CN114687989B

CN114687989B - 一种节能型现场制氢加氢站系统

Info

Publication number: CN114687989B
Application number: CN202210327645.0A
Authority: CN
Inventors: 林立; 罗俊聪; 江莉龙; 罗宇; 陈崇启
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2022-03-31
Filing date: 2022-03-31
Publication date: 2023-01-03
Anticipated expiration: 2042-03-31
Also published as: CN114687989A

Abstract

本发明公开了一种节能型现场制氢加氢站系统，属于氢能利用领域，其特征在于通过将氨分解现场制氢与加氢站相结合，优化系统配置，实现制氢加氢过程的节能降耗，从而降低氢气的储运成本。其中，高压氢气冷却装置与加注装置相结合，在加注装置节流后对氢气进行冷却，降低冷源的温度要求，从而提高制冷循环COP以节约电耗；冷却装置所需冷量来自氨制冷循环，可实现制冷工质量的灵活调节，并结合双效吸收式制冷循环，充分利用制氢工艺中的尾气热值，提高系统能效；采用液氨泵实现高压条件下制氢工艺，节约氢气纯化与加氢工段的能耗。

Description

一种节能型现场制氢加氢站系统

技术领域

本发明属于氢能利用技术领域，具体涉及一种节能型现场制氢加氢站系统。

背景技术

传统的加氢站大多采用长管拖车进行氢气运输，储运和周转成本高，而采用现场制氢方式（例如液氨、甲醇或甲烷等）可大幅降低加氢站的氢气储运成本，提高经济性。此外，氢气的压缩过程是加氢站的主要能耗来源，尽可能提高制氢压力水平，也有助于降低后续工艺的能耗。

传统加氢站中氢气加注前需要将高压氢气冷却至-40℃，这是由于氢气的焦耳-汤姆森效应表现为气体节流降压过程温度升高，为了保证氢气加注过程中，汽车的储氢罐内温度不超过80℃（燃料电池汽车使用碳纤维缠绕储氢瓶储存高压氢气，车辆在加氢过程中会造成气瓶内部快速升温，若温度超过85℃，储氢瓶的碳纤维材质会受到不可逆的损伤），需要对高压氢气先进行充分降温再节流加注，因此加氢站中有较大一部分能耗用于该冷却工艺，降低这部分能耗有助于实现加氢站的节能降耗。

因此目前传统加氢站的推广主要受限于经济性，主要表现为氢气储运成本高，加氢站能耗水平较高两个方面，这一定程度上限制了加氢站以及氢能的发展。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于通过现场制氢降低氢气储运成本，通过优化加氢站的结构与工艺参数降低加氢站系统的压缩与冷却能耗，从而提供一种新型高效经济的节能型现场制氢加氢站系统。

本发明采用以下技术方案。

所述加氢站系统的供氢机构包括氨压缩式制冷循环系统和用于产氢的氨分解反应器；所述氨分解反应器和氨压缩式制冷循环系统共享氨气气源；其输入的氨气需由换热器机构加热。氨压缩式制冷循环系统的第一蒸发器提供用于加注系统冷却氢气的冷量，第二蒸发器则用于冷却氨分解产物。

进一步地，所述换热器机构包括第一蒸发器、第二蒸发器和换热器，第一蒸发器和第二蒸发器提供的冷量可分别通过调节阀进行调节，低温氨气与高温的氨分解产物在换热器内换热。

进一步地，所述加氢站系统的加注系统分为两部分，加注装置节流部分，加注装置加注部分；加注装置节流部分组件包括节流装置和双效吸收式制冷装置，节流装置将氢气先降压膨胀使气体温度升高，再通过双效吸收式制冷装置换热降低温度；加注装置加注部分包括第一蒸发器和加注器，第一蒸发器将经过加注装置节流部分的氢气与氨压缩式制冷循环系统换热，提供用于氢气预冷的冷量，最后通过加注器加注进入氢能汽车中。

进一步地，所述的氨压缩式制冷循环系统包括液氨储罐、截止阀、减压阀、第一蒸发器、第一调节阀、第一压缩机和冷凝器，液氨储罐中的液氨截止阀流入第一支路，由减压阀控制液氨流量的大小进入第一蒸发器经定温定压吸热后化为氨气，由调节阀控制气体流量大小经压缩机绝热压缩成为过热氨蒸汽，接着过热氨蒸汽进入冷凝器进行定压放热冷凝为液氨，液氨进入液氨储罐实现循环利用。所述氢气由氨分解反应器制取，经过换热器降温，再进入风冷器进一步降温，进入第二蒸发器，进一步降温。

进一步地，所述的氨气气源包括液氨储罐；液氨储罐输出的液氨溶液进入截止阀后，分别从第一支路和第二支路输出；所述第一支路设有减压阀和第一蒸发器，液氨经减压阀进入第一蒸发器后，经定温定压吸热后化为氨气，产生的冷能用来将氢气冷却。所述第二支路设有液氨泵和第二蒸发器，液氨经液氨泵进入第二蒸发器对来自风冷器的氨分解产物进行冷却，液氨泵增压，降低PSA工段的压缩功耗，或提高PSA工段的高纯氢压力。

进一步地，所述PSA工段与TSA工段相连组成氢气提纯系统，所述系统组件包括TSA装置和PSA装置；利用PSA尾气吹扫TSA，利用TSA尾气进行燃烧放热驱动双效吸收式制冷；氨分解产物经氢气提纯系统提纯高纯度氢气，通过第三压缩机压缩成高压氢气压入级联储罐装置中。所述级联储罐装置包括3种压力等级的储罐分别为高压储罐、中压储罐和低压储罐，分压力等级储存氢气，降低第三压缩机的功耗。

进一步地，所述第一蒸发器、第二蒸发器用于液氨气化；第一蒸发器具有第一进口、第二进口、第一出口和第二出口，来自减压阀的低温液氨从第一进口进入第一蒸发器，来自双效吸收式制冷装置的高温氢气从第二进口进入第一蒸发器，低温液氨与高温氢气在第一蒸发器内换热后，气化后氨气从第一出口离开第一蒸发器，进入第一调节阀，降温后的氢气从第二出口离开第一蒸发器，进入加注器；

进一步地，第二蒸发器具有第一进口、第二进口、第一出口和第二出口，来自液氨泵的低温液氨从第一进口进入第二蒸发器，来自风冷器的高温氨分解产物从第二进口进入第二蒸发器；低温液氨与高温氢气在第二蒸发器内换热后，升温后的氨气从第一出口离开第二换蒸发，进入第二调节阀；降温后的氨分解产物从第二出口离开第二蒸发器，进入第二压缩机。

进一步地，所述换热器用于处理氨分解产物，具有第一进口、第二进口、第一出口和第二出口，来自第二调节阀的低温氨气从第一进口进入换热器，来自氨分解反应器的高温氨分解产物从第二进口进入换热器，低温氨气与高温氨分解产物在换热器内换热后，升温后的氨气从第一出口离开换热器，进入氨分解反应器，降温后的氨分解产物从第二出口离开换热器，进入风冷器。

进一步地，所述的双效吸收式制冷装置用于氢气冷却，具有第一进口、第二进口和第一出口，来自TSA装置的尾气进行燃烧放热之后从第一进口进入双效吸收式制冷装置驱动双效吸收式制冷装置制冷，来自节流装置的高温氢气从第二进口进入双效吸收式制冷装置冷却，降温后的氢气从第一出口离开双效吸收式制冷装置进入第一蒸发器。

本发明技术方案，具有如下优点：

1. 本发明提供的节能型现场制氢加氢站系统，将加注装置分为两部分，加注装置节流部分，通过节流膨胀使氢气温度升高，再进行换热，大幅提高制冷的目标温度，降低制冷的能耗；

2.本发明提供的氨压缩式制冷循环系统，采用了截止阀和减压阀，根据加氢需求不同对制冷量的需求来调节阀门，实现冷量的灵活调节；冷却装置冷量来自氨制冷循环，工质氨来自储氨罐，可灵活调节工质流量；

3. 本发明提供的双效吸收式制冷装置，利用PSA尾气吹扫TSA，利用TSA尾气进行燃烧放热驱动双效吸收式制冷，大幅提高氨分解产物的利用效率；

4. 本发明提供的液氨泵，对液氨加压，提高换热效率，增大氨分解的转化率同时降低PSA工段的压缩功耗，或提高PSA工段的高纯氢压力。

附图说明

图1为本发明的实施例中提供的节能型现场制氢加氢站系统示意图；

图中，1-液氨储罐；2-截止阀；3-减压阀；4-第一蒸发器；5-第一调节阀；6-第一压缩机；7-冷凝器；8-液氨泵；9-第二蒸发器；10-第二调节阀；11-换热器；12-氨分解反应器；13-风冷器；14-第二压缩机；15-TSA装置；16-PSA装置；17-第三压缩机；18-级联储罐；19-高压储罐；20-中压储罐；21-低压储罐；22-节流装置；23-双效吸收式制冷器；24-加注器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种节能型现场制氢加氢站系统，所述加氢站系统的供氢机构包括氨压缩式制冷循环系统和用于产氢的氨分解反应器（12）；所述氨分解反应器（12）和氨压缩式制冷循环系统共享氨气气源；其输入的氨气需由换热器机构加热。氨压缩式制冷循环系统的第一蒸发器（4）提供用于加注系统冷却氢气的冷量，第二蒸发器（9）则用于冷却氨分解产物。

本实施例中，换热器机构包括第一蒸发器（4）、第二蒸发器（9）和换热器（11），第一蒸发器（4）和第二蒸发器（9）提供的冷量可分别通过调节阀进行调节，低温氨气与高温的氨分解产物在换热器（11）内换热。

本实施例中，加氢站系统的加注系统分为两部分，加注装置节流部分，加注装置加注部分；加注装置节流部分组件包括节流装置（22）和双效吸收式制冷装置（23），节流装置（22）将氢气先降压膨胀使气体温度升高，再通过双效吸收式制冷装置（23）换热降低温度；加注装置加注部分包括第一蒸发器（4）和加注器（24），第一蒸发器将经过加注装置节流部分的氢气与氨压缩式制冷循环系统换热，提供用于氢气预冷的冷量，最后通过加注器加注进入氢能汽车中。

本实施例中，氨压缩式制冷循环系统包括液氨储罐（1）、截止阀（2）、减压阀（3）、第一蒸发器（4）、第一调节阀（5）、第一压缩机（6）和冷凝器（7），液氨储罐（1）中的液氨截止阀（2）流入第一支路，由减压阀（3）控制液氨流量的大小进入第一蒸发器（4）经定温定压吸热后化为氨气，由第一调节阀（5）控制气体流量大小经第一压缩机（6）绝热压缩成为过热氨蒸汽，接着过热氨蒸汽进入冷凝器（7）进行定压放热冷凝为液氨，液氨进入液氨储罐（1）实现循环利用。所述氢气由氨分解反应器（12）制取，经过换热器（11）降温，再进入风冷器（13）进一步降温，进入第二蒸发器（9），进一步降温。

本实施例中，氨气气源包括液氨储罐（1）；液氨储罐（1）输出的液氨溶液进入截止阀（2）后，分别从第一支路和第二支路输出；所述第一支路设有减压阀（3）和第一蒸发器（4），液氨经减压阀（3）进入第一蒸发器后，经定温定压吸热后化为氨气，产生的冷能用来将氢气冷却。所述第二支路设有液氨泵（8）和第二蒸发器（9），液氨经液氨泵进入第二蒸发器（9）对来自风冷器（13）的氨分解产物进行冷却，液氨泵增压，降低PSA工段的压缩功耗，或提高PSA工段的高纯氢压力。

本实施例中，所述PSA工段与TSA工段相连组成氢气提纯系统，所述系统组件包括TSA装置（15）和PSA装置（16）；利用PSA尾气吹扫TSA，利用TSA尾气进行燃烧放热驱动双效吸收式制冷；氨分解产物经氢气提纯系统提纯高纯度氢气，通过第三压缩机（17）压缩成高压氢气压入级联储罐装置（18）中。所述级联储罐（18）包括3种压力等级的储罐分别为高压储罐（19）、中压储罐（20）和低压储罐（21），分压力等级储存氢气，降低第三压缩机（17）的功耗。

本实施例中，所述第一蒸发器（4）、第二蒸发器（9）用于液氨气化；第一蒸发器（4）具有第一进口、第二进口、第一出口和第二出口，来自减压阀（3）的低温液氨从第一进口进入第一蒸发器（4），来自双效吸收式制冷装置（23）的高温氢气从第二进口进入第一蒸发器（4），低温液氨与高温氢气在第一蒸发器内换热后，气化后氨气从第一出口离开第一蒸发器（4），进入第一调节阀（5），降温后的氢气从第二出口离开第一蒸发器（4），进入加注器（24）；

本实施例中，所述第二蒸发器（9）具有第一进口、第二进口、第一出口和第二出口，来自液氨泵（8）的低温液氨从第一进口进入第二蒸发器（9），来自风冷器（13）的高温氨分解产物从第二进口进入第二蒸发器（9）；低温液氨与高温氢气在第二蒸发器内换热后，升温后的氨气从第一出口离开第二换蒸发（9），进入第二调节阀（10）；降温后的氨分解产物从第二出口离开第二蒸发器（9），进入第二压缩机（14）。

本实施例中，所述换热器（11）用于处理氨分解产物，具有第一进口、第二进口、第一出口和第二出口，来自第二调节阀（10）的低温氨气从第一进口进入换热器（11），来自氨分解反应器（12）的高温氨分解产物从第二进口进入换热器（11），低温氨气与高温氨分解产物在换热器内换热后，升温后的氨气从第一出口离开换热器（11），进入氨分解反应器（12），降温后的氨分解产物从第二出口离开换热器（11），进入风冷器（13）。

本实施例中，所述的双效吸收式制冷装置（23）用于氢气冷却，具有第一进口、第二进口和第一出口，来自TSA装置（15）的尾气进行燃烧放热之后从第一进口进入双效吸收式制冷装置（23）驱动双效吸收式制冷装置制冷，来自节流装置（22）的高温氢气从第二进口进入双效吸收式制冷装置（23）冷却，降温后的氢气从第一出口离开双效吸收式制冷装置（23）进入第一蒸发器（4）。

实施例1

采用节能型现场制氢加氢站系统，实现原位制氢，氨分解反应器输出氨分解产物温度为500℃，冷凝器温度40℃~50℃，第一蒸发器温度7℃，第二蒸发器温度15℃，液氨泵出口压力3bar。

实施例2

采用节能型现场制氢加氢站系统，实现原位制氢，氨分解反应器输出氨分解产物温度为530℃，冷凝器温度30℃~40℃，第一蒸发器温度2℃，第二蒸发器温度10℃，液氨泵出口压力7bar。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种节能型现场制氢加氢站系统，其特征在于：加氢站系统包括供氢机构和加注系统，所述加氢站系统的供氢机构包括氨压缩式制冷循环系统和用于产氢的氨分解反应器（12）；所述氨分解反应器和氨压缩式制冷循环系统共享氨气气源, 氨气气源包括液氨储罐（1），液氨储罐输出的氨需由换热器机构换热；所述换热器机构包括第一蒸发器（4）、第二蒸发器（9）和换热器（11），第一蒸发器和第二蒸发器提供的冷量可分别通过调节阀进行调节，低温氨气与高温的氨分解产物在换热器（11）内换热；所述加氢站系统的加注系统分为两部分：加注装置节流部分和加注装置加注部分；加注装置节流部分包括节流装置（22）和双效吸收式制冷装置（23），节流装置（22）将氢气先降压膨胀使气体温度升高，再通过双效吸收式制冷装置换热降低温度；加注装置加注部分包括第一蒸发器（4）和加注器（24），第一蒸发器（4）将经过加注装置节流部分的氢气与氨压缩式制冷循环系统换热，提供用于氢气预冷的冷量，最后通过加注器（24）加注进入氢能汽车中；所述的氨压缩式制冷循环系统包括液氨储罐（1）、截止阀（2）、减压阀（3）、第一蒸发器（4）、第一调节阀（5）、第一压缩机（6）和冷凝器（7），液氨储罐（1）中的液氨从截止阀（2）输出后流入第一支路，由减压阀（3）控制液氨流量的大小进入第一蒸发器（4）经定温定压吸热后化为氨气，产生的冷能用来将氢气冷却，由第一调节阀（5）控制气体流量大小经第一压缩机（6）绝热压缩成为过热氨蒸汽，接着过热氨蒸汽进入冷凝器（7）进行定压放热冷凝为液氨，液氨进入液氨储罐（1）实现循环利用；液氨储罐（1）中的液氨从截止阀（2）输出后还流入第二支路；所述第二支路设有液氨泵（8）和第二蒸发器（9），液氨经液氨泵（8）进入第二蒸发器（9）对来自风冷器（13）的氨分解产物进行冷却。

2.根据权利要求1所述的节能型现场制氢加氢站系统，其特征在于：还包括PSA装置（16）和TSA装置（15），TSA装置通过第二压缩机（14）与第二蒸发器连接，所述PSA装置与TSA装置相连组成氢气提纯系统，即所述氢气提纯系统包括TSA装置（15）和PSA装置（16）；利用PSA装置尾气吹扫TSA装置，利用TSA装置尾气进行燃烧放热驱动双效吸收式制冷装置（23）制冷；氨分解产物经氢气提纯系统提纯高纯度氢气，通过第三压缩机（17）压缩成高压氢气压入级联储罐（18）中。

3.根据权利要求2所述的节能型现场制氢加氢站系统，其特征在于：所述级联储罐（18）包括3种压力等级的储罐分别为：高压储罐（19）、中压储罐（20）和低压储罐（21），分压力等级储存氢气，降低第三压缩机（17）的功耗。

4.根据权利要求3所述的节能型现场制氢加氢站系统，其特征在于：所述第一蒸发器（4）、第二蒸发器（9）用于液氨气化；第一蒸发器具有第一进口、第二进口、第一出口和第二出口，来自减压阀（3）的低温液氨从第一进口进入第一蒸发器（4），来自双效吸收式制冷装置（23）的高温氢气从第二进口进入第一蒸发器（4），低温液氨与高温氢气在第一蒸发器内换热后，气化后氨气从第一出口离开第一蒸发器（4），进入第一调节阀（5），降温后的氢气从第二出口离开第一蒸发器（4），进入加注器（24）；

所述第二蒸发器（9）具有第一进口、第二进口、第一出口和第二出口，来自液氨泵（8）的低温液氨从第一进口进入第二蒸发器（9），来自风冷器（13）的高温氨分解产物从第二进口进入第二蒸发器（9）；低温液氨与高温氨分解产物在第二蒸发器内换热后，升温后的氨气从第一出口离开第二蒸发器（9），进入第二调节阀（10）；降温后的氨分解产物从第二出口离开第二蒸发器（9），进入第二压缩机（14）；

所述换热器（11）用于处理氨分解产物，具有第一进口、第二进口、第一出口和第二出口，来自第二调节阀（10）的低温氨气从第一进口进入换热器（11），来自氨分解反应器（12）的高温氨分解产物从第二进口进入换热器（11），低温氨气与高温氨分解产物在换热器内换热后，升温后的氨气从第一出口离开换热器（11），进入氨分解反应器（12），降温后的氨分解产物从第二出口离开换热器（11），进入风冷器（13）。

5.根据权利要求4所述的节能型现场制氢加氢站系统，其特征在于：所述的双效吸收式制冷装置（23）用于氢气冷却，具有第一进口、第二进口和第一出口，来自TSA装置（15）的尾气进行燃烧放热之后从第一进口进入双效吸收式制冷装置（23）驱动双效吸收式制冷装置制冷，来自节流装置（22）的高温氢气从第二进口进入双效吸收式制冷装置（23）冷却，降温后的氢气从第一出口离开双效吸收式制冷装置（23）进入第一蒸发器（4）。