CN114543442A - 一种氢气液化系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种混合制冷的氢气液化系统及方法。一种氢气液化系统，包括：冷箱换热单元，所述冷箱换热单元包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器和第六换热器；低温吸附单元；正仲氢转换单元；混合冷剂压缩单元；制冷氢气压缩单元；制冷氢气膨胀单元；第一管路；第二管路；第三管路；所述第三管路在第二换热器和第三换热器之间设有第三分支管路。本发明通过合理配制各换热器的制冷工艺，并采用混合冷剂制冷和氢气压缩膨胀制冷相结合的方式，减少氢气液化系统所需的设备数量，提高正仲氢转化效率，同时减少换热器装填催化剂可能造成的堵塞现象，极大降低氢气液化的能耗，使其低于10kw/kgLH2。

Description

一种氢气液化系统及方法
技术领域
本发明涉及气体低温液化技术领域，具体涉及一种氢气液化系统及方法。
背景技术
目前，国内使用的主要能源是煤炭、石油和天然气，这些都是不可再生能源，并且在使用的同时会释放出大量的温室气体CO2。随着全球气候变暖的情况日益严重，使用可再生的清洁能源成为大家的共识。我国也已经制定实现碳达峰及碳中和的日程表。使用氢气作为能源是实现碳中和目标的一个方向，然而由于氢气密度小，单位质量氢气的体积大，因此氢气的运输问题成为实现氢能利用的一个拦路虎。因此，采用高压氢气和液化氢气的方法是解决这一问题的可行性方案，而液态氢气更适用于长距离大规模的氢气运输。
液态氢气在国内主要用于航空航天和火箭发射，在民用领域内利用还较少。氢气液化装置也主要是采用的国外进口装置，但随着国内碳中和目标的提出，国内厂家也开始对氢气液化装置进行开发和设计。
由于现阶段液体氢气用量较少，氢气液化装置的规模也较小。因此，氢气液化装置通常采用带液氮预冷的氢气膨胀制冷工艺流程。这种工艺流程简单，设备较少，但相对能耗较高，比较适用于小型液化装置，但对于大规模氢液化来说就存在能耗偏高的问题。
随着碳中和政策的实施，氢能源广泛的利用，大规模的氢气液化系统以及能耗更低的氢气液化工艺流程的研究开发对于本领域具有重要意义。
发明内容
基于以上背景，本发明的目的在于提供一种混合制冷的氢气液化系统，降低氢气液化能耗。
本发明的另一目的在于提供一种氢气液化能耗低于10kw/kgLH2的氢气液化工艺。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种氢气液化系统，包括：
冷箱换热单元，所述冷箱换热单元包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器和第六换热器，每个换热器均具有原料氢气通道和第一制冷氢气通道，其中第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器和第五换热器还具有第二制冷氢气通道，其中第一换热器还具有混合冷剂通道；
低温吸附单元，所述低温吸附单元包括多个并联设置的低温分子筛吸附器；
正仲氢转换单元，所述正仲氢转换单元包括第一正仲氢转换器、第二正仲氢转换器、第三正仲氢转换器和第四正仲氢转换器；
混合冷剂压缩单元，所述混合冷剂压缩单元包括串联设置的混合冷剂压缩机和气液分离器；
制冷氢气压缩单元，所述制冷氢气压缩单元包括串联设置的一级氢气压缩机、二级氢气压缩机和三级氢气压缩机；
制冷氢气膨胀单元，所述制冷氢气膨胀单元包括一级氢气膨胀机和二级氢气膨胀机；
第一管路，用于连接第一换热器的原料氢气通道、低温吸附单元、第二换热器的原料氢气通道、第三换热器的原料氢气通道、第一正仲氢转换器、第四换热器的原料氢气通道、第二正仲氢转换器、第五换热器的原料氢气通道、第三正仲氢转换器、第六换热器的原料氢气通道、第四正仲氢转换器和液氢储罐；
第二管路，用于连接混合冷剂压缩单元和第一换热器的混合冷剂通道；
第三管路，用于连接制冷氢气压缩单元，以及第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器和第六换热器的第一制冷氢气通道；所述第三管路在第二换热器和第三换热器之间设有第三分支管路，所述第三分支管路用于连接制冷氢气膨胀单元，以及第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器和第五换热器的第二制冷氢气通道。
作为优选，所述第一管路在液氢储罐进口前设有第一节流阀。
作为优选，所述第二管路包括第四十九管道、第五十管道、第五十一管道、第五十二管道、第五十三管道、第五十四管道、第五十五管道、第三节流阀和第四节流阀；气液分离器的气相出口通过第四十九管道和第五十管道依次连接第一换热器和第三节流阀，再通过第五十一管道和第五十五管道依次连接第一换热器和混合冷剂压缩机的入口；气液分离器的液相出口通过第五十二管道和第五十三管道依次连接第一换热器和第四节流阀，再通过第五十四管道、第五十五管道连接混合冷剂压缩机的入口。
作为优选，所述第三管路包括第二十五管道、第二十六管道、第二十七管道、第二十八管道、第二十九管道、第三十管道、第三十一管道、第三十二管道、第三十三管道、第三十四管道、第三十五管道、第三十六管道、第三十七管道、第三十八管道、第三十九管道和第二节流阀；三级氢气压缩机的出口通过第二十五管道、第二十六管道、第二十七管道、第二十八管道、第二十九管道、第三十管道、第三十一管道和第三十二管道依次连接第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器、第六换热器和第二节流阀，再通过第三十三管道、第三十四管道、第三十五管道、第三十六管道、第三十七管道、第三十八管道和第三十九管道依次连接第六换热器、第五换热器、第四换热器、第三换热器、第二换热器、第一换热器和一级氢气压缩机的入口。
作为优选，所述第三分支管路包括第四十管道、第四十一管道、第四十二管道、第四十三管道、第四十四管道、第四十五管道、第四十六管道、第四十七管道和第四十八管道，第二十七管道通过第四十管道、第四十一管道和第四十二管道依次连接一级氢气膨胀机、第四换热器和二级氢气膨胀机，再通过第四十三管道、第四十四管道、第四十五管道、第四十六管道、第四十七管道和第四十八管道依次连接第五换热器、第四换热器、第三换热器、第二换热器、第一换热器和二级氢气压缩机的入口。
作为优选，所述第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器和第六换热器还具有闪蒸气复热通道，该氢气液化系统还包括：
闪蒸气回收单元，所述闪蒸气回收单元包括闪蒸气压缩机；
第四管路，用于连接液氢储罐，第六换热器、第五换热器、第四换热器、第三换热器、第二换热器和第一换热器的闪蒸气复热通道，闪蒸气压缩机，以及第一换热器的原料氢气通道。
一种采用上述氢气液化系统进行氢气液化的方法，该方法包括以下步骤：
净化处理后的原料氢气进入冷箱换热单元，通过第一换热器冷却至-190℃，进入低温吸附单元吸附杂质，通过第二换热器冷却至-202℃，通过第三换热器冷却至-218℃，进入第一正仲氢转换器，再返回第三换热器继续冷却，然后通过第四换热器冷却至-235℃，进入第二正仲氢转换器，再返回第四换热器继续冷却，继续通过第五换热器冷却至-239℃，进入第三正仲氢转换器，再返回第五换热器继续冷却，之后通过第六换热器冷却至-248℃，进入第四正仲氢转换器，再返回第六换热器继续冷却，最后节流减压后进入液氢储罐；
原料氢气在第一换热器采用混合冷剂循环冷却，混合冷剂经过混合冷剂压缩机增压冷却后进入气液分离器分离为气相混合冷剂和液相混合冷剂，液相混合冷剂进入第一换热器冷却至-50℃，出第一换热器经节流制冷后再返回第一换热器，气相混合冷剂进入第一换热器冷却至-170℃，出第一换热器经节流制冷后再返回第一换热器复热至-50℃，再与液相混合冷剂混合后继续复热，然后返回混合冷剂压缩机继续循环；
原料氢气在第二换热器至第六换热器采用制冷氢气循环制冷，制冷氢气经过制冷氢气压缩单元增压冷却后进入第一换热器冷却至-190℃，通过第二换热器冷却至-202℃，之后分为两路；一路制冷氢气继续进入第三换热器冷却至-239℃，再依次进入第四换热器、第五换热器和第六换热器，制冷氢气在第六换热器被液化，液化的制冷氢气节流制冷后返回第六换热器并依次通过第五换热器、第四换热器、第三换热器、第二换热器和第一换热器复热后，返回制冷氢气压缩单元继续循环；另一路制冷氢气通过一级氢气膨胀机膨胀制冷后进入第四换热器冷却至-235℃，再通过二级氢气膨胀机膨胀制冷后进入第五换热器，再依次通过第四换热器、第三换热器、第二换热器和第一换热器复热后，返回制冷氢气压缩单元的二级氢气压缩机继续循环。
作为优选，所述混合冷剂的组分包括氮气、甲烷、丙烷、异戊烷和乙烯。
作为优选，所述混合冷剂中的氮气含量为15～25％，甲烷含量为20～30％，丙烷含量为12～25％，异戊烷含量为13～20％，乙烯含量为15～25％。
作为优选，所述混合冷剂中的氮气含量为21％，甲烷含量为26％，丙烷含量为16％，异戊烷含量为17.5％，乙烯含量为19.5％。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的一种氢气液化系统及方法，通过合理配制各换热器的制冷工艺，并采用混合冷剂制冷和氢气压缩膨胀制冷相结合的方式，减少氢气液化系统所需的设备数量，提高正仲氢转化效率，同时减少换热器装填催化剂可能造成的堵塞现象，极大降低氢气液化的能耗，使其低于10kw/kgLH2。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明氢气液化系统的示意图。
图中：E01、第一换热器；E02、第二换热器；E03、第三换热器；E04、第四换热器；E05、第五换热器；E06、第六换热器；S01、第一低温分子筛吸附器；S02、第二低温分子筛吸附器；Z01、第一正仲氢转换器；Z02、第二正仲氢转换器；Z03、第三正仲氢转换器；Z04、第四正仲氢转换器；V01、液氢储罐；C01A、混合冷剂压缩机；C01B、气液分离器；C02A、一级氢气压缩机；C02B、二级氢气压缩机；C02C、三级氢气压缩机；EX01、一级氢气膨胀机；EX02、二级氢气膨胀机；C03、闪蒸气压缩机；VAL01、第一节流阀；VAL02、第二节流阀；VAL03、第三节流阀；VAL04、第四节流阀；01、第一管道；02、第二管道；03、第三管道；04、第四管道；05、第五管道；06、第六管道；07、第七管道；08、第八管道；09、第九管道；10、第十管道；11、第十一管道；12、第十二管道；13、第十三管道；14、第十四管道；15、第十五管道；16、第十六管道；17、第十七管道；18、第十八管道；19、第十九管道；20、第二十管道；21、第二十一管道；22、第二十二管道；23、第二十三管道；24、第二十四管道；25、第二十五管道；26、第二十六管道；27、第二十七管道；28、第二十八管道；29、第二十九管道；30、第三十管道；31、第三十一管道；32、第三十二管道；33、第三十三管道；34、第三十四管道；35、第三十五管道；36、第三十六管道；37、第三十七管道；38、第三十八管道；39、第三十九管道；40、第四十管道；41、第四十一管道；42、第四十二管道；43、第四十三管道；44、第四十四管道；45、第四十五管道；46、第四十六管道；47、第四十七管道；48、第四十八管道；49、第四十九管道；50、第五十管道；51、第五十一管道；52、第五十二管道；53、第五十三管道；54、第五十四管道；55、第五十五管道。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。
在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。下述实施例中的部件或设备如无特别说明，均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。
本发明的实施例公开了一种氢气液化系统，包括冷箱换热单元、低温吸附单元、正仲氢转换单元、混合冷剂压缩单元、制冷氢气压缩单元、制冷氢气膨胀单元、第一管路、第二管路和第三管路。冷箱换热单元包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器和第六换热器，每个换热器均具有原料氢气通道和第一制冷氢气通道，其中第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器和第五换热器还具有第二制冷氢气通道，其中第一换热器还具有混合冷剂通道。低温吸附单元包括多个并联设置的低温分子筛吸附器。正仲氢转换单元包括第一正仲氢转换器、第二正仲氢转换器、第三正仲氢转换器和第四正仲氢转换器。混合冷剂压缩单元包括串联设置的混合冷剂压缩机和气液分离器。制冷氢气压缩单元包括串联设置的一级氢气压缩机、二级氢气压缩机和三级氢气压缩机。制冷氢气膨胀单元包括一级氢气膨胀机和二级氢气膨胀机。第一管路用于连接第一换热器的原料氢气通道、低温吸附单元、第二换热器的原料氢气通道、第三换热器的原料氢气通道、第一正仲氢转换器、第四换热器的原料氢气通道、第二正仲氢转换器、第五换热器的原料氢气通道、第三正仲氢转换器、第六换热器的原料氢气通道、第四正仲氢转换器和液氢储罐。第二管路用于连接混合冷剂压缩单元和第一换热器的混合冷剂通道。第三管路用于连接制冷氢气压缩单元，以及第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器和第六换热器的第一制冷氢气通道。第三管路在第二换热器和第三换热器之间设有第三分支管路，第三分支管路用于连接制冷氢气膨胀单元，以及第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器和第五换热器的第二制冷氢气通道。
现有的氢气液化系统通常是原料氢气经过常温净化吸附器脱除易于在低温冻堵的物质后进入深冷液化装置的预冷段，然后再进入低温吸附器，进一步脱除在液氢温度下易冻堵的N2、02、AR等物质，然后进入液化装置的深冷段继续冷却并进行正仲氢转换后送入液氢储罐。在预冷段采用液氮预冷，在深冷段采用氢气膨胀制冷。该工艺的氢气液化能耗在12-15kw/kgLH2左右。
本发明实施例所公开的一种氢气液化系统，通过合理配制各换热器的制冷工艺，并采用混合冷剂制冷和氢气压缩膨胀制冷相结合的方式，极大降低氢气液化的能耗，使其低于10kw/kgLH2。以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
如图1所示的一种氢气液化系统，包括冷箱换热单元、低温吸附单元、正仲氢转换单元、混合冷剂压缩单元、制冷氢气压缩单元、制冷氢气膨胀单元、第一管路、第二管路和第三管路。
冷箱换热单元包括第一换热器E01、第二换热器E02、第三换热器E03、第四换热器E04、第五换热器E05和第六换热器E06，每个换热器均具有原料氢气通道和第一制冷氢气通道，其中第一换热器E01、第二换热器E02、第三换热器E03、第四换热器E04和第五换热器E05还具有第二制冷氢气通道，其中第一换热器E01还具有混合冷剂通道。
低温吸附单元包括并联设置的第一低温分子筛吸附器S01和第二低温分子筛吸附器S02。
正仲氢转换单元包括第一正仲氢转换器Z01、第二正仲氢转换器Z02、第三正仲氢转换器Z03和第四正仲氢转换器Z04。
混合冷剂压缩单元包括串联设置的混合冷剂压缩机C01A和气液分离器C01B。
制冷氢气压缩单元包括串联设置的一级氢气压缩机C02A、二级氢气压缩机C02B和三级氢气压缩机C02C。
制冷氢气膨胀单元包括一级氢气膨胀机EX01和二级氢气膨胀机EX02。
第一管路用于连接第一换热器E01的原料氢气通道、低温吸附单元、第二换热器E02的原料氢气通道、第三换热器E03的原料氢气通道、第一正仲氢转换器Z01、第四换热器E04的原料氢气通道、第二正仲氢转换器Z02、第五换热器E05的原料氢气通道、第三正仲氢转换器Z03、第六换热器E06的原料氢气通道、第四正仲氢转换器Z04和液氢储罐V01。第一管路在液氢储罐V01进口前设有第一节流阀VAL01。第一管路包括第一管道01、第二管道02、第三管道03、第四管道04、第五管道05、第六管道06、第七管道07、第八管道08、第九管道09、第十管道10、第十一管道11、第十二管道12、第十三管道13、第十四管道14、第十五管道15、第十六管道16和第十七管道17。原料氢气由第一管道01进入第一换热器E01的原料氢气通道，再通过第二管道02连接低温吸附单元，然后通过第三管道03连接第二换热器E02的原料氢气通道，再通过第四管道04连接第三换热器E03的原料氢气通道，之后通过第五管道05连接第一正仲氢转换器Z01，再通过第六管道06返回第三换热器E03，出第三换热器E03后通过第七管道07连接第四换热器E04的原料氢气通道，通过第八管道08连接第二正仲氢转换器Z02，再通过第九管道09返回第四换热器E04，出第四换热器E04后通过第十管道10连接第五换热器E05，通过第十一管道11连接第三正仲氢转换器Z03，再通过第十二管道12返回第五换热器E05，出第五换热器E05后通过第十三管道13连接第六换热器E06，通过第十四管道14连接第四正仲氢转换器Z04，再通过第十五管道15返回第六换热器E06，出第六换热器E06后通过第十六管道16经过第一节流阀VAL01后通过第十七管道17连接液氢储罐V01。
第二管路用于连接混合冷剂压缩单元和第一换热器E01的混合冷剂通道。第二管路包括第四十九管道49、第五十管道50、第五十一管道51、第五十二管道52、第五十三管道53、第五十四管道54、第五十五管道55、第三节流阀VAL03和第四节流阀VAL04；气液分离器C01B的气相出口通过第四十九管道49和第五十管道50依次连接第一换热器E01和第三节流阀VAL03，再通过第五十一管道51和第五十五管道55依次连接第一换热器E01和混合冷剂压缩机C01A的入口；气液分离器C01B的液相出口通过第五十二管道52和第五十三管道53依次连接第一换热器E01和第四节流阀VAL04，再通过第五十四管道54、第五十五管道55连接混合冷剂压缩机C01A的入口。
第三管路用于连接制冷氢气压缩单元，以及第一换热器E01、第二换热器E02、第三换热器E03、第四换热器E04、第五换热器E05和第六换热器E06的第一制冷氢气通道。第三管路包括第二十五管道25、第二十六管道26、第二十七管道27、第二十八管道28、第二十九管道29、第三十管道30、第三十一管道31、第三十二管道32、第三十三管道33、第三十四管道34、第三十五管道35、第三十六管道36、第三十七管道37、第三十八管道38、第三十九管道39和第二节流阀VAL02；三级氢气压缩机C02C的出口通过第二十五管道25、第二十六管道26、第二十七管道27、第二十八管道28、第二十九管道29、第三十管道30、第三十一管道31和第三十二管道32依次连接第一换热器E01、第二换热器E02、第三换热器E03、第四换热器E04、第五换热器E05、第六换热器E06和第二节流阀VAL02，再通过第三十三管道33、第三十四管道34、第三十五管道35、第三十六管道36、第三十七管道37、第三十八管道38和第三十九管道39依次连接第六换热器E06、第五换热器E05、第四换热器E04、第三换热器E03、第二换热器E02、第一换热器E01和一级氢气压缩机C02A的入口。
第三管路在第二换热器E02和第三换热器E03之间设有第三分支管路，第三分支管路用于连接制冷氢气膨胀单元，以及第一换热器E01、第二换热器E02、第三换热器E03、第四换热器E04和第五换热器E05的第二制冷氢气通道。第三分支管路包括第四十管道40、第四十一管道41、第四十二管道42、第四十三管道43、第四十四管道44、第四十五管道45、第四十六管道46、第四十七管道47和第四十八管道48，第二十七管道27通过第四十管道40、第四十一管道41和第四十二管道42依次连接一级氢气膨胀机EX01、第四换热器E04和二级氢气膨胀机EX02，再通过第四十三管道43、第四十四管道44、第四十五管道45、第四十六管道46、第四十七管道47和第四十八管道48依次连接第五换热器E05、第四换热器E04、第三换热器E03、第二换热器E02、第一换热器E01和二级氢气压缩机C02B的入口。
在本实施例中，为了进一步节约能耗，对液氢储罐V01产生的闪蒸气进行回收，该氢气液化系统还包括闪蒸气回收单元和第四管路，并且第一换热器E01、第二换热器E02、第三换热器E03、第四换热器E04、第五换热器E05和第六换热器E06还具有闪蒸气复热通道。闪蒸气回收单元包括闪蒸气压缩机C03，第四管路用于连接液氢储罐V01，第六换热器E06、第五换热器E05、第四换热器E04、第三换热器E03、第二换热器E02和第一换热器E01的闪蒸气复热通道，闪蒸气压缩机C03，以及第一换热器E01的原料氢气通道。第四管路包括第十八管道18、第十九管道19、第二十管道20、第二十一管道21、第二十二管道22、第二十三管道23和第二十四管道24。在另外的实施例中，该氢气液化系统也可以不设置闪蒸气回收单元和第四管路，且第一换热器E01、第二换热器E02、第三换热器E03、第四换热器E04、第五换热器E05和第六换热器E06不设置闪蒸气复热通道。
基于上述氢气液化系统，本实施例还公开了一种氢气液化方法，该方法包括以下步骤：
净化处理后的原料氢气进入冷箱换热单元，通过第一换热器E01冷却至-190℃，进入低温吸附单元吸附杂质，通过第二换热器E02冷却至-202℃，通过第三换热器E03冷却至-218℃，进入第一正仲氢转换器Z01，再返回第三换热器E03继续冷却，然后通过第四换热器E04冷却至-235℃，进入第二正仲氢转换器Z02，再返回第四换热器E04继续冷却，继续通过第五换热器E05冷却至-239℃，进入第三正仲氢转换器Z03，再返回第五换热器E05继续冷却，之后通过第六换热器E06冷却至-248℃，进入第四正仲氢转换器Z04，再返回第六换热器E06继续冷却，最后节流减压后进入液氢储罐V01；
原料氢气在第一换热器E01采用混合冷剂循环冷却，混合冷剂经过混合冷剂压缩机C01A增压冷却后进入气液分离器C01B分离为气相混合冷剂和液相混合冷剂，液相混合冷剂进入第一换热器E01冷却至-50℃，出第一换热器E01经节流制冷后再返回第一换热器E01，气相混合冷剂进入第一换热器E01冷却至-170℃，出第一换热器E01经节流制冷后再返回第一换热器E01复热至-50℃，再与液相混合冷剂混合后继续复热，然后返回混合冷剂压缩机C01A继续循环；
原料氢气在第二换热器E02至第六换热器E06采用制冷氢气循环制冷，制冷氢气经过制冷氢气压缩单元增压冷却后进入第一换热器E01冷却至-190℃，通过第二换热器E02冷却至-202℃，之后分为两路；一路制冷氢气继续进入第三换热器E03冷却至-239℃，再依次进入第四换热器E04、第五换热器E05和第六换热器E06，制冷氢气在第六换热器E06被液化，液化的制冷氢气节流制冷后返回第六换热器E06并依次通过第五换热器E05、第四换热器E04、第三换热器E03、第二换热器E02和第一换热器E01复热后，返回制冷氢气压缩单元继续循环；另一路制冷氢气通过一级氢气膨胀机EX01膨胀制冷后进入第四换热器E04冷却至-235℃，再通过二级氢气膨胀机EX02膨胀制冷后进入第五换热器E05，再依次通过第四换热器E04、第三换热器E03、第二换热器E02和第一换热器E01复热后，返回制冷氢气压缩单元的二级氢气压缩机C02B继续循环。
在本实施例中，混合冷剂的组分包括氮气、甲烷、丙烷、异戊烷和乙烯。混合冷剂中的氮气含量为21％，甲烷含量为26％，丙烷含量为16％，异戊烷含量为17.5％，乙烯含量为19.5％。在另外的实施例中，混合冷剂的组分也可以进行调整，只要组分含量在以下范围内即可：氮气含量为15～25％，甲烷含量为20～30％，丙烷含量为12～25％，异戊烷含量为13～20％，乙烯含量为15～25％。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种氢气液化系统，其特征在于：该氢气液化系统包括：
冷箱换热单元，所述冷箱换热单元包括第一换热器(E01)、第二换热器(E02)、第三换热器(E03)、第四换热器(E04)、第五换热器(E05)和第六换热器(E06)，每个换热器均具有原料氢气通道和第一制冷氢气通道，其中第一换热器(E01)、第二换热器(E02)、第三换热器(E03)、第四换热器(E04)和第五换热器(E05)还具有第二制冷氢气通道，其中第一换热器(E01)还具有混合冷剂通道；
低温吸附单元，所述低温吸附单元包括多个并联设置的低温分子筛吸附器；
正仲氢转换单元，所述正仲氢转换单元包括第一正仲氢转换器(Z01)、第二正仲氢转换器(Z02)、第三正仲氢转换器(Z03)和第四正仲氢转换器(Z04)；
混合冷剂压缩单元，所述混合冷剂压缩单元包括串联设置的混合冷剂压缩机(C01A)和气液分离器(C01B)；
制冷氢气压缩单元，所述制冷氢气压缩单元包括串联设置的一级氢气压缩机(C02A)、二级氢气压缩机(C02B)和三级氢气压缩机(C02C)；
制冷氢气膨胀单元，所述制冷氢气膨胀单元包括一级氢气膨胀机(EX01)和二级氢气膨胀机(EX02)；
第一管路，用于连接第一换热器(E01)的原料氢气通道、低温吸附单元、第二换热器(E02)的原料氢气通道、第三换热器(E03)的原料氢气通道、第一正仲氢转换器(Z01)、第四换热器(E04)的原料氢气通道、第二正仲氢转换器(Z02)、第五换热器(E05)的原料氢气通道、第三正仲氢转换器(Z03)、第六换热器(E06)的原料氢气通道、第四正仲氢转换器(Z04)和液氢储罐(V01)；
第二管路，用于连接混合冷剂压缩单元和第一换热器(E01)的混合冷剂通道；
第三管路，用于连接制冷氢气压缩单元，以及第一换热器(E01)、第二换热器(E02)、第三换热器(E03)、第四换热器(E04)、第五换热器(E05)和第六换热器(E06)的第一制冷氢气通道；所述第三管路在第二换热器(E02)和第三换热器(E03)之间设有第三分支管路，所述第三分支管路用于连接制冷氢气膨胀单元，以及第一换热器(E01)、第二换热器(E02)、第三换热器(E03)、第四换热器(E04)和第五换热器(E05)的第二制冷氢气通道。
2.根据权利要求1所述的一种氢气液化系统，其特征在于：所述第一管路在液氢储罐(V01)进口前设有第一节流阀(VAL01)。
3.根据权利要求1所述的一种氢气液化系统，其特征在于：所述第二管路包括第四十九管道(49)、第五十管道(50)、第五十一管道(51)、第五十二管道(52)、第五十三管道(53)、第五十四管道(54)、第五十五管道(55)、第三节流阀(VAL03)和第四节流阀(VAL04)；气液分离器(C01B)的气相出口通过第四十九管道(49)和第五十管道(50)依次连接第一换热器(E01)和第三节流阀(VAL03)，再通过第五十一管道(51)和第五十五管道(55)依次连接第一换热器(E01)和混合冷剂压缩机(C01A)的入口；气液分离器(C01B)的液相出口通过第五十二管道(52)和第五十三管道(53)依次连接第一换热器(E01)和第四节流阀(VAL04)，再通过第五十四管道(54)、第五十五管道(55)连接混合冷剂压缩机(C01A)的入口。
4.根据权利要求1所述的一种氢气液化系统，其特征在于：所述第三管路包括第二十五管道(25)、第二十六管道(26)、第二十七管道(27)、第二十八管道(28)、第二十九管道(29)、第三十管道(30)、第三十一管道(31)、第三十二管道(32)、第三十三管道(33)、第三十四管道(34)、第三十五管道(35)、第三十六管道(36)、第三十七管道(37)、第三十八管道(38)、第三十九管道(39)和第二节流阀(VAL02)；三级氢气压缩机(C02C)的出口通过第二十五管道(25)、第二十六管道(26)、第二十七管道(27)、第二十八管道(28)、第二十九管道(29)、第三十管道(30)、第三十一管道(31)和第三十二管道(32)依次连接第一换热器(E01)、第二换热器(E02)、第三换热器(E03)、第四换热器(E04)、第五换热器(E05)、第六换热器(E06)和第二节流阀(VAL02)，再通过第三十三管道(33)、第三十四管道(34)、第三十五管道(35)、第三十六管道(36)、第三十七管道(37)、第三十八管道(38)和第三十九管道(39)依次连接第六换热器(E06)、第五换热器(E05)、第四换热器(E04)、第三换热器(E03)、第二换热器(E02)、第一换热器(E01)和一级氢气压缩机(C02A)的入口。
5.根据权利要求1所述的一种氢气液化系统，其特征在于：所述第三分支管路包括第四十管道(40)、第四十一管道(41)、第四十二管道(42)、第四十三管道(43)、第四十四管道(44)、第四十五管道(45)、第四十六管道(46)、第四十七管道(47)和第四十八管道(48)，第二十七管道(27)通过第四十管道(40)、第四十一管道(41)和第四十二管道(42)依次连接一级氢气膨胀机(EX01)、第四换热器(E04)和二级氢气膨胀机(EX02)，再通过第四十三管道(43)、第四十四管道(44)、第四十五管道(45)、第四十六管道(46)、第四十七管道(47)和第四十八管道(48)依次连接第五换热器(E05)、第四换热器(E04)、第三换热器(E03)、第二换热器(E02)、第一换热器(E01)和二级氢气压缩机(C02B)的入口。
6.根据权利要求1所述的一种氢气液化系统，其特征在于：所述第一换热器(E01)、第二换热器(E02)、第三换热器(E03)、第四换热器(E04)、第五换热器(E05)和第六换热器(E06)还具有闪蒸气复热通道，该氢气液化系统还包括：
闪蒸气回收单元，所述闪蒸气回收单元包括闪蒸气压缩机(C03)；
第四管路，用于连接液氢储罐(V01)，第六换热器(E06)、第五换热器(E05)、第四换热器(E04)、第三换热器(E03)、第二换热器(E02)和第一换热器(E01)的闪蒸气复热通道，闪蒸气压缩机(C03)，以及第一换热器(E01)的原料氢气通道。
7.一种根据权利要求1-6任一所述的氢气液化系统进行氢气液化的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
净化处理后的原料氢气进入冷箱换热单元，通过第一换热器(E01)冷却至-190℃，进入低温吸附单元吸附杂质，通过第二换热器(E02)冷却至-202℃，通过第三换热器(E03)冷却至-218℃，进入第一正仲氢转换器(Z01)，再返回第三换热器(E03)继续冷却，然后通过第四换热器(E04)冷却至-235℃，进入第二正仲氢转换器(Z02)，再返回第四换热器(E04)继续冷却，继续通过第五换热器(E05)冷却至-239℃，进入第三正仲氢转换器(Z03)，再返回第五换热器(E05)继续冷却，之后通过第六换热器(E06)冷却至-248℃，进入第四正仲氢转换器(Z04)，再返回第六换热器(E06)继续冷却，最后节流减压后进入液氢储罐(V01)；
原料氢气在第一换热器(E01)采用混合冷剂循环冷却，混合冷剂经过混合冷剂压缩机(C01A)增压冷却后进入气液分离器(C01B)分离为气相混合冷剂和液相混合冷剂，液相混合冷剂进入第一换热器(E01)冷却至-50℃，出第一换热器(E01)经节流制冷后再返回第一换热器(E01)，气相混合冷剂进入第一换热器(E01)冷却至-170℃，出第一换热器(E01)经节流制冷后再返回第一换热器(E01)复热至-50℃，再与液相混合冷剂混合后继续复热，然后返回混合冷剂压缩机(C01A)继续循环；
原料氢气在第二换热器(E02)至第六换热器(E06)采用制冷氢气循环制冷，制冷氢气经过制冷氢气压缩单元增压冷却后进入第一换热器(E01)冷却至-190℃，通过第二换热器(E02)冷却至-202℃，之后分为两路；一路制冷氢气继续进入第三换热器(E03)冷却至-239℃，再依次进入第四换热器(E04)、第五换热器(E05)和第六换热器(E06)，制冷氢气在第六换热器(E06)被液化，液化的制冷氢气节流制冷后返回第六换热器(E06)并依次通过第五换热器(E05)、第四换热器(E04)、第三换热器(E03)、第二换热器(E02)和第一换热器(E01)复热后，返回制冷氢气压缩单元继续循环；另一路制冷氢气通过一级氢气膨胀机(EX01)膨胀制冷后进入第四换热器(E04)冷却至-235℃，再通过二级氢气膨胀机(EX02)膨胀制冷后进入第五换热器(E05)，再依次通过第四换热器(E04)、第三换热器(E03)、第二换热器(E02)和第一换热器(E01)复热后，返回制冷氢气压缩单元的二级氢气压缩机(C02B)继续循环。
8.根据权利要求7所述的一种氢气液化方法，其特征在于：所述混合冷剂的组分包括氮气、甲烷、丙烷、异戊烷和乙烯。
9.根据权利要求8所述的一种氢气液化方法，其特征在于：所述混合冷剂中的氮气含量为15～25％，甲烷含量为20～30％，丙烷含量为12～25％，异戊烷含量为13～20％，乙烯含量为15～25％。
10.根据权利要求9所述的一种氢气液化方法，其特征在于：所述混合冷剂中的氮气含量为21％，甲烷含量为26％，丙烷含量为16％，异戊烷含量为17.5％，乙烯含量为19.5％。
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