CN108679929B - 一种具备氢气成分检测功能的氢气液化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具备氢气成分检测功能的氢气液化系统，气态氢源的出口通过氢气净化器与换热器的进口相连通，换热器的出口与吸附器的进口相连通，吸附器的出口与第一正仲氢转化反应器的进口相连通，第一正仲氢转化反应器的出口与氢冷却循环系统的进口相连通，氢冷却循环系统的出口与第二正仲氢转化反应器的进口相连通，第二正仲氢转化反应器的出口与液氢灌装输送单元的进口相连通；换热器的进口、吸附器的出口、第二正仲氢转化反应器的出口、以及液氢灌装输送单元同时与氢气成分检测分析模块相连。本发明的优点是：氢液化效率高，投资成本低，液氢质量好。
Description
技术领域
本发明涉及氢液化技术领域，具体涉及一种具备氢气成分检测功能的氢气液化系统。
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。氢能利用需要解决制取、储运和应用等一系列问题，而储运则是氢能应用的重要关键。当前氢能利用一般是“就地生产，就地消费”，这主要归因于氢储运困难。目前，氢储存方式主要有两种方式：高压气态储存和低温液态储存，高压气态储存是最普遍和最直接的储氢方式，氢气经过加压存储于储罐中，但是该种储氢方式的氢储存量小，且需要厚重的耐压储罐，运输成本非常高。而低温液态储存技术目前还不成熟，过去半个世纪以来，许多研究者围绕着提高氢的液化效率和降低液化费用开展了大量的理论和实验研究。然而，面向大规模的工业需求，目前氢液化技术主要存在的问题仍然是氢液化效率低、投资成本大、液氢品质难以保证。
发明内容
本发明的目的是提供一种氢液化效率高、投资成本低且液氢质量好的具备氢气成分检测功能的氢气液化系统。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：所述的所述的一种具备氢气成分检测功能的氢气液化系统，包括气态氢源、氢气净化器、换热器、吸附器、第一正仲氢转化反应器、第二正仲氢转化反应器、能对气态氢气与液态氢气进行成分检测分析的氢气成分检测分析模块、为氢气液化提供冷量的氢冷却循环系统、以及用以灌装输送液氢的液氢灌装输送单元；
所述气态氢源的出口通过氢气净化器与换热器的进口相连通，换热器的出口与吸附器的进口相连通，吸附器的出口与第一正仲氢转化反应器的进口相连通，第一正仲氢转化反应器的出口与氢冷却循环系统的进口相连通，氢冷却循环系统的出口与第二正仲氢转化反应器的进口相连通，第二正仲氢转化反应器的出口与液氢灌装输送单元的进口相连通；所述换热器的进口、吸附器的出口、第二正仲氢转化反应器的出口、以及液氢灌装输送单元同时与氢气成分检测分析模块相连。
进一步地，前述的一种具备氢气成分检测功能的氢气液化系统，其中：还包括氮气液化冷箱，所述氮气液化冷箱的出口与第一正仲氢转化反应器的冷量介质入口相连通，第一正仲氢转化反应器的冷量介质出口通过压缩机与氮气液化冷箱的进口相连通。
进一步地，前述的一种具备氢气成分检测功能的氢气液化系统，其中：氢冷却循环系统与换热器相连通，从而为换热器液化氢气提供冷量。
通过上述技术方案的实施，本发明的有益效果是：氢液化效率高，投资成本低，通过氢气成分检测分析模块实时对换热器的进口、吸附器的出口、第二正仲氢转化反应器的出口、以及液氢灌装输送单元中的氢气进行成分分析检测，有效保证了液氢质量。
附图说明
图1为本发明所述的一种具备氢气成分检测功能的氢气液化系统的结构原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，所述的一种具备氢气成分检测功能的氢气液化系统，包括气态氢源1、氢气净化器2、换热器3、吸附器4、第一正仲氢转化反应器5、第二正仲氢转化反应器6、能对气态氢气与液态氢气进行成分检测分析的氢气成分检测分析模块7、为氢气液化提供冷量的氢冷却循环系统8、以及用以灌装输送液氢的液氢灌装输送单元9；
所述气态氢源1的出口通过氢气净化器2与换热器3的进口相连通，换热器3的出口与吸附器4的进口相连通，吸附器4的出口与第一正仲氢转化反应器5的进口相连通，第一正仲氢转化反应器5的出口与氢冷却循环系统8的进口相连通，氢冷却循环系统8的出口与第二正仲氢转化反应器6的进口相连通，第二正仲氢转化反应器6的出口与液氢灌装输送单元9的进口相连通；所述换热器3的进口、吸附器4的出口、第二正仲氢转化反应器6的出口、以及液氢灌装输送单元9同时与氢气成分检测分析模块7相连；
在本实施例中，还包括氮气液化冷箱10，所述氮气液化冷箱10的出口与第一正仲氢转化反应器5的冷量介质入口相连通，第一正仲氢转化反应器5的冷量介质出口通过压缩机11与氮气液化冷箱10的进口相连通，通过氮气冷却方式对氢气进行预冷，可以更好地实现第一正仲氢转化反应器5中氢气的液化，有效提高了氢气液化效率；在本实施例中，氢冷却循环系统8与换热器3相连通，从而为换热器3液化氢气提供冷量，这样可以更好地实现对氢气的液化，进一步有效提高了氢气液化效率；
本发明的工作原理如下：
气态氢源1中的原料氢先经压缩机与氢气净化器2进入换热器3中进行一级冷却降温，经换热器3冷却降温后的原料氢再进入吸附器4进行精细清洁，被吸附器4精细清洁后的原料氢再进入第一正仲氢转化反应器5中进行第一次反应，然后再进入氢冷却循环系统8中被冷却液化成液氢，液氢再进入第二正仲氢转化反应器6中进行第二次反应，然后再进入液氢灌装输送单元9中进行灌装输送；
在气态氢液化过程中，氢气成分检测分析模块7会定期对换热器的进口与吸附器的出口的气态氢进行成分分析检测，同时对第二正仲氢转化反应器的出口及液氢灌装输送单元中的液态氢进行成分分析检测；
在氢气成分检测分析模块7对换热器的进口与吸附器的出口的气态氢进行成分分析检测时，换热器的进口与吸附器的出口的气态氢中的成分需符合下表所列出的要求；
表1 成品氢气成分要求
在氢气成分检测分析模块7对换热器的进口的气态氢进行成分分析检测时检测在每隔20分钟进行一次，检测气态氢中氧气和氮气的微浓度含量检测，保证成品氢气成分符合相关规定；
在氢气成分检测分析模块7对吸附器的出口的气态氢进行成分分析检测时，至少每20分钟分别对吸附器的出口的气态氢中氧气和氮气的微浓度含量检测进行检测；
在氢气成分检测分析模块7对第二正仲氢转化反应器6的出口的液态氢进行成分分析检测时，应当持续对第二正仲氢转化反应器6出口的仲氢浓度进行检测，在实际操作时，可以用重复激活的信号或更换反应器中催化剂的方式来降低仲氢浓度；
在氢气成分检测分析模块7对液氢灌装输送单元中的液态氢进行成分分析检测时，为了保证HX-107反应器在没有积累氧气的条件下能够安全工作，应当至少采取以下措施之一：
（1）在贮罐中最小平衡压力下或第二正仲氢转化反应器6中成品液氢的最低温度符合相关数值关系时，保证被提供进行液化的氢气纯度高于溶解度极限；例如，对于与21.14K饱和温度相对应的0,13兆帕（绝对值）饱和压力，氧气的溶解度为0,77 ppbV；也就是说，必须将待液化氢气中的氧气净化到规定的程度以下；
（2）当被提供进行液化的氢气浓度超过溶解极限时，考虑在氧气积累至0.8克时对第二正仲氢转化反应器6进行加温；积累就相当于待液化气流中氧气的实际浓度和第二正仲氢转化反应器6中在最低温度时的溶解极限之差的消耗；例如，当提供进行液化的氢气中含有2 ppbV氧气且第二正仲氢转化反应器6中产品的最低温度等于21.5K时，其溶解度为1,09 ppbV时，浓度差即为0,91 ppbV；250 kg/小时的产品氢消耗可以保证2.72 ml/小时或3.62 mg/小时的氧气积累速度，由此得出，0.8克的临界量是经过800/3,62 = 221小时积累的，经过这个过程以后第二正仲氢转化反应器6应该是暖的；在具有备用设备的情况下，可以无需对第二正仲氢转化反应器6进行加温；在没有备用设备的情况下，则要求使用液化器装置对第二正仲氢转化反应器6进行加温、吹扫以及反复预冷；
（3）为了溶解成品氢中积累的杂质和清除运输容器的杂质，可长期或临时增加第二正仲氢转化反应器6和相邻液氢贮罐的平衡压力；在21.5K温度下液氢积累的固态氧结晶可以在液氢加温到22.15K时所对应的0.17兆帕（绝对）的平衡压力下溶解，然后结晶溶解并与贮罐中来自反应器的产物一起清除，然后也按照同样的工艺从贮罐进入运输容器；当氧气含量不超过2 ppbV的氢气达到输送至液化的条件时，在给消费者装运的液氢中保持该氧气含量，而针对氧气净化系统以及分析气体氧气微浓度的气体分析实验室人员的要求就变得比较简单。
本发明的优点是：氢液化效率高，投资成本低，通过氢气成分检测分析模块实时对换热器的进口、吸附器的出口、第二正仲氢转化反应器的出口、以及液氢灌装输送单元中的氢气进行成分分析检测，有效保证了液氢质量。
Claims (1)
1.一种具备氢气成分检测功能的氢气液化系统，其特征在于：包括气态氢源、氢气净化器、换热器、吸附器、第一正仲氢转化反应器、第二正仲氢转化反应器、能对气态氢气与液态氢气进行成分检测分析的氢气成分检测分析模块、为氢气液化提供冷量的氢冷却循环系统、以及用以灌装输送液氢的液氢灌装输送单元；
所述气态氢源的出口通过氢气净化器与换热器的进口相连通，换热器的出口与吸附器的进口相连通，吸附器的出口与第一正仲氢转化反应器的进口相连通，第一正仲氢转化反应器的出口与氢冷却循环系统的进口相连通，氢冷却循环系统的出口与第二正仲氢转化反应器的进口相连通，第二正仲氢转化反应器的出口与液氢灌装输送单元的进口相连通；所述换热器的进口、吸附器的出口、第二正仲氢转化反应器的出口、以及液氢灌装输送单元同时与氢气成分检测分析模块相连；还包括氮气液化冷箱，所述氮气液化冷箱的出口与第一正仲氢转化反应器的冷量介质入口相连通，第一正仲氢转化反应器的冷量介质出口通过压缩机与氮气液化冷箱的进口相连通；氢冷却循环系统与换热器相连通，从而为换热器液化氢气提供冷量；
在氢气成分检测分析模块对换热器的进口的气态氢进行成分分析检测时检测在每隔20分钟进行一次，检测气态氢中氧气和氮气的微浓度含量检测；
在氢气成分检测分析模块对吸附器的出口的气态氢进行成分分析检测时，至少每20分钟分别对吸附器的出口的气态氢中氧气和氮气的微浓度含量检测进行检测；
在氢气成分检测分析模块对第二正仲氢转化反应器的出口的液态氢进行成分分析检测时，应当持续对第二正仲氢转化反应器出口的仲氢浓度进行检测，用重复激活的信号或更换反应器中催化剂的方式来降低仲氢浓度；
在氢气成分检测分析模块对液氢灌装输送单元中的液态氢进行成分分析检测时，为了保证第二正仲氢转化反应器在没有积累氧气的条件下能够安全工作，应当至少采取以下措施之一：
（1）在贮罐中最小平衡压力下或第二正仲氢转化反应器中成品液氢的最低温度符合相关数值关系时，保证被提供进行液化的氢气纯度高于溶解度极限；必须将待液化氢气中的氧气净化到规定的程度以下；
（2）当被提供进行液化的氢气浓度超过溶解极限时，在氧气积累至0.8克时对第二正仲氢转化反应器进行加温；积累就相当于待液化气流中氧气的实际浓度和第二正仲氢转化反应器中在最低温度时的溶解极限之差的消耗；在具有备用设备的情况下，无需对第二正仲氢转化反应器进行加温；在没有备用设备的情况下，则要求使用液化器装置对第二正仲氢转化反应器进行加温、吹扫以及反复预冷；
（3）为了溶解成品氢中积累的杂质和清除运输容器的杂质，可长期或临时增加第二正仲氢转化反应器和相邻液氢贮罐的平衡压力；在21.5K温度下液氢积累的固态氧结晶在液氢加温到22.15K时所对应的0.17兆帕绝对压力的平衡压力下溶解，然后结晶溶解并与贮罐中来自反应器的产物一起清除，然后也按照同样的工艺从贮罐进入运输容器；当氧气含量不超过2 ppbV的氢气达到输送至液化的条件时，在给消费者装运的液氢中保持该氧气含量。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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