CN112361712A - 一种采用氦气制冷循环系统的氢气液化设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用氦气制冷循环系统的氢气液化设备，该氢气液化设备包括真空箱、氢气纯化装置、预冷装置、第一低温吸附器、换热器、正仲氢转化器、节流膨胀阀、氦气制冷循环系统以及液氢储罐；预冷装置、第一低温吸附器、换热器、正仲氢转化器以及节流膨胀阀均安装于真空箱内；氦气制冷循环系统以氦气作为制冷工质，用于通过与换热器之间的热交换提供氢气液化所需要的冷量。上述氢气液化设备具有提高液化效率和节约能耗的优点。

Description

一种采用氦气制冷循环系统的氢气液化设备
技术领域
本发明涉及氢能利用技术领域，具体涉及一种采用氦气制冷循环系统的氢气液化设备。
背景技术
随着全球气候环境保护形势日益严峻，应对气候变化压力持续增大，氢能在世界范围内备受关注，能源供给改革成为当下社会政治、经济、技术关注的热点。根据国际氢能委员会发布的《氢能源未来发展趋势调研报告》，预计到2050年，氢能源的需求将是目前的10倍。
氢能利用需要解决制取、储运和应用等一系列问题，而规模化储运则是氢能应用的瓶颈和关键。液氢的体积能量密度是35MPa氢气的3倍，是70MPa氢气的1.8倍。如果通过低成本使用，采取大规模高效液化技术，氢液化的成本将大大降低，则液氢储运成本优势将更加明显。现阶段液氢储运逐渐成为研究重点，美国、德国、日本等国已经将液氢的运输成本降低到高压氢气的八分之一左右。日本已经将液氢供应链体系发展作为解决大规模氢能利用的前提条件，因液氢具有携氢密度大、增加车辆(装备)续驶里程、运输成本低、储氢纯度高、液体低压储存和使用安全性好于大规模高压气态形式等优势，氢的大规模供应都是以液氢供应为主，我国氢能的规模化应用也必将沿着这条路线走下去，这也将是解决氢能低成本高效储运及供应的有效途径。
同时我国目前正在开展载人航天、深空探测、重型运载火箭研制等国家重大专项工程，在该工程研制和应用阶段也将使用大量的液氢。只有具备先进的氢液化系统设计制造能力，才能稳步、安全地开展后续的重大工程项目。
氢气的液化温度很低，所以只有将氢气冷却到一定温度以下，才能将其液化，但是氢气的冷却液化过程需要耗费大量的能量，导致液化效率低和能耗大的缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种采用氦气制冷循环系统的氢气液化设备，具有提高液化效率和节约能耗的优点。
本发明采用以下具体技术方案：
一种采用氦气制冷循环系统的氢气液化设备，包括真空箱、氢气纯化装置、预冷装置、第一低温吸附器、换热器、正仲氢转化器、节流膨胀阀、氦气制冷循环系统以及液氢储罐；
所述预冷装置、所述第一低温吸附器、所述换热器、所述正仲氢转化器以及所述节流膨胀阀均安装于所述真空箱内；
所述换热器包括第一换热器、第二换热器以及第三换热器；所述第一换热器内设置有第一原料氢气通道、液氮通道以及氮气通道；所述第二换热器内设置有两个第二原料氢气通道；所述第三换热器内设置有第三原料氢气通道；
所述预冷装置包括液氮罐，所述液氮罐设置有用于供给液氮的液氮供应管路、连通所述液氮罐底部液相空间和顶部气相空间的液氮虹吸管路、以及用于排放所述液氮罐内氮气的氮气排出管路；所述液氮虹吸管路与所述液氮通道连通，用于通过液氮气化吸热实现所述第一换热器的冷却；所述氮气排出管路与所述第一换热器内的所述氮气通道连通；
所述正仲氢转化器包括第一正仲氢转化器、第二正仲氢转化器、第三正仲氢转化器以及第四正仲氢转化器；所述第四正仲氢转化器安装于所述第三换热器内；
所述氢气纯化装置用于对原料氢气进行纯化，所述氢气纯化装置的出口通过所述第一原料氢气通道与所述第一低温吸附器的入口连通，所述第一低温吸附器的出口依次连接所述第一正仲氢转化器和所述第二正仲氢转化器；
一个第二原料氢气通道的入口与所述第二正仲氢转化器的出口连通、且出口依次通过所述第三正仲氢转化器和另一个第二原料氢气通道连通所述第三原料氢气通道的入口；
所述第三原料氢气通道中连接有所述第四正仲氢转化器，所述第三原料氢气通道的出口通过所述节流膨胀阀连通所述液氢储罐的入口；
所述氢气纯化装置、所述第一低温吸附器、所述正仲氢转化器、所述节流膨胀阀、以及所述液氢储罐形成氢气降温液化系统；
所述氦气制冷循环系统以氦气作为制冷工质，用于通过与所述换热器之间的热交换提供氢气液化所需要的冷量。
更进一步地，所述氦气制冷循环系统包括压缩装置、除油装置、缓冲储罐、气体压力调节模块、第二低温吸附器以及第一膨胀机；其中，所述第二低温吸附器和所述第一膨胀机安装于所述真空箱内；
所述第一换热器内还设置有第一高压氦气通道和第一低压氦气通道；所述第二换热器内还设置有第二高压氦气通道和第二低压氦气通道；所述第三换热器内还设置有第三高压氦气通道和第三低压氦气通道；
所述压缩装置的入口与所述第一低压氦气通道的出口连通，所述压缩装置的出口通过所述除油装置与所述气体压力调节模块的入口连通；
所述气体压力调节模块的出口、所述第一高压氦气通道、所述第二低温吸附器、所述第二高压氦气通道、所述第三高压氦气通道所述第一膨胀机、以及所述第三低压氦气通道的入口依次连通；
所述第三低压氦气通道的出口通过所述第二低压氦气通道与所述第一低压氦气通道的入口连接；
所述缓冲储罐与所述气体压力调节模块连通，用于储存氦制冷循环系统所需要的氦气，并用作压力调节时提供氦气和接收氦气的调节容器。
更进一步地，所述氦气制冷循环系统还包括安装于所述真空箱内的第二膨胀机；
所述第二膨胀机连接于所述第二高压氦气通道和所述第三高压氦气通道之间。
更进一步地，所述第二正仲氢转化器安装于所述液氮罐内，且浸泡于液氮内。
更进一步地，采用LNG(Liquefied Natural Gas，液化天然气)、丙烷、液氨和液态二氧化碳中的至少一种替代液氮。
更进一步地，所述第一低温吸附器设置有两个，两个所述第一低温吸附器之间并联连接。
有益效果：
本发明的氢气液化设备适用于小规模氢液化生产的需求，即，每天液化氢气的产能小于2.5吨；根据氢气液化的特点，本发明的氢气液化设备以氦作为制冷工质，通过预冷装置和氦气制冷循环系统提供氢气冷凝液化所需的冷量，原料氢气经过多级正仲氢转化器的转化降温液化，使得氢气能够100％被液化，仲氢含量达到95％以上；因此，上述氢气液化设备具有氢液化效率高、能耗低的优点，在液氢的社会化、民用化方面必将发挥极大的作用。
附图说明
图1为本发明的一种氢气液化设备的氢气液化流程示意图；
图2为本发明的另一种氢气液化设备的氢气液化流程示意图。
其中，1-氢气纯化装置，2-第一低温吸附器，3-节流膨胀阀，4-液氢储罐，5-第一换热器，6-第二换热器，7-第三换热器，8-第一原料氢气通道，9-液氮通道，10-氮气通道，11-第二原料氢气通道，12-第三原料氢气通道；13-液氮罐，14-液氮供应管路，15-液氮虹吸管路，16-氮气排出管路，17-第一正仲氢转化器，18-第二正仲氢转化器，19-第三正仲氢转化器，20-第四正仲氢转化器，21-压缩装置，22-除油装置，23-缓冲储罐，24-气体压力调节模块，25-第二低温吸附器，26-第一膨胀机，27-第一高压氦气通道，28-第一低压氢气通道，29-第二高压氦气通道，30-第二低压氦气通道，31-第三高压氦气通道，32-第三低压氦气通道，33-第二膨胀机
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
需要说明的是，本发明的氢气液化设备适用于每天制备量小于2.5吨液化氢气的小规模液氢生产需求。氢为双原子分子，两个氢原子核是绕轴自转的。根据两个核自旋的相对方向，氢分子可分为正氢和仲氢。通常的氢是这两种形式氢分子的混合物，正仲氢的平衡浓度仅与温度有关，不同温度下正仲氢浓度达到稳定平衡的氢气称为平衡氢。室温以上的温度时，含正氢75％，仲氢25％。液氢饱和温度20.4K下，仲氢的平衡浓度为99.82％。氢液化过程中的正仲转化是一放热反应，转化中放出的热量与转化时的温度有关。为减少正仲氢转化放热造成的液氢储存蒸发损失，一般要求液氢产品中仲氢含量在95％以上，即液化时正氢基本上都需要催化转化为仲氢。
参考图1和图2，本发明提供了一种采用氦气制冷循环系统的氢气液化设备，包括真空箱(图中未示出)、氢气纯化装置1、预冷装置、第一低温吸附器2、换热器、正仲氢转化器、节流膨胀阀3、氦气制冷循环系统以及液氢储罐4；
预冷装置、第一低温吸附器2、换热器、正仲氢转化器、以及节流膨胀阀3均安装于真空箱内；
换热器包括第一换热器5、第二换热器6以及第三换热器7；第一换热器5内设置有第一原料氢气通道8、液氮通道9以及氮气通道10；第二换热器6内设置有两个第二原料氢气通道11；第三换热器7内设置有第三原料氢气通道12；
预冷装置包括液氮罐13，液氮罐13设置有用于供给液氮的液氮供应管路14、连通液氮罐13底部液相空间和顶部气相空间的液氮虹吸管路15、以及用于排放液氮罐13内氮气的氮气排出管路16；液氮虹吸管路15与液氮通道9连通，用于通过液氮气化吸热实现第一换热器5的冷却；氮气排出管路16与第一换热器5内的氮气通道10连通；液氮罐13内不仅可以采用液氮来实现预冷，还可以采用LNG、丙烷、液氨和液态二氧化碳中的至少一种替代液氮罐13内的液氮；
正仲氢转化器包括第一正仲氢转化器17、第二正仲氢转化器18、第三正仲氢转化器19以及第四正仲氢转化器20；第四正仲氢转化器20安装于第三换热器7内；第四正仲氢转化器20也可以设置于第三换热器7外侧；第三正仲氢转化器19也可以安装于第二换热器6内；其中，两个正仲氢转化器用于绝热转化，一个正仲氢转化器用于液氮等温转化，另一个正仲氢转化器用于液氢等温转化；第二正仲氢转化器18安装于液氮罐13内，且浸泡于液氮内；
氢气纯化装置1用于对原料氢气进行纯化，氢气纯化装置1的出口通过第一原料氢气通道8与第一低温吸附器2的入口连通，第一低温吸附器2的出口依次连接第一正仲氢转化器17和第二正仲氢转化器18；第一低温吸附器2可以设置有两个，并且两个第一低温吸附器2之间并联连接；
一个第二原料氢气通道11的入口与第二正仲氢转化器18的出口连通、且出口依次通过第三正仲氢转化器19和另一个第二原料氢气通道11连通第三原料氢气通道12的入口；
第三原料氢气通道12中连接有第四正仲氢转化器20，第三原料氢气通道12的出口通过节流膨胀阀3连通液氢储罐4的入口；
氢气纯化装置1、第一低温吸附器2、正仲氢转化器、节流膨胀阀3、以及液氢储罐4形成氢气降温液化系统；
氦气制冷循环系统以氦气作为制冷工质，用于通过与换热器之间的热交换提供氢气液化所需要的冷量。
上述氢气液化设备中的氦气制冷循环系统以氦气作为制冷工质，通过预冷装置和氦气制冷循环系统提供氢气冷凝液化所需的冷量，原料氢气经过四级正仲氢转化器的转化降温液化，使得氢气能够100％被液化，仲氢含量达到95％以上；因此，上述氢气液化设备具有氢液化效率高、能耗低的优点，在液氢的社会化、民用化方面必将发挥极大的作用。
上述氢气液化设备在工作过程中，氢气降温液化系统的工艺过程为：
原料氢气经氢气纯化装置1纯化后进入真空箱内，第一换热器5经过液氮预冷，使通过第一换热器5的氢气达到液氮温区，接着经过可切换的第一低温吸附器2，液氮罐13内液氮汽化的汽化潜热将氢气预冷，氮气逐步升至常温后放空；低温氢气依次经过第一正仲氢转化器17、第二正仲氢转化器18、第二换热器6和第三正仲氢转化器19，由于正仲氢转化为放热反应，导致氢气温度增高，为利用冷量，将经过第三正仲氢转化器19后的氢气在进入第二换热器6之后进入第三换热器7和第四正仲氢转化器20，然后经过节流膨胀阀3，最终氢气被冷凝成仲氢浓度在95％以上的液氢并输出至液氢储罐4内。
一种具体的实施方式中，如图1和图2结构所示，氦气制冷循环系统包括压缩装置21、除油装置22、缓冲储罐23、气体压力调节模块24、第二低温吸附器25以及第一膨胀机26；其中，第二低温吸附器25和第一膨胀机26安装于真空箱内；
第一换热器5内还设置有第一高压氦气通道27和第一低压氦气通道；第二换热器6内还设置有第二高压氦气通道29和第二低压氦气通道30；第三换热器7内还设置有第三高压氦气通道31和第三低压氦气通道32；
压缩装置21的入口与第一低压氦气通道的出口连通，压缩装置21的出口通过除油装置22与气体压力调节模块24的入口连通；压缩装置21可以为空气压缩机；
气体压力调节模块24的出口、第一高压氦气通道27、第二低温吸附器25、第二高压氦气通道29、第三高压氦气通道31第一膨胀机26、以及第三低压氦气通道32的入口依次连通；
第三低压氦气通道32的出口通过第二低压氦气通道30与第一低压氦气通道的入口连接；
缓冲储罐23与气体压力调节模块24连通，用于储存氦制冷循环系统所需要的氦气，并用作压力调节时提供氦气和接收氦气的调节容器。
在上述氢气液化设备制备液化氢气的工作过程中，氦气制冷循环系统的工艺过程为：
如图1所示，氦气被压缩装置21压缩至一定压力后，通过除油系统除去所含油分，经气体压力调节模块24后，在一级液氮温区的第一换热器5中被冷却到80K，然后通过第二低温吸附器25除去杂质，再流经第二换热器6和第三换热器7继续被冷却，接着经第一膨胀机26进行膨胀，并依次返回第三换热器7、第二换热器6和第一换热器5中以冷却正向高压氢气流；同时氦气复温至环境温度后返回到压缩装置21入口，形成氦气制冷循环。
其中，缓冲储罐23用于储存氦制冷循环所需要的氦气，并作为压缩装置21在高压和低压调节时提供氦气和接收氦气的调节容器，其调节功能通过气体压力调节模块24实现。
如图2所示，氦气制冷循环系统还包括安装于真空箱内的第二膨胀机33；第二膨胀机33连接于第二高压氦气通道29和第三高压氦气通道31之间；第一膨胀机26和第二膨胀机33均可以采用透平膨胀机。
参考图1和图2，采用上述氢气液化设备进行氢气液化的具体实施例为：
液化用的原料氢气压力不低于1.1MPa，经氢气纯化装置1除水后进入真空箱内的第一换热器5内，经过第一换热器5的热交换使氢气温度降至液氮温区80.5K，通过第一低温吸附器2时氢中的微量杂质氮、氧、含碳物质等被吸附，之后进入一级绝热的第一正仲氢转化器17，温度升高至90K，进入二级液氮浴的第二正仲氢转化器18，液氮将转化热带走，温度再次降至液氮温区80.5K，此时仲氢浓度约为48％，进入第二换热器6降温至40K，再进入绝热的第三正仲氢转化器19，氢气温度升高至65K，再次进入第二换热器6，由回流冷氦气将其温度降低至与一级透平出口温度40K相当；进入第三换热器7降温，同时在第四正仲氢转化器20内进行正仲氢转化，出口温度降至20K，仲氢含量大于95％；最后经过节流膨胀阀3节流，得到0.15MPa，21K，仲氢浓度95％以上的液氢产品，输送到液氢储罐4中。
参考图1，采用上述氢气液化设备进行氢气液化时，氦气制冷循环系统的具体工作过程为：
气体氦经压缩装置21增压到约1.4MPa，经除油系统除去氦气中的油雾，经气体压力调节模块24和缓冲储罐23联合调整压缩装置21出口压力稳定，经过第一换热器5后温度降至约80K，进入第二低温吸附器25除去可能存在的氧、氮等杂质；经第二换热器6利用回流低压氦气温度降至40K，进入第三换热器7继续利用回流氦降温至30K后进入第一膨胀机26，出来后温度低至液氢温区19.5K，压力0.3MPa；之后此低压氦气依次流过各换热器的低压通道，冷却原料氢气和高压氦后复温至常温，回到压缩装置21入口，完成一个氦气制冷循环。
参考图2，采用上述氢气液化设备进行氢气液化时，氦气制冷循环系统的具体工作过程为：
气体氦经压缩装置21增压到约1.4MPa，经除油系统除去氦气中的油雾，经气体压力调节模块24和缓冲储罐23联合调整压缩装置21出口压力稳定，气体氦经过第一换热器5后温度降至80K，进入第二低温吸附器25除去可能存在的氧、氮等杂质，经第二换热器6温度降至50K，在第二换热器6中部引出进入第一膨胀机26，第一膨胀机26出口温度为40K、压力为0.5MPa，之后进入第三换热器7继续利用回流氦降温至30K后引出进入第二膨胀机33，出来后温度低至液氢温区19.5K，压力0.125MPa，之后此低压氦气依次流过各换热器的低压通道，冷却原料氢气和高压氦后复温至常温，回到压缩装置21入口，完成一个氦气制冷循环。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种采用氦气制冷循环系统的氢气液化设备，其特征在于，包括真空箱、氢气纯化装置、预冷装置、第一低温吸附器、换热器、正仲氢转化器、节流膨胀阀、氦气制冷循环系统以及液氢储罐；
所述预冷装置、所述第一低温吸附器、所述换热器、所述正仲氢转化器以及所述节流膨胀阀均安装于所述真空箱内；
所述预冷装置包括液氮罐，所述液氮罐设置有用于供给液氮的液氮供应管路、连通所述液氮罐底部液相空间和顶部气相空间的液氮虹吸管路、以及用于排放所述液氮罐内氮气的氮气排出管路；所述液氮虹吸管路与所述液氮通道连通，用于通过液氮气化吸热实现所述第一换热器的冷却；所述氮气排出管路与所述第一换热器内的所述氮气通道连通；
所述正仲氢转化器包括第一正仲氢转化器、第二正仲氢转化器、第三正仲氢转化器以及第四正仲氢转化器；所述第四正仲氢转化器安装于所述第三换热器内；
所述氢气纯化装置用于对原料氢气进行纯化，所述氢气纯化装置的出口通过所述第一原料氢气通道与所述第一低温吸附器的入口连通，所述第一低温吸附器的出口依次连接所述第一正仲氢转化器和所述第二正仲氢转化器；
一个第二原料氢气通道的入口与所述第二正仲氢转化器的出口连通、且出口依次通过所述第三正仲氢转化器和另一个第二原料氢气通道连通所述第三原料氢气通道的入口；
所述第三原料氢气通道中连接有所述第四正仲氢转化器，所述第三原料氢气通道的出口通过所述节流膨胀阀连通所述液氢储罐的入口；
所述氢气纯化装置、所述第一低温吸附器、所述正仲氢转化器、所述节流膨胀阀、以及所述液氢储罐形成氢气降温液化系统；
所述氦气制冷循环系统以氦气作为制冷工质，用于通过与所述换热器之间的热交换提供氢气液化所需要的冷量。
2.如权利要求1所述的氢气液化设备，其特征在于，所述氦气制冷循环系统包括压缩装置、除油装置、缓冲储罐、气体压力调节模块、第二低温吸附器以及第一膨胀机，其中，所述第二低温吸附器和所述第一膨胀机安装于所述真空箱内；
所述第一换热器内还设置有第一高压氦气通道和第一低压氦气通道；所述第二换热器内还设置有第二高压氦气通道和第二低压氦气通道；所述第三换热器内还设置有第三高压氦气通道和第三低压氦气通道；
所述压缩装置的入口与所述第一低压氦气通道的出口连通，所述压缩装置的出口通过所述除油装置与所述气体压力调节模块的入口连通；
所述气体压力调节模块的出口、所述第一高压氦气通道、所述第二低温吸附器、所述第二高压氦气通道、所述第三高压氦气通道所述第一膨胀机、以及所述第三低压氦气通道的入口依次连通；
所述第三低压氦气通道的出口通过所述第二低压氦气通道与所述第一低压氦气通道的入口连接；
所述缓冲储罐与所述气体压力调节模块连通，用于储存氦制冷循环系统所需要的氦气，并用作压力调节时提供氦气和接收氦气的调节容器。
3.如权利要求2所述的氢气液化设备，其特征在于，所述氦气制冷循环系统还包括安装于所述真空箱内的第二膨胀机；
所述第二膨胀机连接于所述第二高压氦气通道和所述第三高压氦气通道之间。
4.如权利要求3所述的氢气液化设备，其特征在于，所述第一膨胀机和所述第二膨胀机均采用透平膨胀机。
5.如权利要求1所述的氢气液化设备，其特征在于，所述第二正仲氢转化器安装于所述液氮罐内，且浸泡于液氮内。
6.如权利要求1所述的氢气液化设备，其特征在于，采用LNG、丙烷、液氨和液态二氧化碳中的至少一种替代液氮。
7.如权利要求1-6任一项所述的氢气液化设备，其特征在于，所述第一低温吸附器设置有两个，两个所述第一低温吸附器之间并联连接。
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Assignee: Aerospace Hydrogen Energy Technology Co.,Ltd.

Assignor: BEIJING INSTITUTE OF AEROSPACE TESTING TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022990000160

Denomination of invention: A hydrogen liquefaction equipment using helium refrigeration cycle system

License type: Exclusive License

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