预冷循环。需要说明的是，预冷循环可采用包括但不限于液氮制冷、氮循环制冷或混合冷剂制冷循环等方式。

深冷冷箱中设有二级换热器HE2、氢气液分离罐D1、一级膨胀机组E1、二级膨胀机组E2和三级膨胀机组E3。

氢液化装置的具体结构如下：

来自上游净化的原料氢通过第一管道H1进入预冷冷箱，与一级换热器HE1的第一热侧进口连接，对原料氢进行换热。一级换热器HE1的第一热侧出口通过第二管道H2与预冷冷箱外的低温吸附器S1的进口连接。低温吸附器S1中装填分子筛，用于去除原料氢在深冷冷箱中易冻结的杂质。

低温吸附器S1的出口通过第三管道H3与深冷冷箱中的二级换热器HE2的第一热侧进口连接，进行换热。二级换热器HE2的第一热侧出口依次通过第四管道H4和第五管道H5与氢气液分离罐D1的进口连接。第四管道H4和第五管道H5之间设置有用于调节氢气压力的氢气节流阀V1。

氢气液分离罐D1的顶部出口通过第七管道H7与二级换热器HE2的第一冷侧进口连接，进行换热。二级换热器HE2的第一冷侧出口通过第八管道H8与循环氢压缩机组K1的进口连接，在循环氢压缩机组K1中压缩后，通过第九管道H9与原料氢汇聚至第一管道H1的进口，可进行循环。氢气液分离罐D1的底部出口通过第六管道H6连接液氢储罐T1，构成从原料氢到液氢产品的通道。

氢液化装置的深冷冷箱中采用氢氦氖混合气膨胀制冷循环，具体结构如下：

一级混合气压缩机组K2的进口接收氢氦氖混合气。一级混合气压缩机组K2的出口与第一混合气管道L1的进口连接，且第一混合气管道L1的出口分为第二混合气管道L2和第三混合气管道L3两条支路。

第一条支路的第三混合气管道L3与二级换热器HE2的第二热侧进口连接。二级换热器HE2的第二热侧出口通过第八混合气管道L8与一级膨胀机组E1的进口连接。一级膨胀机组E1的出口与第十一混合气管道L11的进口连接。

另一条支路的第二混合气管道L2与二级混合气压缩机组K3的进口连接。二级混合气压缩机组K3的出口设置第四混合气管道L4和第五混合气管道L5两条支路。

第五混合气管道L5的出口与二级换热器HE2的第三热侧进口连接。第四混合气管道L4的出口与二级换热器HE2的第四热侧进口连接。

二级换热器HE2的第三热侧出口通过第七混合气管道L7与二级膨胀机组E2的进口连接。二级膨胀机组E2的出口与第十混合气管道L10的进口连接。

二级换热器HE2的第四热侧出口通过第六混合气管道L6与三级膨胀机组E3的进口连接。三级膨胀机组E3的出口通过第九混合气管道L9与二级换热器HE2的第四冷侧进口连接。二级换热器HE2的第四冷侧出口与第十二混合气管道L12的进口连接，第十二混合气管道L12的出口与第十混合气管道L10的出口汇聚至第十三混合气管道L13的进口。然后通过十三混合气管道L13与二级换热器HE2的第三冷侧进口连接。

二级换热器HE2的第三冷侧出口与第十四混合气管道L14的进口连接。第十四混合气管道L14的出口与第十一混合气管道L11的出口汇聚至第十五混合气管道L15的进口。然后通过第十五混合气管道L15的出口与二级换热器HE2的第二冷侧进口连接。

二级换热器HE2的第二冷侧出口通过第十六混合气管道L16与一级混合气压缩机组K2的进口连接，构成氢氦氖混合气膨胀制冷循环。氢氦氖回收罐T2、氦气储罐T3和氖气储罐T4分别通过管道与第十六混合气管道L16汇聚，构成包含氢气、氦气和氖气三种气体的氢氦氖混合气，进入一级混合气压缩机组K2。其中氢氦氖混合气的组成可调节。

本实施例中，一级换热器HE1和二级换热器HE2均为铝制板翅式换热器，其中二级换热器HE2原料氢通道中根据制冷温区装填对应催化性能的正仲氢转化催化剂。

本实施例还提供了一种利用上述氢液化装置进行液氢制备的方法，步骤如下：

(1)来自上游净化的2.5MPa、40℃原料氢先通过第一管道H1进入预冷冷箱中一级换热器HE1进行换热，降温至-170～-190℃后通过第二管道H2出预冷冷箱，随后进入低温吸附器S1中，通过低温吸附器S1设置的分子筛脱除甲烷、氮气等在深冷冷箱中易冻结的杂质组分。然后通过第三管道H3进入深冷冷箱中二级换热器HE2进行换热，进一步降温至-246℃。同时在二级换热器HE2中填充的催化剂作用下，将仲氢含量从25％提高至97％以上，再经过氢气节流阀V1节流减压至0.13MPa同时降温至-252℃，最后进入氢气液分离罐D1进行气液分离。液氢从氢气液分离罐D1底部出口流出，通过第六管道H6进入液氢储罐T1，而气相部分从氢气液分离罐D1顶部出口流出，通过第七管道H7在二级换热器HE2中复热后经循环氢压缩机K1压缩并入原料氢，构成循环。

其中，在预冷冷箱中采用包括但不限于液氮制冷、氮循环制冷、混合冷剂制冷等技术进行原料氢的预冷。

(2)在深冷冷箱中采用氢氦氖混合气膨胀制冷。一级混合气压缩机组K2的进口通过第十六混合气管道L16接收氢氦氖混合气，出口与第一混合气管道L1的进口连接。第一混合气管道L1的出口分为第二混合气管道L2和第三混合气管道L3两条支路。第三混合气管道L3中的混合气进入二级换热器HE2的第二热侧进口，换热后第八混合气管道L8与一级膨胀机组E1连接，该混合气膨胀降温后通过第十一混合气管道L11离开一级膨胀机组E1。第二混合气管道L2中的混合气经过二级混合气压缩机组K3压缩后分为第四混合气管道L4和第五混合气管道L5两条支路。

第五混合气管道L5中的混合气经过二级换热器HE2换热后，进入二级膨胀机组E2膨胀降温，然后通过第十混合气管道L10离开二级膨胀机组E2。第四混合气管道L4中的混合气经过二级换热器HE2换热后，进入三级膨胀机组E3膨胀降温。三级膨胀机组E3出口混合气通过第九混合气管道L9再次进入二级换热器HE2换热后，通过第十二混合气管道L12离开二级换热器HE2。

第十二混合气管道L12与第十混合气管道L10中的混合气汇聚至第十三混合气管道L13。第十三混合气管道L13中的混合气进入二级换热器HE2换热后通过第十四混合气管道L14离开二级换热器HE2。第十一混合气管道L11与第十四混合气管道L14中的混合气汇聚至第十五混合气管道L15后进入二级换热器HE2换热，再通过第十六混合气管道L16离开二级换热器HE2。

第十六混合气管道L16中的氢氦氖混合气来自氢氦氖回收罐T2、氢气、氦气储罐T3和氖气储罐T4，该氢氦氖混合气组成为2.5mol％氢气、63.3mol％氦气和34.2mol％氖气，氢氦氖混合气膨胀制冷循环中压力分为2.25MPa、0.85MPa和0.26MPa三个等级，该制冷循环温度始终不低于-247℃，防止氖气冻结。

采用本发明提供的氢液化装置，来自上游净化的原料氢在预冷冷箱中经预冷后进入低温吸附器中进行纯化，纯化后的氢气在深冷冷箱中经氢氦氖混合气膨胀制冷循环进一步降温，经节流降温至液化温度后，气相氢复温再压缩并入原料氢，液相氢进入液氢储罐。根据本发明提供的方式，产品中仲氢含量不低于97％，每天能生产液氢50～100吨。

本发明提供的氢液化装置中预冷循环比能耗低于1.3kWh/kg液氢、氢氦氖膨胀制冷循环比能耗低于4.4kWh/kg液氢、循环氢压缩比能耗低于0.3kWh/kg液氢，整套装置比能耗低于6.0kWh/kg液氢，大幅低于现阶段11.9～13.8kWh/kg液氢的比能耗，同时避免了大型氢/氦压缩机和氢/氦膨胀机的使用。另外，上述系统流程简单、设备少，可显著缩小冷箱尺寸，可有效降低液氢的生产成本。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。