CN110748786A - 一种基于氩、氮、和正氢三级保温层的工业储存液氢的装置 - Google Patents

一种基于氩、氮、和正氢三级保温层的工业储存液氢的装置 Download PDF

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Abstract

一种基于氩、氮、和正氢三级保温层的工业储存液氢的技术及装置，该装置三级保温层由超临界氩外层保温，冷氮气中间层保温，氢介质内层保温组成，所述超临界氩外层保温内设有高压氩气冷却换热器，所述高压氩气冷却换热器热端进口分别连接空分氩气补充和压缩氩气水冷却器出口，所述高压氩气冷却换热器热端出口连接超临界氩气进超临界氩外层保温截止阀进口；所述高压氩气冷却换热器冷端进口分别连接空分污氮气入高压氩气冷却换热器截止阀出口和蒸发氢气排空截止阀出口，所述高压氩气冷却换热器冷端出口连接其他子系统（（蒸发氢气另作他用，污氮气去空分水冷系统））。本发明装置保温性能良好，密封性能也较优，极大提高了液氢保温效率。

Description

一种基于氩、氮、和正氢三级保温层的工业储存液氢的装置
技术领域
本发明属于储存液氢领域，具体涉及一种基于氩、氮、和正氢三级保温层的工业储存液氢的技术及装置。
背景技术
氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源，将逐步取代化石燃料作为未来世界的主要能源供应。随着氢产业链的快速发展，氢气的安全、高效存储成为了当前制约氢产业发展的重大瓶颈之一。液氢具有密度大、体积小（比氢气小800倍）的特点，成为了氢存储和运输的首选方式，但由于正仲氢转换、环境漏热等原因，液氢存储损失较大，真空储罐内液氢100小时最大损失量可达40%。因此，液氢的高效存储成为了氢产业链关键技术之一。本发明涉及一种基于氩、氮、和正氢三级保温层的工业储存液氢的技术及设备，利用氩、氮和氢不同的冷却温区实现真空储罐梯度保温。
发明内容：
本发明一种基于氩、氮、和正氢三级保温层的工业储存液氢的技术及装置，利用氩、氮、和正氢三级温区实现液氢的高效存储，较大限度减少了液氢损失。本发明设备外层保温采用超临界氩作为保冷介质，通过循环压缩泵实现超临界氩循环冷却储氢设备，吸收外部环境漏热；之所以采用超临界氩，是由于外层保温层与外界环境直接接触，漏热较多，吸收漏热主要在外层保温层完成，超临界氩具有接近液氩的密度，可大量吸收外部环境漏热。本发明中间层利用冷氮气形成冷屏（80K），冷量由斯特林制冷机提供。内层保温为氢介质，来源于液氢蒸发，通过催化将液氢蒸汽中的仲氢转化为正氢，转化过程吸收环境漏热。
为实现本发明的目的，本发明一种基于氩、氮、和正氢三级保温层的工业储存液氢的技术及装置，该装置三级保温层由超临界氩外层保温，冷氮气中间层保温，氢介质内层保温组成，所述超临界氩外层保温内设有高压氩气冷却换热器，所述高压氩气冷却换热器热端进口分别连接空分氩气补充和压缩氩气水冷却器出口，所述高压氩气冷却换热器热端出口连接超临界氩气进超临界氩外层保温截止阀进口；所述高压氩气冷却换热器冷端进口分别连接空分污氮气入高压氩气冷却换热器截止阀出口和蒸发氢气排空截止阀出口，所述高压氩气冷却换热器冷端出口连接分别连接出换热器热端氢气和出换热器热端污氮气；所述超临界氩入液氢储罐外保温层截止阀出口连接外层保温超临界氩进口；所述外保温层出口氩气分别连接循环氩排空截止阀进口，直接入循环氩压缩机氩气截止阀进口，外保温层抽真空截止阀进口，加热器入口截止阀进口；所述外保温层抽真空截止阀出口连接抽真空截止阀进口；所述出外保温层氩气分量两股：一股与氩气入循环氩压缩机截止阀进口连接，另一股与加热器入口截止阀进口连接；所述加热器入口截止阀出口与氩气加热器进口连接，并直接入循环氩压缩机氩气与氩气入循环氩压缩机截止阀进口连接；循环氩压缩机进口分别与氩气入循环氩压缩机截止阀出口和氩气加热器出口连接；所述循环氩压缩机出口与压缩氩气水冷却器进口相连。
作为优选：所述冷氮气中间层保温由斯特林制冷机氮气循环组成，其中冷氮气入液氢储罐中间保温层截止阀进口分别连接斯特林制冷机冷端出口和空分氮气补充；所述冷氮气入液氢储罐中间保温层截止阀出口连接中间保温层氮气入口；出中间保温层氮气分别连接斯特林制冷机入口截止阀进口和中间保温层抽真空截止阀进口；所述中间保温层抽真空截止阀出口连接抽真空截止阀进口；所述斯特林制冷机入口截止阀出口分别连接斯特林制冷机热端进口和循环氮气放空截止阀进口。
作为优选：所述氢介质内层保温内设有液氢储罐内胆，该氢介质内层利用液氢蒸气的仲正氢转化吸热特性，进一步吸收少量漏入内保温层的外界环境热量，所述液氢储罐内胆连接仲氢转正氢催化装置；出内保温层氢气分别连接蒸发氢气排空截止阀进口和抽真空截止阀进口；所述抽真空截止阀出口连接真空泵进口。
作为优选：所述仲氢转化为正氢催化装置至少包括仲氢转正氢催化剂放置盘管，仲氢转正氢催化剂，液氢蒸发气体导出管，正氢导出内保温层导管，所述仲氢转正氢催化剂放置盘管采用绕管形式缠绕液氢存储内胆，在仲氢转化为正氢过程中吸收液氢存储内胆周边的外部环境漏热，最大限度减缓液氢蒸发速率；所述液氢蒸发气体导出管进口连接液氢储罐内胆；液氢蒸发气体导出管出口连接仲氢转正氢催化剂放置盘管进口；所述仲氢转正氢催化剂放置盘管出口连接正氢导出内保温层导管进口。
本发明一种基于氩、氮、和正氢三级保温层的工业储存液氢的技术及装置，至少由超临界氩外层保温，冷氮气中间层保温，氢介质内层保温三部分组成。其中外层保温介质超临界氩具有接近液氩的密度，可大量吸收外界环境漏热；中间层采用斯特林制冷机氮气循环制冷；内层保温利用仲氢转化为正氢时吸收热量的特性，使液氢蒸发的仲氢在低温催化剂作用下转化为仲氢，屏蔽外部漏热，超临界氩外层保温通过循环氩压缩机将氩气压缩到临界压力（4.83MPa（A）），然后通过换热器使高压氩气与空分装置污氮气、蒸发氢气换热，钯高压氩气冷却到临界温度（150.9K），超临界氩具有液压密度，因此承受热负荷能力较强，作为外层保温可以大量吸收外部环境漏热，超临界氩中间层保温采用氮气冷屏（80K）。斯特林制冷机为氮气提供500～600W制冷量，能够有效抵御从外层保温泄漏进来的热量，超临界氩内层保温以汽化液氢为保温介质，通过催化剂作用使仲氢转化为正氢，转化过程从周边吸收热量，从而保证内保温层温度稳定，不随外界漏热而温升。
本发明一种基于氩、氮、和正氢三级保温层的工业储存液氢的技术及装置，利用氩、氮、和正氢三级保温实现液氢的高效存储，较大限度减少了液氢损失，延长了液氢存储周期。本发明外层保温介质超临界氩具有液氩密度，具备较强的抗热负荷能力，作为外层保温可大量吸收外界环境漏热；中间层氮气冷屏（80K）由斯特林制冷机提供制冷量（500～600W），进一步抵消外界环境漏热；内层保温介质来源于液氢蒸发，通过液氢蒸汽仲氢转化为正氢过程的吸热特性吸收少量漏入内保温层的外界环境热量。
附图说明
图1为本发明构成示意图；
图2为本发明仲氢转化为正氢催化装置示意图；
1、液氢储罐内胆，2、液氢储罐内保温和中间层保温分割，3、液氢储罐中间层保温和外层保温分割，4、液氢储罐外保温层安全阀，5、蒸发氢气排空截止阀，6、高压氩气冷却换热器，7、空分污氮气入高压氩气冷却换热器截止阀，8、超临界氩入液氢储罐外保温层截止阀，9、冷氮气入液氢储罐中间保温层截止阀，10、压缩氩气水冷却器，11、循环氩压缩机，12、氩气入循环氩压缩机截止阀，13、氮气制冷循环斯特林制冷机，14、斯特林制冷机入口截止阀，15、循环氮气放空截止阀，16、抽真空截止阀，17、真空泵，18、循环氩排空截止阀，19、仲氢转正氢催化装置，20、超临界氩温度计，21、排空氢气温度计，22、超温高压氩气，23、超临界氩，24、外保温层出口氩气，25、循环压缩机入口氩气，26、循环压缩机出口高压氩气，27、常温高压氩气，28、空分氩气补充，29、中间保温层冷氮气，30、出中间保温层氮气，31、出中间保温层氮气，32、排空氮气，33、斯特林制冷机入口氮气，34、斯特林制冷机出口氮气，35、空分氮气补充，36、出内保温层氢气，37、入换热器6冷端氢气，38、出换热器6热端氢气，39、入换热器6冷端污氮气，40、出换热器6热端污氮气，41、内保温层抽真空，42、出外保温层氩气，43、直接入循环氩压缩机氩气，44、加热器入口氩气，45、加热器出口氩气，46、加热器入口截止阀，47，氩气加热器，48、中间保温层抽真空截止阀，49、外保温层抽真空截止阀。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍： 图1所示本发明一种基于氩、氮、和正氢三级保温层的工业储存液氢的技术及设备至少包括超临界氩外层保温，冷氮气中间层保温，氢介质内层保温。通过三级保温，可较大限度减少了液氢损失，延长了液氢存储周期。
进一步，所述超临界氩外层保温利用超临界氩具有液氩密度，具备较强抗热负荷能力的特点，作为外层保温可大量吸收外界环境漏热。其中，高压氩气冷却换热器6热端进口分别连接空分氩气补充28和压缩氩气水冷却器10出口，高压氩气冷却换热器6热端出口分别连接出换热器热端氢气38和出换热器热端污氮气40；高压氩气冷却换热器6冷端进口分别连接空分污氮气入高压氩气冷却换热器截止阀7出口和蒸发氢气排空截止阀5出口，高压氩气冷却换热器6冷端出口连接超临界氩入液氢储罐外保温层截止阀8进口；超临界氩入液氢储罐外保温层截止阀8出口连接外层保温超临界氩进口；外保温层出口氩气24分别连接循环氩排空截止阀18进口，直接入循环氩压缩机氩气43和外保温层抽真空截止阀49进口；外保温层抽真空截止阀49出口连接抽真空截止阀16进口；值得注意，出外保温层氩气42分量两股：一股与氩气入循环氩压缩机截止阀12进口连接，另一股与加热器入口截止阀46进口连接；加热器入口截止阀46出口与氩气加热器47进口连接，直接入循环氩压缩机氩气43与氩气入循环氩压缩机截止阀12进口连接；循环氩压缩机11进口分别与氩气入循环氩压缩机截止阀12出口和氩气加热器47出口连接；循环氩压缩机11出口与压缩氩气水冷却器10进口相连；
进一步，所述冷氮气中间层保温由斯特林制冷机提供液氮温区制冷量（500～600W），进一步抵消外界环境漏热。其中，冷氮气入液氢储罐中间保温层截止阀9进口分别连接13、斯特林制冷机冷端出口和空分氮气补充35；冷氮气入液氢储罐中间保温层截止阀9出口连接中间保温层氮气入口；出中间保温层氮气30分别连接斯特林制冷机入口截止阀14进口和中间保温层抽真空截止阀48进口；中间保温层抽真空截止阀48出口连接抽真空截止阀16进口；斯特林制冷机入口截止阀14出口分别连接斯特林制冷机热端进口13和循环氮气放空截止阀15进口。
进一步，所述氢介质内层保温利用液氢蒸气的仲正氢转化吸热特性，进一步吸收少量漏入内保温层的外界环境热量。其中液氢储罐内胆1连接仲氢转正氢催化装置19；出内保温层氢气36分别连接蒸发氢气排空截止阀5进口和抽真空截止阀16进口；抽真空截止阀16出口连接真空泵17进口。
如图2所示，所述仲氢转化为正氢催化装置至少包括仲氢转正氢催化剂50放置盘管，仲氢转正氢催化剂51，液氢蒸发气体导出管52，正氢导出内保温层导管53。
进一步，所述仲氢转正氢催化剂放置盘管采用绕管形式缠绕液氢存储内胆，在仲氢转化为正氢过程中吸收液氢存储内胆周边的外部环境漏热，最大限度减缓液氢蒸发速率。其中，液氢蒸发气体导出管52进口连接 液氢储罐内胆1连接；液氢蒸发气体导出管52出口连接仲氢转正氢催化剂50放置盘管进口；仲氢转正氢催化剂50放置盘管出口连接正氢导出内保温层导管53进口。
本发明具体实施例如下
本发明一种基于氩、氮、和正氢三级保温层的工业储存液氢的技术及设备，利用氩、氮、和正氢三级温区实现液氢的高效存储。
本发明外层保温采用超临界氩23（4.83MPa（A），150.9K）为冷却介质。空分氩气28用来补充超临界氩循环冷却系统氩循环量。
进一步，超临界氩23通过超临界氩入液氢储罐外保温层截止阀8进入外保温层，大量吸收外界环境漏热。外保温层出口氩气24分为两股流路：一是通过循环氩排空截止阀18直接排大气；二是成为出外保温层氩气42去循环氩压缩机11进口。值得注意，出外保温层氩气42在进入循环氩压缩机11前分为两路：一路通过氩气入循环氩压缩机截止阀12直接进入循环氩压缩机11，另一路通过加热器入口截止阀46和氩气加热器47进入循环氩压缩机11。
进一步，出外保温层氩气42进入循环氩压缩机11前是否经由氩气加热器47取决于外保温层热负荷。当外界环境温度较高时，出外保温层氩气42不经过氩气加热器47；当外界环境温度较低，为保护循环氩压缩机11安全，需要用氩气加热器47加热超临界氩，稀释超临界氩密度。
进一步，循环氩压缩机11压缩后的循环压缩机出口高压氩气26经过压缩氩气水冷却器10冷却至常温，进入高压氩气冷却换热器6热端入口与入换热器冷端氢气37和入换热器冷端污氮气39换热，在高压氩气冷却换热器6热端出口成23、为超临界氩。
进一步，循环氩的补充来自空分氩气补充28，空分氩气补充28通过压缩氩气水冷却器10出口（高压氩气冷却换热器6热端入口）进入超临界循环系统。
进一步，外层保温超临界氩循环系统通过外保温层抽真空截止阀49实现管路抽真空。
本发明中间层保温采用氮气冷屏，冷量由斯特林制冷机提供。空分氮气35用来补充氮气循环冷却系统循环量。
进一步，斯特林制冷机入口氮气33进入斯特林制冷机热端入口13，氮气降温至80K液氮温区。斯特林制冷机出口氮气34（80K）通过冷氮气入液氢储罐中间保温层截止阀9进入中间保温层。
进一步，出中间保温层氮气30经过斯特林制冷机入口截止阀14后分为两股流路：一路为通过循环氮气放空截止阀15直接排大气，另一路直接进入斯特林制冷机热端入口13。
进一步，进一步，中间层保温氮气循环系统通过中间保温层抽真空截止阀48实现管路抽真空。
本发明内层保温利用液氢蒸气的仲正氢转化吸热特性，进一步吸收少量漏入内保温层的外界环境热量。
进一步，如图2所示，从液氢储罐内胆1蒸发出来的仲氢通过液氢蒸发气体导出管52进入仲氢转正氢催化剂50放置盘管。
进一步，在仲氢转正氢催化剂50放置盘管内放置仲氢转正氢催化剂51。仲氢蒸汽在仲氢转正氢催化剂51作用下转化为正氢。仲氢转正氢过程中可吸收少量外界漏热，使液氢储罐内胆1始终维持20K温度。
进一步，转化后正氢通过正氢导出内保温层导管53出液氢储罐，成为出内保温层氢气36，通过蒸发氢气排空截止阀5进入高压氩气冷却换热器6冷端入口，用来冷却高压氩气。出高压氩气冷却换热器6冷端出口出换热器热端氢气38另作他用。
本发明一种基于氩、氮、和正氢三级保温层的工业储存液氢的技术及设备，利用氩、氮、和正氢三级保温实现液氢的高效存储，较大限度减少了液氢损失，延长了液氢存储周期。本发明外层保温介质超临界氩（4.83MPa（A），150.9K）具有液氩密度，具备较强的抗热负荷能力，作为外层保温可大量吸收外界环境漏热；中间层氮气冷屏（80K）由斯特林制冷机提供制冷量（500～600W），进一步抵消外界环境漏热；内层保温介质来源于液氢蒸发，通过液氢蒸汽仲氢转化为正氢过程的吸热特性吸收少量漏入内保温层的外界环境热量。

Claims (4)

1.一种基于氩、氮、和正氢三级保温层的工业储存液氢的装置，其特征在于该装置三级保温层由超临界氩外层保温，冷氮气中间层保温，氢介质内层保温组成，所述超临界氩外层保温内设有高压氩气冷却换热器，所述高压氩气冷却换热器热端进口分别连接空分氩气补充和压缩氩气水冷却器出口，所述高压氩气冷却换热器热端出口连接超临界氩气进超临界氩外层保温截止阀进口；所述高压氩气冷却换热器冷端进口分别连接空分污氮气入高压氩气冷却换热器截止阀出口和蒸发氢气排空截止阀出口，所述高压氩气冷却换热器冷端出口连接分别连接出换热器热端氢气和出换热器热端污氮气；所述超临界氩入液氢储罐外保温层截止阀出口连接外层保温超临界氩进口；所述外保温层出口氩气分别连接循环氩排空截止阀进口，直接入循环氩压缩机氩气截止阀进口，外保温层抽真空截止阀进口，加热器入口截止阀进口；所述外保温层抽真空截止阀出口连接抽真空截止阀进口；所述出外保温层氩气分量两股：一股与氩气入循环氩压缩机截止阀进口连接，另一股与加热器入口截止阀进口连接；所述加热器入口截止阀出口与氩气加热器进口连接，并直接入循环氩压缩机氩气与氩气入循环氩压缩机截止阀进口连接；循环氩压缩机进口分别与氩气入循环氩压缩机截止阀出口和氩气加热器出口连接；所述循环氩压缩机出口与压缩氩气水冷却器进口相连。
2.根据权利要求1所述的基于氩、氮、和正氢三级保温层的工业储存液氢的装置，其特征在于所述冷氮气中间层保温由斯特林制冷机氮气循环组成，其中冷氮气入液氢储罐中间保温层截止阀进口分别连接斯特林制冷机冷端出口和空分氮气补充；所述冷氮气入液氢储罐中间保温层截止阀出口连接中间保温层氮气入口；出中间保温层氮气分别连接斯特林制冷机入口截止阀进口和中间保温层抽真空截止阀进口；所述中间保温层抽真空截止阀出口连接抽真空截止阀进口；所述斯特林制冷机入口截止阀出口分别连接斯特林制冷机热端进口和循环氮气放空截止阀进口。
3.根据权利要求1所述的基于氩、氮、和正氢三级保温层的工业储存液氢的装置，其特征在于所述氢介质内层保温内设有液氢储罐内胆，该氢介质内层利用液氢蒸气的仲正氢转化吸热特性，进一步吸收少量漏入内保温层的外界环境热量，所述液氢储罐内胆连接仲氢转正氢催化装置；出内保温层氢气分别连接蒸发氢气排空截止阀进口和抽真空截止阀进口；所述抽真空截止阀出口连接真空泵进口。
4.根据权利要求1所述的基于氩、氮、和正氢三级保温层的工业储存液氢的装置，其特征在于所述仲氢转化为正氢催化装置至少包括仲氢转正氢催化剂放置盘管，仲氢转正氢催化剂，液氢蒸发气体导出管，正氢导出内保温层导管，所述仲氢转正氢催化剂放置盘管采用绕管形式缠绕液氢存储内胆，在仲氢转化为正氢过程中吸收液氢存储内胆周边的外部环境漏热，最大限度减缓液氢蒸发速率；所述液氢蒸发气体导出管进口连接液氢储罐内胆；液氢蒸发气体导出管出口连接仲氢转正氢催化剂放置盘管进口；所述仲氢转正氢催化剂放置盘管出口连接正氢导出内保温层导管进口。
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