一种采用复叠制冷和分离式连续转化器的氢液化系统技术方案

本发明专利技术公开了一种采用复叠制冷和分离式连续转化器的氢液化系统，属于制冷与低温工程技术领域。该系统包括常压预冷冷箱、真空深冷冷箱、低温吸附器、压缩机组和膨胀机组，预冷段采用丙烯/二氧化碳复叠制冷辅助氮循环制冷，深冷段采用改进的双压氢循环制冷，原料氢气经多级换热器降温和末端节流阀节流后实现液化。上述系统真空深冷冷箱中板翅式换热器的产品氢气通道中填充正仲氢转化催化剂并与主换热器分离，实现液氢产品中仲氢含量不低于98％，每天能生产液化氢气13～25吨，系统比能耗不超过9.5kWh/kg液氢。该氢液化系统能耗低，预冷冷箱和深冷冷箱采用不同的设计方案，连续转化器与主换热器分离，降低了运行成本、设备造价以及维修成本。及维修成本。及维修成本。

【技术实现步骤摘要】
一种采用复叠制冷和分离式连续转化器的氢液化系统


[0001]本专利技术属于制冷与低温工程
，具体涉及一种采用复叠制冷和分离式连续转化器的氢液化系统。

技术介绍

[0002]由于化石能源被大量地开采和利用，由此引发的二氧化碳大量排放已成为当今全球所面临的最紧迫的环境问题。为实现“碳达峰、碳中和”的目标任务，绿色清洁能源的开发利用是未来重要的研究方向。
[0003]氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，在改善能源结构、推动能源革命和实现节能减排中发挥不可或缺的作用。
[0004]液态氢的密度远大于气态氢，因此相同体积下液态氢具有更高的能量存储密度。在氢能源储存和长距离运输中液态氢具有重大经济优势，是未来氢能源大规模应用的重要解决方案。然而，氢液化过程的高能耗和低效率制约了其产业化的发展。因此，亟需提供一种能够提高氢液化效率、降低设备能耗的氢液化系统。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决现有技术中氢液化过程中高耗能、低效率的问题，并提供一种采用复叠制冷和分离式连续转化器的氢液化系统。
[0006]本专利技术所采用的具体技术方案如下：
[0007]本专利技术提供一种采用复叠制冷和分离式连续转化器的氢液化系统，包括压缩机组、预冷冷箱、深冷冷箱、换热器组、膨胀机组、冷箱外低温吸附器、气液分离罐组和液氢储罐；该系统的具体结构如下：
[0008]外界原料氢与第一管道的进口连接，第一管道的出口与原料氢压缩机组的进口连接；原料氢压缩机组的出口设置有第一氢制冷通道和第二管道两条支路；第二管道与一级换热器的第一热侧进口连接，一级换热器的第一热侧出口通过第三管道与原料氢低温吸附器的进口连接。原料氢低温吸附器的出口通过第四管道与二级换热器的第一热侧进口连接。二级换热器的第一热侧出口通过第五管道与冷箱内低温吸附器进口连接。冷箱内低温吸附器的出口通过第六管道与一级等温转化器的管程进口连接。一级等温转化器的管程出口通过第七管道与一级连续转化器的热侧进口连接。一级连续转化器的热侧出口通过第八管道与二级连续转化器的热侧进口连接。二级连续转化器的热侧出口通过第九管道与五级换热器的第一热侧进口连接。五级换热器的第一热侧出口通过第十管道与二级等温转化器的管程进口连接。二级等温转化器的管程出口通过第十一管道与喷射器进口连接。喷射器出口通过第十二管道与六级换热器的热侧进口连接。六级换热器的热侧出口依次通过第十三管道和第十四管道与产品氢气液分离罐连接。产品氢气液分离罐底部连接液氢储罐。
[0009]该氢液化系统的预冷段采用丙烯循环制冷和二氧化碳循环制冷进行复叠制冷辅助氮循环预冷；深冷段采用改进的双压氢循环制冷，其中一级连续转化器与三级换热器分
离，二级连续转化器与四级换热器分离，构成分离式连续转化器。
[0010]进一步的，上述氮循环预冷具体结构如下：中压氮压缩机组的出口通过第一氮通道与氮
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丙烯换热器的氮气进口连接。氮
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丙烯换热器的氮气出口与第二氮通道的进口连接，第二氮通道的出口设置有第三氮通道和第四氮通道两条支路。
[0011]第三氮通道的出口与二级换热器的第二氮气进口连接，并在二级换热器分为两条支路，一条支路依次通过二级换热器的第二氮气出口、第九氮通道和第十氮通道与氮气液分离罐连接。另一条支路通过第七氮通道进入中压氮膨胀机组。氮气液分离罐的液氮出口与第十二氮通道进口连接，第十二氮通道的出口设置有第十三氮通道和第十五氮通道两条支路。所述第十三氮通道的出口和第十五氮通道的出口分别与一级等温转化器中的壳程进口和冷箱内低温吸附器中的液氮进口连接。中压氮膨胀机组的出口与第八氮通道进口连接。
[0012]所述一级等温转化器中的壳程出口和冷箱内低温吸附器中的氮气出口分别连接第十四氮通道和第十六氮通道的进口。第十四氮通道的出口、第十六氮通道的出口、第八氮通道的出口以及从氮气液分离罐氮气出口接出的第十一氮通道汇聚至第十七氮通道。第十七氮通道的出口连接二级换热器的第一氮气进口，二级换热器的第一氮气出口通过第十九氮通道与一级换热器的氮气进口连接。一级换热器的氮气出口与第二十一氮通道的进口连接。
[0013]第四氮通道的出口与高压氮膨胀机组的进口连接，高压氮膨胀机组的出口通过第五氮通道与二级换热器连接，随后通过第六氮通道连接至低压氮压缩机组和中压氮压缩机组之间管道。
[0014]第八氮通道的出口上还设有一条第十八氮通道，第十八氮通道的出口连接第二换热器后通过第二十氮通道接出。通过第二十氮通道和第二十一氮通道汇聚至第二十二氮通道后依次连接低压氮压缩机组和中压氮压缩机组，构成氮循环预冷。
[0015]更进一步的，上述复叠制冷具体结构如下：
[0016]所述复叠制冷包括丙烯循环制冷和二氧化碳循环制冷。所述二氧化碳循环制冷由二氧化碳压缩机组、二氧化碳膨胀机组和丙烯
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二氧化碳换热器构成循环。所述丙烯
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二氧化碳换热器接收二氧化碳循环制冷提供的冷量。所述丙烯循环制冷由丙烯
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二氧化碳换热器、氮
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丙烯换热器、丙烯压缩机组和丙烯节流阀构成循环。所述氮
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丙烯换热器接收丙烯循环制冷提供的冷量，为所述氮循环预冷提供冷量。
[0017]更进一步的，上述改进的双压氢循环制冷具体结构如下：
[0018]第一氢制冷通道与中压氢压缩机组的进口连接，中压氢压缩机组的出口通过第二氢制冷通道与一级换热器的第二热侧进口连接。一级换热器的第二热侧出口通过第三氢制冷通道与循环氢低温吸附器的进口连接。所述循环氢低温吸附器的出口通过第四氢制冷通道与二级换热器的第二热侧进口连接。二级换热器的第二热侧出口与第五氢制冷通道的进口连接，第五氢制冷通道的出口连接第六氢制冷通道和第七氢制冷通道的进口。所述第六氢制冷通道的出口与三级换热器的热侧进口连接，三级换热器的热侧出口通过第九氢制冷通道与四级换热器的热侧进口连接。四级换热器的热侧出口与第十氢制冷通道的进口连接，第十氢制冷通道的出口连接第十一氢制冷通道和第十二氢制冷通道。第十一氢制冷通道的出口与五级换热器的第二热侧进口连接，五级换热器的第二热侧出口依次经过第十四
氢制冷通道、高压节流阀节流降温后进入第十五氢制冷通道，第十五氢制冷通道的出口与中压气液分离罐的进口连接。所述中压气液分离罐的气相出口与第十六氢制冷通道的进口连接。所述中压气液分离罐的底部液相出口分别设置第十七氢制冷通道和第十八氢制冷通道，其中第十七氢制冷通道与二级等温转化器的壳程进口连接，二级等温转化器的壳程出口与第二十四氢制冷通道的进口连接。中压气液分离罐的底部出口依次通过第十八氢制冷通道、中压节流阀节流降温后进入第十九氢制冷通道，随后与低压气液分离罐的进口连接。低压气液分离罐的液相出口通过第二十一氢制冷通道与三级连续转化器的冷侧进口连接，三级连续转化器的冷侧出口与第二十二氢制冷通道的进口连接。低压气液分离罐的气相出口与第二十氢制冷通道的进口连接，第二十氢制冷通道的出口和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用复叠制冷和分离式连续转化器的氢液化系统，其特征在于，系统包括压缩机组、预冷冷箱、深冷冷箱、换热器组、膨胀机组、冷箱外低温吸附器、气液分离罐组和液氢储罐；该系统的具体结构如下：外界原料氢与第一管道(H1)的进口连接，第一管道(H1)的出口与原料氢压缩机组(C1)的进口连接；原料氢压缩机组(C1)的出口设置有第一氢制冷通道(A1)和第二管道(H2)两条支路；第二管道(H2)与一级换热器(HE1)的第一热侧进口连接，一级换热器(HE1)的第一热侧出口通过第三管道(H3)与原料氢低温吸附器(S2)的进口连接；原料氢低温吸附器(S2)的出口通过第四管道(H4)与二级换热器的第一热侧进口连接；二级换热器的第一热侧出口通过第五管道(H5)与冷箱内低温吸附器(S3)进口连接；冷箱内低温吸附器(S3)的出口通过第六管道(H6)与一级等温转化器(R1)的管程进口连接；一级等温转化器(R1)的管程出口通过第七管道(H7)与一级连续转化器(HE3
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2)的热侧进口连接；一级连续转化器(HE3
‑
2)的热侧出口通过第八管道(H8)与二级连续转化器(HE4
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2)的热侧进口连接；二级连续转化器(HE4
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2)的热侧出口通过第九管道(H9)与五级换热器(HE5)的第一热侧进口连接；五级换热器(HE5)的第一热侧出口通过第十管道(HE10)与二级等温转化器(R2)的管程进口连接；二级等温转化器(R2)的管程出口通过第十一管道(H11)与喷射器(J)进口连接；喷射器(J)出口通过第十二管道(H12)与六级换热器(HE6)的热侧进口连接；六级换热器(HE6)的热侧出口依次通过第十三管道(H13)和第十四管道(H14)与产品氢气液分离罐(D4)连接；产品氢气液分离罐(D4)底部连接液氢储罐；该氢液化系统的预冷段采用丙烯循环制冷和二氧化碳循环制冷进行复叠制冷辅助氮循环预冷；深冷段采用改进的双压氢循环制冷，其中一级连续转化器(HE3
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2)与三级换热器(HE3)分离，二级连续转化器(HE4
‑
2)与四级换热器(HE4)分离，构成分离式连续转化器。2.根据权利要求1所述的氢液化系统，其特征在于，所述氮循环预冷具体结构如下：中压氮压缩机组(C5)的出口通过第一氮通道(N1)与氮
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丙烯换热器(HE7)的氮气进口连接；氮
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丙烯换热器(HE7)的氮气出口与第二氮通道(N2)的进口连接，第二氮通道(N2)的出口设置有第三氮通道(N3)和第四氮通道(N4)两条支路；第三氮通道(N3)的出口与二级换热器(HE2)的第二氮气进口连接，并在二级换热器(HE2)分为两条支路，一条支路依次通过二级换热器(HE2)的第二氮气出口、第九氮通道(N9)和第十氮通道(N10)与氮气液分离罐(D1)连接；另一条支路通过第七氮通道(N7)进入中压氮膨胀机组(E4)；氮气液分离罐(D1)的液氮出口与第十二氮通道(N12)进口连接，第十二氮通道(N12)的出口设置有第十三氮通道(N13)和第十五氮通道(N15)两条支路；所述第十三氮通道(N13)的出口和第十五氮通道(N15)的出口分别与一级等温转化器(R1)中的壳程进口和冷箱内低温吸附器(S3)中的液氮进口连接；中压氮膨胀机组(E4)的出口与第八氮通道(N8)进口连接；所述一级等温转化器(R1)中的壳程出口和冷箱内低温吸附器(S3)中的氮气出口分别连接第十四氮通道(N14)和第十六氮通道(N16)的进口；第十四氮通道(N14)的出口、第十六氮通道(N16)的出口、第八氮通道(N8)的出口以及从氮气液分离罐(D1)氮气出口接出的第十一氮通道(N11)汇聚至第十七氮通道(N17)；第十七氮通道(N17)的出口连接二级换热器(HE2)的第一氮气进口，二级换热器(HE2)的第一氮气出口通过第十九氮通道(N19)与一级换热器(HE1)的氮气进口连接；一级换热器(HE1)的氮气出口与第二十一氮通道(N21)的进
口连接；第四氮通道(N4)的出口与高压氮膨胀机组(E3)的进口连接，高压氮膨胀机组(E3)的出口通过第五氮通道(N5)与二级换热器(HE2)连接，随后通过第六氮通道(N6)连接至低压氮压缩机组(C4)和中压氮压缩机组(C5)之间管道；第八氮通道(N8)的出口上还设有一条第十八氮通道(N18)，第十八氮通道(N18)的出口连接第二换热器(HE2)后通过第二十氮通道(N20)接出；通过第二十氮通道(N20)和第二十一氮通道(N21)汇聚至第二十二氮通道(N22)后依次连接低压氮压缩机组(C4)和中压氮压缩机组(C5)，构成氮循环预冷。3.根据权利要求2所述的氢液化系统，其特征在于，所述复叠制冷具体结构如下：所述复叠制冷包括丙烯循环制冷和二氧化碳循环制冷；所述二氧化碳循环制冷由二氧化碳压缩机组(C7)、二氧化碳膨胀机组(E5)和丙烯
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二氧化碳换热器(HE8)构成循环；所述丙烯
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二氧化碳换热器(HE8)接收二氧化碳循环制冷提供的冷量；所述丙烯循环制冷由丙烯
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二氧化碳换热器(HE8)、氮
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丙烯换热器(HE7)、丙烯压缩机组(C6)和丙烯节流阀(V5)构成循环；所述氮
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丙烯换热器(HE7)接收丙烯循环制冷提供的冷量，为所述氮循环预冷提供冷量。4.根据权利要求3所述的氢液化系统，其特征在于，所述双压氢循环制冷具体结构如下：第一氢制冷通道(A1)与中压氢压缩机组(C3)的进口连接，中压氢压缩机组(C3)的出口通过第二氢制冷通道(A2)与一级换热器(HE1)的第二热侧进口连接；一级换热器(HE1)的第二热侧出口通过第三氢制冷通道(A3)与循环氢低温吸附器(S1)的进口连接；所述循环氢低温吸附器(S1)的出口通过第四氢制冷通道(A4)与二级换热器(HE2)的第二热侧进口连接；二级换热器(HE2)的第二热侧出口与第五氢制冷通道(A5)的进口连接，第五氢制冷通道(A5)的出口连接第六氢制冷通道(A6)和第七氢制冷通道(A7)的进口；所述第六氢制冷通道(A6)的出口与三级换热器(HE3
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1)的热侧进口连接，三级换热器(HE3
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1)的热侧出口通过第九氢制冷通道(A9)与四级换热器(HE4
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1)的热...

【专利技术属性】
技术研发人员：高章成，李传明，苟文广，陈环琴，章有虎，
申请(专利权)人：杭州中泰深冷技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：