CN117203432A - 氢压缩组件、制氢装置和压缩方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于制造氢的制氢装置，该制氢装置具有用于增加氢的压力的压缩组件。压缩组件具有至少一个桶式压缩机和至少一个整体齿轮传动离心式压缩机。还公开了压缩氢的方法。
Description
具体描述
技术领域
本公开涉及一种氢压缩组件和包括该氢压缩组件的用于制造高压氢的装置，该装置可用于多种工业过程中，比如用于制造氨，或者作为燃料源用于涡轮和发动机，比如可用于不同技术领域的不同种类的燃气涡轮。
在下文中，描述将涉及氢的压缩，但是清楚的是，不应将其视为仅限于该特定用途，因为压缩组件也可用于压缩任何其他种类的气体。
背景技术
氢被制造用于多种工业应用。例如，氢的最重要的工业应用之一(不是唯一)是制造氨，氨是通常用于各种工业领域的众所周知的化学产品。例如，氨被制造用作不同种类农作物田地的肥料。另外，氨也大量用于原油精炼领域，特别是作为氢的载体，即用于氢的运输。
目前，主要用所谓的蒸汽重整工艺来制造氢。根据该制造方法，甲烷最初被压缩。众所周知，甲烷是一种易于压缩的气体，因为其分子量非常高(约18)。随后，进行氢与碳的分离步骤(所谓的重整步骤)，在30巴至40巴的压力下获得氢(H2)，然后将其与氮混合以获得氨。在30巴至40巴的压力下，氢可以容易地在储存容器中输送和/或经由短距离和长距离管线输送。
众所周知，氢是非常小且轻的分子。因此，通过管线输送氢是麻烦的。通常，为了实现这种气体的有效输送，它必须处于上述30巴至40巴的数量级的压力下。
上述制氢技术尽管有效，但具有几个技术问题。主要问题之一是它是不环保的。事实上，甲烷必须被燃烧，随之产生二氧化碳(CO2)，从而获得所谓的“灰氢”。近来，对制造“绿氢”(即通过避免燃烧甲烷和在大气中扩散二氧化碳而获得的氢)的工业兴趣在市场上迅速增长。
另外，用于燃烧和处理甲烷的装置传统上具有非常高的占地面积以及运行成本。
因此，改进的压缩组件和压缩氢、以及一般地任何其他气体的方法将在本领域中受到欢迎。更一般地，还期望提供一种能够在不燃烧甲烷或任何其他燃料的情况下制造绿氢的新型装置。
发明内容
在一个方面，本文公开的主题涉及一种新型工业用途的氢压缩组件和被配置为通过电解制造氢的制氢装置，该压缩组件易于增加氢或任何其他气体的压力。该压缩组件包括至少一个具有桶式压缩机的压缩单元、以及至少一个整体齿轮传动离心式压缩机类型的压缩单元。
在另一个方面，本文所公开的主题涉及压缩单元，该压缩单元具有：两个带有相关齿轮箱的桶式压缩机；和驱动电动机，该驱动电动机与第一齿轮箱和第二齿轮箱连接，以操作桶式压缩机。
在另一个方面，本文公开了一种具有变速电动机或定速电动机的压缩单元。
在另一个方面，本文公开了一种压缩单元，该压缩单元具有：大齿轮；多个叶轮，该多个叶轮由大齿轮机械地驱动；以及电驱动电动机，该电驱动电动机与大齿轮可操作地连接，以操作叶轮。
本公开的另一方面涉及一种压缩氢气的方法，该方法包括以下步骤：获得氢气，通过至少一个离心式压缩机压缩氢，以及随后通过至少一个整体齿轮传动离心式压缩机压缩氢。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，本发明所公开的实施方案及其许多伴随的优点变得更好理解，从而将容易获得对其更全面的了解，其中：
图1示出了根据第一实施方案的用于制造氢的装置的示意图；
图2示出了根据第二实施方案的用于制造氢的装置的布局；
图3示出了用于增加图2的装置的氢的压力的桶式压缩机级；
图4示出了用于增加图2的装置的氢的压力的整体齿轮传动离心式压缩机级；并且
图5示出了根据本公开的压缩氢气的方法的流程图。
具体实施方式
氢用于许多工业应用中，比如用于制造氨。电解是一种在不燃烧甲烷的情况下制造氢的方法，因此，不会将二氧化碳扩散到大气中。然而，为了实现工业用途，必须增加通过电解获得的氢的压力，因为氢是非常轻的分子。根据一个方面，本公开的本主题涉及一种压缩系统或装置，其组合了压缩机的不同布局(即离心式压缩机和整体齿轮传动离心式压缩机)，以实现气体的高压缩速率并减小装置的占用空间。
现在参照附图，图1示出了根据第一实施方案的制氢装置1的示意图。
特别地，制氢装置1包括制氢级(总体上用附图标记2表示)和压缩组件3，该压缩组件用于将氢的压力升高到30巴至40巴的压力，如下文更好地解释的。
制氢级2基于水电解。其基于众所周知的通过使用电(电解)分解水来制造氢。这涉及使电流通过水以将其分解成氢和氧。如果使用可再生能源产生电流，电解实际上不产生污染或有毒副产物。
由制氢级2制造的氢处于环境压力下，因此在其被制造出的状态下运输是具有挑战性的。此类氢必须被加压并储存在适于运输的特殊容器中，或者被加压以通过管线运输到预定目的地(储存容器、氢涡轮、加燃料站等)。因此，在制氢级2的下游连接压缩组件3，以增加所制造的氢的压力，使其达到上述30巴至40巴的压力。
更具体地，所发明的是一种使用新型制氢装置1的独特压缩组件3对在制氢级2中通过电解制造的氢或由任何其他制氢系统供应的氢进行加压的新型方式。在所考虑的实施方案中，新型制氢装置1的独特压缩组件3理想地分成多个子级。在一个示例中，采用三个子级，其包括：较低压力子级4，用于在所讨论的实施方案中将氢压力从环境压力增加到大约6巴；中间压力子级5，用于将氢压力升高到大约24巴；和最终压力子级6，用于根据装置的设计要求将氢压力升高到大约30巴或更高。
更具体地，仍然参照图1的示意图，较低压力子级4(示意性地)包括压缩单元41，该压缩单元进而分别具有串联布置的两个桶式压缩机411和412。桶式压缩机是离心式压缩机，其包括轴、键连接在轴上的串联布置的一组叶轮、和具有典型的桶形形状的壳体。
在所示的示意性实施方案中，桶式压缩机411或412各自包括九个叶轮。在其他实施方案中，根据期望的氢压力增加量以及氢的流速，可为压缩单元41的每个桶式压缩机411或412提供不同数量的叶轮。特别地，考虑到氢需要高压缩比，桶式压缩机411或412通常各自具有不少于三个的桶式压缩机。
此外，在一些实施方案中，桶式压缩机411或412可由变速电动机或定速电动机(附图中未示出)驱动，以便更好地适应前一离心式压缩机的气体压力，如下文将更好地解释的。更具体地，变速电动机允许中间压力子级5在结构上类似于较低压力子级4，该中间压力子级包括压缩单元51，该压缩单元具有串联连接的两个桶式压缩机511和512。
在这种情况下，桶式压缩机511或512各自具有多达十个叶轮，然而根据压力压缩比，可安装具有不同数量叶轮的桶式压缩机511或512。
中间压力子级5的桶式压缩机511或512可由变速电动机或定速电动机(附图中未示出)驱动，以便更好地适应前一离心式压缩机的气体压力，如下文更好地解释的。
根据要压缩的氢的流速，较低压力子级4和中间压力子级5可分别包括多于一个的压缩单元41或51。
最终压力子级6将氢的温度增加到所期望的压力。最终压力子级6包括中间冷却的整体齿轮传动离心式压缩机类型的压缩单元61，在所讨论的情况中，压缩单元包括四个叶轮612，当然，这四个叶轮由中心大齿轮611机械地驱动。这种布局的实施方式在高速3D叶轮、相对较低的成本(与传统压缩机相比)以及更高的效率方面具有优势。事实证明，与传统压缩机相比，该实施方式在占用空间方面也特别小。
最终压力子级6的氢输出具有所要求的压力且不含湿部分，使得气体可以被立即安置。
现在参照图2，示出了根据第二实施方案的制氢装置1的布局的更具体的设计，其在结构和功能上类似于第一实施方案。
更具体地，图1的制氢装置1包括：制氢级2，由该制氢级通过水电解制造环境压力的氢；以及压缩组件3。
与第一实施方案类似，制氢级2通过电解操作。
在这种情况下，压缩组件3也包括较低压力子级4、中间压力子级5和最终压力子级6。较低压力子级4包括第一冷凝器43，该第一冷凝器与制氢级2连接，用于冷凝来自制氢级2的电解器的氢的湿组分的一部分。
较低压力子级4还包括第一压缩单元41，该第一压缩单元与第一冷凝器43的下游连接。参照图3，示出了较低压力子级4的第一压缩单元41的布局。第一压缩单元41包括：第一桶式压缩机411；第一齿轮箱413，该第一齿轮箱与第一桶式压缩机411的驱动轴414连接；第二桶式压缩机412；第二齿轮箱415，该第二齿轮箱与第二桶式压缩机412的驱动轴416连接；以及驱动电动机417，该驱动电动机与第一齿轮箱413和第二齿轮箱415可操作地连接以操作桶式压缩机411和412。根据所需压缩性能设定各齿轮箱413、415的传动比。
此外，可实施任何种类的齿轮箱，比如周转齿轮箱或行星齿轮箱、蜗杆齿轮箱、螺旋齿轮箱、锥齿轮箱。
可根据期望的压缩比来确定合适的齿轮箱传动比。此外，压缩组件3的总压缩比根据具体的设计需要分布在每个压缩级中。
驱动电动机417是变速电动机，以便根据入口气体流速更好地适应较低压力子级4的压缩比。
在其他实施方案中，驱动电动机417可具有固定速度，从而节省系统的总成本。
此外，第一桶式压缩机411可配备有入口导流叶片-IGV(附图中未示出)，以调节进入离心式压缩机的气流和压力。
较低压力子级4还包括：第一热交换器44，该第一热交换器可以是任何类型，用于通过对氢进行中间冷却来降低温度并可能冷凝氢的湿物；第二冷凝器45，该第二冷凝器连接在第一热交换器44的下游；以及第二压缩单元42，该第二压缩单元与第二冷凝器45连接。本实施方案中的第二压缩单元42与第一压缩单元41相同。
最后，较低压力子级4包括第二热交换器46，该第二热交换器与第二压缩单元42连接。中间压力子级5包括第三冷凝器53和第四冷凝器54，该第三冷凝器和第四冷凝器与较低压力子级4的第二热交换器44串联连接，以减少氢气的湿气。
此外，中间压力子级5包括第一压缩单元51，该第一压缩单元从结构和功能的角度来看类似于较低压力子级4的压缩单元41。
中间压力子级5包括：热交换器55，该热交换器与第一压缩单元51连接；第五冷凝器56，该第五冷凝器与热交换器55连接；第二压缩单元52，该第二压缩单元与第五冷凝器56连接，从结构和功能的角度来看类似于第一压缩单元51；以及第六冷凝器57。
最终压力子级6包括：压缩单元61，该压缩单元与第六冷凝器57连接；以及热交换器63，用于降低氢的温度并冷凝其湿物。如上所述，压缩单元61是整体齿轮传动离心式压缩机类型，如图4所示。最终压力子级6的压缩单元61包括：大齿轮611；两个叶轮612，该两个叶轮与大齿轮611机械地连接；以及电驱动电动机613，该电驱动电动机与大齿轮611可操作地连接，以操作压缩相继作用来压缩氢的叶轮612。
这种布局对于增加氢的压力特别有用，因为它尺寸减小并且不需要水冷凝来降低压缩气体的温度。
在一些实施方案中，根据所要求的流速和性能，叶轮612可以是不同的数量。
制绿氢装置1如下操作。
当制氢级2产生氢电解时，气体处于环境温度并且是湿的。然后，氢进入较低压力子级4的第一冷凝器43以减少氢的湿气、然后借助于第一桶式压缩机411和第二桶式压缩机412由第一压缩单元41压缩，该第一桶式压缩机和第二桶式压缩机由电动机417和齿轮箱413和415适当驱动。
然后，压缩气体在由第二压缩单元42进一步压缩之前由第一热交换器44冷却并由冷凝器45处理，如上所述，该第二压缩单元在结构和功能上类似于第一压缩单元41。然后，进一步压缩的气体通过第二热交换器，之后到达中间压力子级5的第三冷凝器53和第四冷凝器54，以由第一压缩单元51进一步压缩。然后，气体通过热交换器55和第五冷凝器56，之后由第二压缩单元52压缩。
最后，气体通过冷凝器57，之后离开中间压力子级5，从而再次减少了气体的湿物。
氢进入最终压力子级6，并且特别地，氢由压缩单元61压缩，如上所述，压缩单元61是整体齿轮传动离心式压缩机类型、配备有两个叶轮612，叶轮由大齿轮611驱动、进而由电动机613驱动。整体齿轮传动离心式压缩单元61在每个叶轮之间具有中间冷却级，该中间冷却级能够降低气体的温度。
在离开制氢装置1之前，压力现在为大约30巴至40巴的压缩气体通过热交换器63，以便进一步减少氢的最终湿气。
此刻，高压氢可被运输，并且可用于制造氨或用于任何其他用途。
参照图5，示出了压缩氢气的方法7，该方法由制氢装置1执行。方法7包括获得71氢气的步骤，为了制造高压绿氢，该步骤通过由制氢级2进行电解来执行。
然后，方法7包括通过至少一个离心式压缩机(比如包括桶式压缩机411、412等的压缩单元41、42、51、52)压缩72氢的步骤。
最后，压缩氢气的方法7进一步包括通过至少一个整体齿轮传动离心式压缩机61压缩73氢的步骤。
所公开的解决方案的一个优点在于，能够增加制氢装置的可用性和可靠性。
另一个优点在于，与现有技术的制氢装置相比，用这种布局实现的制氢装置具有减小的占用空间。
根据本公开的压缩布局的额外优点在于，由于在压缩过程结束时的低体积流量，在最终压力子级中应用整体齿轮传动离心式压缩机非常适合该系统。
本公开的另一个优点是，相对于使用往复式压缩机的标准方案，其提供了用于H2压缩的紧凑方案。此外，平均维护间隔时间(MTBM)显著减少，从而降低了运营支出(OPEX)。
虽然已经依据各种特定实施方案描述了本发明的各方面，但对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，在不脱离本权利要求的实质和范围的情况下，多种修改、变化和省略是可能的。此外，除非本文另外指明，否则任何过程或方法步骤的顺序或序列可根据另选的实施方案改变或重新排序。
已详细参考本公开的实施方案，其一个或多个示例在附图中示出。通过解释本公开而非限制本公开来提供每个示例。事实上，对于本领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可对本公开进行各种修改和变型。本说明书通篇对“一个实施方案”或“实施方案”或“一些实施方案”的提及意指结合实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施方案中。因此，在整篇说明书的多处出现的短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”或“在一些实施方案中”不一定是指相同的实施方案。此外，在一个或多个实施方案中，特定特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。
当介绍各个实施方案的要素时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”旨在意指存在要素中的一个或多个要素。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在是包括性的，并且意指除列出要素外还可以存在附加要素。
Barzanò和Zanardo Roma S.p.A.
Claims (19)
1.一种用于压缩诸如氢等气体的气体压缩组件，所述气体压缩组件包括：
至少一个压缩单元，所述至少一个压缩单元具有至少一个桶式压缩机；和
至少一个整体齿轮传动离心式压缩机类型的压缩单元。
2.根据权利要求1所述的气体压缩组件，所述气体压缩组件包括：
较低压力子级，所述较低压力子级具有至少一个压缩单元；
中间压力子级，所述中间压力子级具有至少一个压缩单元(41,42)；和
最终压力子级，所述最终压力子级具有至少一个整体齿轮传动离心式压缩机类型的压缩单元。
3.根据权利要求2所述的气体压缩组件，其中所述压缩单元包括：
第一桶式压缩机；
所述第一桶式压缩机的驱动轴，所述驱动轴与所述第一桶式压缩机连接；
第一齿轮箱，所述第一齿轮箱与所述第一桶式压缩机的所述驱动轴连接；
第二桶式压缩机；
所述第二桶式压缩机的驱动轴，所述驱动轴与所述第二桶式压缩机连接；
第二齿轮箱，所述第二齿轮箱与所述第二桶式压缩机的所述驱动轴连接；和
驱动电动机，所述驱动电动机与所述第一齿轮箱和所述第二齿轮箱可操作地连接，以操作所述第一桶式压缩机和所述第二桶式压缩机。
4.根据权利要求3所述的气体压缩组件，其中所述压缩单元的所述驱动电动机是变速电动机或定速电动机。
5.根据权利要求4所述的气体压缩组件，其中所述至少一个压缩单元包括：
大齿轮；
两个或更多个叶轮，所述两个或更多个叶轮与所述大齿轮机械地连接；和
电驱动电动机，所述电驱动电动机与所述大齿轮可操作地连接，以操作所述叶轮；
其中所述叶轮相继作用来压缩所述氢。
6.根据权利要求2所述的气体压缩组件，其中所述较低压力子级包括：
第一压缩单元和第二压缩单元；
第一冷凝器，所述第一冷凝器与所述第一压缩单元连接；
第一热交换器，所述第一热交换器用于通过中间冷却降低温度，并且最终冷凝所述氢的湿部分；
第二冷凝器，所述第二冷凝器连接在所述第一热交换器的下游，介于所述第一热交换器和所述第二压缩单元之间；和
第二热交换器，所述第二热交换器连接在所述第二压缩单元的下游。
7.根据权利要求6所述的气体压缩组件，其中所述中间压力子级包括：
第一压缩单元和第二压缩单元；
第三冷凝器和第四冷凝器，所述第三冷凝器和所述第四冷凝器串联连接在所述较低压力子级的所述第二热交换器和所述中间压力子级的所述第一压缩单元之间，其中所述第三冷凝器和所述第四冷凝器能够减少所述氢气的所述湿物；
热交换器，所述热交换器连接在所述中间压力子级的所述第一压缩单元的下游；
第五冷凝器，所述第五冷凝器连接在所述中间压力子级的所述热交换器和所述第二压缩单元之间；和
第六冷凝器，所述第六冷凝器连接在所述中间压力子级的所述第二压缩单元的下游。
8.根据权利要求7所述的气体压缩组件，其中所述最终压力子级包括：
中间冷却的整体齿轮传动离心式压缩机类型的压缩单元，所述压缩单元与所述中间压力子级的所述第二压缩单元的所述第六冷凝器连接；和
热交换器，所述热交换器用于降低所述氢的温度并且冷凝所述湿物。
9.一种制氢装置，所述制氢装置包括：
制氢级，所述制氢级被配置为制造氢；和
压缩组件，所述压缩组件与所述制氢级连接，用于增加所述氢的压力，所述压缩组件包括
至少一个压缩单元，所述至少一个压缩单元具有至少一个桶式压缩机，和
至少一个整体齿轮传动离心式压缩机类型的压缩单元。
10.根据权利要求9所述的制氢装置，所述制氢装置包括：
较低压力子级，所述较低压力子级具有至少一个压缩单元；
中间压力子级，所述中间压力子级具有至少一个压缩单元；和
最终压力子级，所述最终压力子级包括至少一个整体齿轮传动离心式压缩机类型的压缩单元。
11.根据权利要求10所述的制氢装置，其中所述压缩单元包括：
第一桶式压缩机；
所述第一桶式压缩机的驱动轴，所述驱动轴与所述第一桶式压缩机连接；
第一齿轮箱，所述第一齿轮箱与所述第一桶式压缩机的所述驱动轴连接；
第二桶式压缩机；
所述第二桶式压缩机的驱动轴，所述驱动轴与所述第二桶式压缩机连接；
第二齿轮箱，所述第二齿轮箱与所述第二桶式压缩机的所述驱动轴连接；和
驱动电动机，所述驱动电动机与所述第一齿轮箱和所述第二齿轮箱可操作地连接，以操作所述第一桶式压缩机和所述第二桶式压缩机。
12.根据权利要求11所述的制氢装置，其中所述压缩单元的所述驱动电动机是变速电动机或定速电动机。
13.根据权利要求12所述的制氢装置，其中所述至少一个压缩单元包括：
大齿轮；
两个或更多个叶轮，所述两个或更多个叶轮与所述大齿轮机械地连接；和
电驱动电动机，所述电驱动电动机与所述大齿轮可操作地连接，以操作所述叶轮；
其中所述叶轮相继作用来压缩氢。
14.根据权利要求10所述的制氢装置，其中所述较低压力子级包括：
第一压缩单元和第二压缩单元；
第一冷凝器，所述第一冷凝器用于冷凝所接收到的气体的湿组分的一部分，作为所述第一压缩单元的输入连接；
第一热交换器，所述第一热交换器用于降低温度并且冷凝所述氢的所述湿部分；
第二冷凝器，所述第二冷凝器连接在所述第一热交换器的下游，介于所述第一热交换器和所述第二压缩单元之间；和
第二热交换器，所述第二热交换器连接在所述第二压缩单元的下游。
15.根据权利要求14所述的制氢装置，其中所述中间压力子级包括：
第一压缩单元和第二压缩单元；
第三冷凝器和第四冷凝器，所述第三冷凝器和所述第四冷凝器串联连接在所述较低压力子级的所述第二热交换器和所述中间压力子级的所述第一压缩单元之间，其中所述第三冷凝器和所述第四冷凝器能够减少所述氢气的所述湿物；
热交换器，所述热交换器连接在所述中间压力子级的所述第一压缩单元的下游；
第五冷凝器，所述第五冷凝器连接在所述中间压力子级的所述热交换器和所述第二压缩单元之间；和
第六冷凝器，所述第六冷凝器连接在所述中间压力子级的所述第二压缩单元的下游。
16.根据权利要求15所述的制氢装置，其中所述最终压力子级包括：
整体齿轮传动离心式压缩机类型的压缩单元，所述压缩单元与所述中间压力子级的所述第二压缩单元的所述第六冷凝器连接；和
热交换器，所述热交换器用于降低所述氢的温度并且冷凝所述湿物。
17.根据权利要求9所述的制氢装置，其中所述制氢级基于水电解。
18.一种压缩氢气的方法，所述方法包括以下步骤：
获得氢气；
通过至少一个离心式压缩机压缩所述氢；
通过至少一个整体齿轮传动离心式压缩机压缩所述氢。
19.根据权利要求18所述的方法，其中获得氢气的步骤是通过电解执行的。
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