模块化氢液化系统技术方案

本发明专利技术公开了一种模块化氢液化系统，包括：一个或多个并联设置的液化模块，液化模块的氢气入口与氢气气源连接，液化模块的产品出口与一个或者多个并联的液氢储罐相连；每个所述液化模块均为具有氢气冷却

【技术实现步骤摘要】
模块化氢液化系统


[0001]本专利技术属于低温工程装备
，具体涉及一种模块化氢液化系统
。

技术介绍

[0002]近年来，为了助力实现碳达峰
、
碳中和，深入推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳
、
安全高效的社会体系，氢能是当前能源问题和实现“双碳”战略目标的长期解决方案之一
。
氢能是一种来源丰富
、
绿色低碳
、
应用广泛的二次能源，同时也是规模巨大的重要化工原料
。
采用风能
、
太阳能等可再生能源生产的氢气，又称之为“绿氢”，是未来氢能的主要来源，可用于交通
、
民用以及电力生产储能领域，也有望在化工领域大规模使用，如替代焦炭作为还原剂等等
。
[0003]为了实现氢气在终端的合理价格，使其具有经济性，从而实现大规模市场推广，如何安全有效地储存和运输是关键的技术挑战
。
高压常温储氢是目前应用最为广泛
、
技术最为成熟的储氢技术，但是其储运密度低，全产业链成本高，根据当前的技术发展态势判断，其无法适应规模化，也难以实现经济性
。
基于材料的储氢技术，包括物理吸附
、
化学吸附以及有机物合成等，仍然处于较低的技术成熟度水平，且不具备规模化经济效应，也存在有全产业链能耗高
、
设备材料成本高
、
系统复杂
、
产品纯度等问题，因此也不具备规模化应用的可能性
。
低温液化氢气的储运方式得益于深冷
、
绝热及真空技术的日益成熟，更高的存储密度和更低的运行压力，减少了单位质量输运的能耗和空间成本，有望成为氢气长距离运输和大规模存储的有效方式，是能够实现终端氢气售价具有经济性的唯一技术路线
。
[0004]采用风能
、
太阳能等可再生能源生产氢气并液化，是未来绿氢生产的重要模式
。
然而，可再生能源发电的波动性，对其下游匹配的绿氢生产系统
(
水电解和氢液化系统
)
提出了特殊的要求：
[0005]1.
产能可调和快速启停：绿色液氢生产系统如果连续稳定生产，则必须配备足够装机容量的储能系统在电力低谷时为其供电，或者在电力低谷时直接利用来自电网的电能
。
但是，前者所需配备的储能系统成本高
(
目前仍然高于同等装机容量的绿氢生产系统
)、
占地大，极大地增加了固定资产投资，使得氢气成本增加；后者，电网电价远高于离网电价，造成运营成本陡增，且整个系统仍然对电网造成较大的波动冲击，无法通过氢气生产来消弭可再生能源波动性对电网的冲击
。
因此，绿氢生产系统
(
包括水电解和氢液化系统
)
需要有产能可调和快速启停的功能，选择合适的产能或开停机策略，来匹配波动的可再生能源系统，实现全离网的生产模式
。
[0006]2.
更低的固定资产投资：具有产能可调和快速启停功能的绿色液氢生产系统匹配可再生能源，其设备利用率也相应降低，使得绿色液氢生产系统的固定资产投资在氢气的成本组成中比例增加，成为影响氢气成本最为主要的因素
。
因此更低的绿色液氢生产系统的固定资产投资，是绿氢生产模式具有市场竞争力的必要条件
。
[0007]氢气的液化是绿氢产业链中最关键的环节，具有技术工艺复杂
、
能耗占比高
、
投资成本高的特点
。
过去的几十年，许多研究者都在研究如何提高氢液化的效率
。
提高氢液化的
效率可以有效地减小氢液化设备运营的成本，也能间接地降低设备投资成本
。
根据主制冷系统采用的工质以及热力学循环的不同，现有的商业化液化装置一般为采用氦气为工质的布雷顿循环制冷和采用氢气作为工质的改进克劳德循环制冷
。
前者一般用于产能低于5吨
/
天的中型液化系统，后者一般用于大于5吨
/
天的大型液化系统
。
[0008]传统的氢液化系统一般都包括预冷系统
、
主制冷系统
、
液化系统
、
低温换热器组
。
预冷系统一般采用较为成熟的工艺实现
70
～
120K
左右的制冷，为主制冷系统和液化系统提供预冷
。
主制冷系统设置压缩机和膨胀机，并通过低温换热器组与液化系统中的氢气进行换热，对氢气制冷，使其最终形成液氢产品
。
其中，压缩机用于对制冷工质压缩行程高压，为主制冷系统的循环管路提供高压工质，膨胀机用于将高压工质膨胀制冷，为液化系统提供冷量
。
低温换热器组中，配备多个正仲氢反应器
(
既可采用等温连续反应器，也可以采用绝热分步反应器
)
，以将氢气催化为当前换热器温度下的平衡态氢气
。
由氢气气源提供的原料氢气依次通过多级换热器内的正仲氢反应器，最后以液态的形式进入液氢储罐并由产品出口流出
。
[0009]传统的氢液化技术显然无法满足离网可再生能源绿色液氢生产所需的两个条件：
[0010]传统氢液化技术采用大型的压缩机
、
透平膨胀机以及换热器，降温过程中流量较小，透平膨胀机远偏离正常工况，循环流量较小，对应制冷量也较小，因此其启动
(
降温
)
和关停需要很长的时间
(
一般需要6～
18
小时
)
；而为了保护压缩机
、
膨胀机等动设备，启停流程非常繁复
。
采用变频压缩机，或者选择关停数台并联压缩机中的几台，可以一定程度上调节氢液化系统的产能，但是调节范围比较有限，且单位能效下降明显
。
[0011]传统氢液化装置的核心部件，如压缩机
、
换热器
、
透平膨胀机等，均是数量少的大型定制部件，供货周期和价格均居高不下
。
作为典型的化工工程项目，设备和工程均需定制设计，项目从合同谈判
、
方案设计
、
工程土建到最后的调试运行，需要漫长的项目工程周期
(24
～
36
个月
)
，非标产品和定制化的工程也必然造成高昂的固定资产投资
。

技术实现思路

[0012]本专利技术从离网可再生能源绿色液氢生产模式的需求出发，提出了一种具有产能可调
、
快速启停功能，设备固定资产投资低，且能够快速投产的模块化氢液化系统
。
为此，本专利技术采用以下技术方案：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种模块化氢液化系统，其特征在于，包括：一个或多个并联设置的液化模块，液化模块的氢气入口与氢气气源连接，液化模块的产品出口与一个或多个并联的液氢储罐相连；每个所述液化模块均为具有氢气冷却
、
液化并完成正仲氢转化，且能够独立启停的集成结构
。2.
根据权利要求1所述的模块化氢液化系统，其特征在于，所述液化模块包括：对氢气进行预冷冷却的预冷单元；对预冷后氢气进行低温液化和正仲氢转化的低温液化转换单元；对低温液化转换后的氢进行降压的膨胀单元，膨胀单元的出口与所述液氢储罐相连；对低温液化转换单元提供制冷压缩功的压缩单元
。3.
根据权利要求2所述的模块化氢液化系统，其特征在于，所述预冷单元包括：预冷换热器；对预冷换热器提供冷源的预冷冷源；依次与预冷换热器氢气流道相连的纯化器和预冷级正仲氢反应器
。4.
根据权利要求3所述的模块化氢液化系统，其特征在于，所述预冷冷源由如下预冷循环系统提供：将预冷工质压缩至高压的透平压缩机；驱动透平压缩机工作的驱动电机；对透平压缩机输出的高压气体进行冷却的水冷器；对预冷换热器的预冷工质入流流道输出的工质进行膨胀制冷的低温透平膨胀机；所述预冷换热器内设有氢气流道
、
预冷工质入流流道
、
预冷工质回流流道；其中预冷工质入流流道的入口与所述水冷器出口相连，预冷工质入流流道的出口与低温透平膨胀机入口相连，预冷工质回流流道入口与低温透平膨胀机的出口相连，预冷工质回流流道出口与透平压缩机入口相连
。5.
根据权利要求4所述的模块化氢液化系统，其特征在于，所述述透平压缩机通过连接在其与低温透平膨胀机之间的连接轴回收低温透平膨胀机产生的膨胀功
。6.
根据权利要求2所述的模块化氢液化系统，其特征在于，所述液化模块还包括真空绝热冷箱和绝热辐射屏，该绝热辐射屏与预冷单元热连接；所述膨胀单元
、
低温液化转换单元的最低温部分设置在所述绝热辐射屏中；所述绝热辐射屏
、
预冷单元的低温部分
、
低温液化转换单元的低温...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴英哲，钱轶，姜伟，
申请(专利权)人：上海司氢科技有限公司，
类型：发明
国别省市：