CN108489194A - 液氮预冷装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液氮预冷装置，包括：压缩机、KT透平膨胀压缩机、第一热交换器、第二热交换器和气液分离器；氮气通过第一连接管道依次与压缩机、KT透平膨胀压缩机的K回路与第一热交换器中的氮气通道的进气口相连接，在氮气通道的出气口处设置有第一分支管道和第二分支管道，氮气通道通过第一分支管道依次与第二热交换器中的液氮通道、气液分离器相连接，气液分离器的液氮出口通过第二连接管道依次与氢气液化冷箱、压缩机相连接；第一热交换器中的氮气通道通过第二分支管道依次与KT透平膨胀压缩机的T回路、第二热交换器中的第二循环通道、第一热交换器中的第一循环通道、压缩机相连接。该装置有效降低了液氮的消耗量，降低成本。

Description

液氮预冷装置
技术领域
本发明涉及氢气液化技术，尤其涉及一种为氢气液化提供冷量的液氮预冷装置。
背景技术
随着工业的发展和人们物质生活水平的提高，能源的需求也与日俱增。由于煤炭、石油等化石能源在使用时不可避免地会污染环境，再加上其储量有限，人类面临着开发高效、洁净的二次能源的艰巨挑战，因而寻找可再生的绿色能源迫在眉睫。氢作为可从多种途径获取的理想能源载体，是化石能源向可再生能源过渡的重要桥梁之一，将为终端能源利用提供新的重要形式。
氢气液化技术的核心是氢气的液化部分，氢气的临界温度和转化温度低，气化潜热小，其理论最小液化功在所有气体当中是最高的。由于氢气的液化温度很低，所以只有将氢气预冷却到一定温度以下，再节流膨胀才能产生冷效应，因而对氢气进行冷却处理的冷却效果非常重要。
发明内容
本发明所需解决的技术问题是：提供一种为氢气液化提供冷量的液氮预冷装置。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：所述的液氮预冷装置，包括：压缩机、KT透平膨胀压缩机、第一热交换器、第二热交换器和气液分离器；在第一热交换器中设置有氮气通道和第一循环通道，氮气通道和第一循环通道相互独立；在第二热交换器中设置有液氮通道和第二循环通道，液氮通道和第二循环通道相互独立。
氮气通过第一连接管道依次与压缩机、KT透平膨胀压缩机的K回路与第一热交换器中的氮气通道的进气口相连接，在氮气通道的出气口处设置有第一分支管道和第二分支管道，氮气通道通过第一分支管道依次与第二热交换器中的液氮通道、气液分离器相连接，气液分离器的液氮出口通过第二连接管道依次与氢气液化冷箱、压缩机相连接，构成第一路氮制冷循环回路；第一热交换器中的氮气通道通过第二分支管道依次与KT透平膨胀压缩机的T回路、第二热交换器中的第二循环通道、第一热交换器中的第一循环通道、压缩机相连接，构成第二路氮制冷循环回路。
进一步地，前述的液氮预冷装置，其中，气液分离器中的氮气出口通过第三连接管道与第二热交换器中的第二循环通道的进气口相连接。
进一步地，前述的液氮预冷装置，其中，所述的压缩机为无油离心涡轮压缩机。
进一步地，前述的液氮预冷装置，其中，在第二热交换器中的液氮通道的出气口与气液分离器之间的第一分支管道上设置有第一截止阀。
进一步地，前述的液氮预冷装置，其中，在气液分离器的液氮出口与氢气液化冷箱之间的第二连接管道上设置有第二截止阀。
进一步地，前述的液氮预冷装置，其中，在气液分离器的液氮出口与氢气液化冷箱之间的第二连接管道上还设置有第三分支管道，第三分支管道与至少一个液氮储罐相连接。
本发明的有益效果是：压缩机、KT透平膨胀机、第一热交换器、第二热交换器、气液分离器、氢气液化冷箱形成封闭式氮制冷循环回路，作为氢气液化冷箱的冷却介质——液氮在进行热交换、为氢气液化冷箱提供冷量后，能重新返回压缩机、KT透平膨胀机等构成的氮制冷循环回路中、重新再被制备成具有冷量的液氮，有效降低液氮的消耗量，相比传统液氮预冷装置消耗量减少30%左右，降低成本。
附图说明
图1是液氮预冷装置的结构示意图。
图2是图1中液氮预冷装置中的第一路氮制冷循环回路的结构示意图。
图3是图1中液氮预冷装置中的第二路氮制冷循环回路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及优选实施例对本发明所述的技术方案作进一步详细的说明。
液氮预冷装置属于氢气液化装置中的一部分，所述氢气液化装置包括：氢气液化冷箱6和液氢液化冷箱，经净化处理后的气态氢先进入氢气液化冷箱6中进行预冷及气态氢正仲转化，然后再进入液氢液化冷箱中进行预冷及液态氢正仲转化，最终得到液氢并存储于液氢储罐中。
氢是由氢气经过降温而得到的液体，是一种无色、无味的高能低温液体燃料，是仲氢（p-H2）和正氢（o-H2）的混合物。正氢和仲氢是分子氢的两种自旋异构体，这种异构现象是由于两个氢原子的核自旋有两种可能的偶合而引起的。正氢中两个核的自旋是平行的，仲氢中两个核的自旋则是反平行的。仲氢分子的磁矩为零，正氢分子的磁矩为质子磁矩的两倍。仲氢与正氢的化学性质完全相同，而物理性质有所差异，表现为仲氢的基态能量比正氢低。在室温或高于室温时，正、仲氢的平衡组成为75:25，称为标准氢（n-H2）或正常氢。低于常温时，正仲氢的平衡组成将发生变化，仲氢所占的百分比增加。气态氢的正仲态转化在存在催化剂的情况下才能发生，而液氢则在没有催化剂的情况下自会自发地发生正仲转化，由正氢转化为仲氢。液氢的正仲转化是一放热反应，转化过程中放出的热量和转化时的温度有关。为减少正仲氢转化放热造成的液氢蒸发损失，所有液氢产品中要求仲氢含量至少在95%以上，即要求液化时将正氢基本上都催化转化为仲氢。
在实际使用过程中，仲氢含量在95%以上的液氢，虽然很大程度上减少了正仲氢转化放热造成的液氢蒸发损失，但是受外部温度等其他因素的影响，存储于液氢储罐中的液氢不可避免会有部分气化成低温气态氢。如若将气化后的低温气态氢直接释放于外部环境中，不仅浪费能量，而且还会存在安全隐患，而直接燃烧掉该低温气态氢，也是一种能量浪费现象。因而对低温气态氢进行回收处理：将低温气态氢重新送入氢气液化冷箱6、液氢液化冷箱中，为氢气液化冷箱6及液氢液化冷箱提供冷量。本申请是在低温气态氢为氢气液化冷箱6提供冷量的基础上再设置液氮预冷装置，通过液氮以及低温气态氢两种冷却方式相结合为氢气液化冷箱6提供足够的冷量。
如图1所示，本发明所述的液氮预冷装置包括：压缩机1、KT透平膨胀压缩机2、第一热交换器3、第二热交换器4和气液分离器5。这里压缩机1可以采用无油离心涡轮压缩机。
在第一热交换器3中设置有氮气通道和第一循环通道，氮气通道和第一循环通道相互独立、互不干涉。在第二热交换器4中设置有液氮通道和第二循环通道，液氮通道和第二循环通道相互独立、互不干涉。
如图2和图3所示，原料氮气通过第一连接管道101依次与压缩机1、KT透平膨胀压缩机2的K回路与第一热交换器3中的氮气通道的进气口相连接，在氮气通道的出气口处设置有第一分支管道102和第二分支管道103，氮气通道分别与第一分支管道102、第二分支管道103相连接，氮气通道通过第一分支管道102依次与第二热交换器4中的液氮通道、气液分离器5相连接，气液分离器5的液氮出口通过第二连接管道104依次与氢气液化冷箱6、压缩机1相连接，构成第一路氮制冷循环回路。第一热交换器3中的氮气通道通过第二分支管道103依次与KT透平膨胀压缩机2的T回路、第二热交换器4中的第二循环通道、第一热交换器3中的第一循环通道、压缩机1相连接，构成第二路氮制冷循环回路。气液分离器5中的氮气出口通过第三连接管道105与第二热交换器4中的第二循环通道的进气口相连接。
在实际使用过程中，为便于控制液氮预冷装置，在第二热交换器4中的液氮通道41的出气口与气液分离器5之间的第一分支管道101上设置有第一截止阀9，第一截止阀9可用于调节流量、切断液氮通道41与气液分离器5之间的第一分支管道101等。在气液分离器5的液氮出口与氢气液化冷箱6之间的第二连接管道104上设置有第二截止阀10，第二截止阀10可用于调节流量、切断气液分离器5的液氮出口与氢气液化冷箱6之间的第二连接管道104等。
在实际使用过程中，在气液分离器的5液氮出口与氢气液化冷箱6之间的第二连接管道104上还设置有第三分支管道，第三分支管道与至少一个液氮储罐相连接，各液氮储罐可采用并列方式与第三分支氮气管道相连接，这样即便液氮预冷装置短暂停工也能保证为氢气液化冷箱提供足够的冷却介质——液氮。
配套该液氮预冷装置的液氮预冷工艺的具体步骤如下：
（1）使原料氮气通过压缩机1初步增压至压力为0.9MPa、温度为300K～313K的气态氮；这里压缩机1可以采用无油离心涡轮压缩机；
（2）将初步增压后的气态氮输送至KT透平膨胀压缩机2中的K回路内进行二次增压、膨胀节流降温，得到压力为0.128～0.13MPa、温度为120K±5K的气态氮；
（3）将经二次增压、膨胀节流降温后的气态氮送入第一热交换器3内进行第一次冷却液化处理，得到温度为79.2K±2K的气态氮和液氮混合的气液混合物；将气液混合物中未液化的气态氮输送至KT透平膨胀压缩机2中的T回路内进行膨胀节流降温后、与气液分离器5中分离出去的气态氮汇合，然后再依次输送至第二热交换器4、第一热交换器3中，作为为第二热交换器4、第一热交换器3的冷却介质，为第二热交换器4和第一热交换器3提供冷量后重新回到压缩机1内进行初步增压；将气液混合物中液化的液氮输送至第二热交换器4中进行第二次冷却液化处理后、输送至气液分离器5中进行气液分离，得到压力为0.123～0.128MPa、温度为70K～79.2K的液氮；
（4）将经气液分离后得到的液氮输送至氢气液化装置中的氢气液化冷箱6内，为氢气液化冷箱6提供冷量后重新回到压缩机1内进行初步增压；其中进入氢气液化冷箱6内的液氮温度为70K～79.2K；
（5）循环上述各步骤。
其中步骤（4）中所述的氢气液化冷箱6包括：第三热交换器8和反应器7，经气液分离后得到的液氮作为氢气液化冷箱6的冷却介质、依次进入反应器7、第三热交换器8中，为反应器7和第三热交换器8提供冷量。
在实际液氮预冷工艺中，从第二热交换器4中的液氮通道中输出的液氮经第一截止阀9后进入气液分离器5中。从气液分离器5的液氮出口输出的液氮经第二截止阀10后进入氢气液化冷箱6内。
以上所述仅是本发明的较佳实施例，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明要求保护的范围。
本发明的优点是：压缩机1、KT透平膨胀机2、第一热交换器3、第二热交换器4、气液分离器5、氢气液化冷箱6形成封闭式氮制冷回路，作为氢气液化冷箱6的冷却介质——液氮在进行热交换、为氢气液化冷箱6提供冷量后，能重新返回压缩机1、KT透平膨胀机2等构成的氮制冷循环回路中、重新再被制备成具有冷量的液氮，有效降低液氮的消耗量，相比传统液氮预冷装置消耗量减少30%左右，降低成本。

Claims (6)

1.液氮预冷装置，其特征在于：包括：压缩机、KT透平膨胀压缩机、第一热交换器、第二热交换器和气液分离器；在第一热交换器中设置有氮气通道和第一循环通道，氮气通道和第一循环通道相互独立；在第二热交换器中设置有液氮通道和第二循环通道，液氮通道和第二循环通道相互独立；
氮气通过第一连接管道依次与压缩机、KT透平膨胀压缩机的K回路与第一热交换器中的氮气通道的进气口相连接，在氮气通道的出气口处设置有第一分支管道和第二分支管道，氮气通道通过第一分支管道依次与第二热交换器中的液氮通道、气液分离器相连接，气液分离器的液氮出口通过第二连接管道依次与氢气液化冷箱、压缩机相连接，构成第一路氮制冷循环回路；第一热交换器中的氮气通道通过第二分支管道依次与KT透平膨胀压缩机的T回路、第二热交换器中的第二循环通道、第一热交换器中的第一循环通道、压缩机相连接，构成第二路氮制冷循环回路。
2.按照权利要求1所述的液氮预冷装置，其特征在于：气液分离器中的氮气出口通过第三连接管道与第二热交换器中的第二循环通道的进气口相连接。
3.按照权利要求1或2所述的液氮预冷装置，其特征在于：所述的压缩机为无油离心涡轮压缩机。
4.按照权利要求1所述的液氮预冷装置，其特征在于：在第二热交换器中的液氮通道的出气口与气液分离器之间的第一分支管道上设置有第一截止阀。
5.按照权利要求1、2或5所述的液氮预冷装置，其特征在于：在气液分离器的液氮出口与氢气液化冷箱之间的第二连接管道上设置有第二截止阀。
6.按照权利要求1所述的液氮预冷装置，其特征在于：在气液分离器的液氮出口与氢气液化冷箱之间的第二连接管道上还设置有第三分支管道，第三分支管道与至少一个液氮储罐相连接。
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