一种氢气液化的装置的制作方法

本实用新型涉及液化氢气生产领域，特别涉及一种氢气液化的装置。

背景技术：

氢气被认为是人类的未来能源，作为二次能源，氢气的开发和利用一直是科学技术领域的热点和难点，其中之一便是氢气的存储和运输。

氢气本身具有密度小，体积能量密度低的特点，开发有效的存储方式增加氢的体积能量密度和存储密度是目前存储技术的主要研究方向。相对于氢气，液氢的密度增加700倍，大幅提高了氢的体积能量密度和存储密度，便于运输和利用，因而氢气液化成为了氢气应用的重要选项。氢气液化循环的主要方式有3种：(1)预冷型Linde-Hampson系统；该系统简单，但能耗高。(2)预冷型Claude系统；该系统能耗大幅降低，适用于大规模的液氢生产。(3)氦制冷系统；该系统包括氢气的液化和氦制冷两部分，系统较为复杂，目前仅在实验室规模的得到应用。总而言之，氢气液化过程的关键在于能耗的高低和系统的复杂性，目前各种氢气液化工艺各有缺点，要使得氢气液化产业的有更大发展，需要研发新的工艺和系统。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了克服现有技术的不足、合理降低氢气液化过程的能耗和优化液化系统的结构。从而，本实用新型提出了一种新型的氢气液化的装置，该装置通过两级预冷系统增加了液化过程的温度梯度以降低能耗，通过高、低温系统的独立设置简化了系统结构以降低投资。

本实用新型所提出的一种氢气液化的装置，是由高温系统、中温系统和低温系统共同组成的三级冷却系统。

高温系统以高温换热器为核心，还包括原料氢压缩机、高温吸附器、低温吸附器、中温正仲氢转化器、预冷机系统、液氮储罐、氮气压缩机系统、循环氢压缩机、循环氢吸附器及其附属阀门和管道；原料氢气进气管线依次连接原料气压缩机、高温吸附器和高温换热器的原料氢入口；高温换热器的原料氢出口与低温吸附器、中温正仲氢转化器依次相连；高温换热器的净化氢入口与中温正仲氢转化器的出口连接、净化氢出口与中温换热器的净化氢入口连接；高温换热器的预冷入口与预冷机系统的出口连接、预冷出口与预冷机系统的入口连接；高温换热器的液氮入口与液氮储罐连接、液氮出口依次连接氮气压缩机系统和氮气管线；高温换热器的第一循环氢入口与循环氢压缩机连接、第二循环氢入口和第三循环氢入口分别于中温换热器的第一循环氢出口和第二循环氢出口连接；高温换热器的第一循环氢出口和第二循环氢出口分别于循环氢压缩机的第一入口和第二入口连接；高温换热器的第三循环氢出口与循环氢吸附器的入口连接；循环氢吸附器的出口与中温换热器的第一循环氢入口连接。

中温系统以中温换热器为核心，还包括高压循环膨胀机、中压循环膨胀机及其附属阀门和管道；中温换热器的净化氢出口与低温换热器的净化氢入口连接；中温换热器的第二循环氢入口与高压循环膨胀机的出口连接、第三循环氢出口与高压循环膨胀机的入口连接；中温换热器的第三循环氢入口与中压循环膨胀机的出口连接、第四循环氢出口与中压循环膨胀机的入口连接；高压循环膨胀机的第四循环氢入口与低温换热器的第一循环氢出口连接。

低温系统以低温换热器为核心，还包括低温正仲氢转化器、节流阀、减压阀及其附属管道；中温换热器的第一循环氢入口通过节流阀与中温换热器的第五循环氢出口连接；中温换热器的第二循环氢出口和第二循环氢入口分别与低温正仲氢转化器的入口和出口连接；低温换热器的液氢出口通过减压阀与液氢储罐和液氢产品管线依次连接。

高温换热器以冷箱形式设计，外壳和换热芯体之间填充保温材料。中温换热器、低温换热器整体由两重真空系统保冷，将两者放置于带夹套的壳体中，壳体内部和外部夹套内均保持全真空状态，并通过管线与真空系统连接。

氢气液化时，不同系统提供不同能级的冷量。在高温系统中，原料氢气经原料氢压缩机加压至2000kPaG后进入高温吸附器初步净化，之后进入高温换热器冷却至-193℃，再经低温吸附器深度净化、中温正仲氢转化器转化后返回高温换热器，再次冷却至-193℃后送入中温换热器，这一过程由预冷机系统、液氮储罐、循环氢压缩机共同提供冷量。中温系统中，来自高温换热器的-193℃的氢气继续被冷却至-245℃，此过程中冷量由高压循环膨胀机和中压循环膨胀机提供。低温系统中，来自中温换热器的-245℃的氢气将被冷却至-253口℃，之后经减压阀减压后送至液氢储罐得到产品液氢，此过程中冷量由来自中温换热器循环氢经节流阀节流提供。

本实用新型的优点和积极作用在于：

(1)该系统将氢气液化系统以-193℃为界限区分为高温系统和中低温系统，并为两系统设置独立的保冷设施，优化了液氢生产装置的结构，节省了投资。

(2)高温系统内增设了预冷机系统，与液氮系统一起形成两级预冷，优化的氢气液化的能量梯级，节约了能耗。

附图说明

图1为本实用新型的工艺流程示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本实用新型做详细地说明

实施例1

本实施例的具体工艺流程请参见图1。

一种氢气液化的装置，由高温系统、中温系统和低温系统共同组成。

高温系统以高温换热器为核心，还包括原料氢压缩机、高温吸附器、低温吸附器、中温正仲氢转化器、预冷机系统、液氮储罐、氮气压缩机系统、循环氢压缩机、循环氢吸附器及其附属阀门和管道；原料氢气进气管线依次连接原料气压缩机、高温吸附器和高温换热器的原料氢入口；高温换热器的原料氢出口与低温吸附器、中温正仲氢转化器依次相连；高温换热器的净化氢入口与中温正仲氢转化器的出口连接、净化氢出口与中温换热器的净化氢入口连接；高温换热器的预冷入口与预冷机系统的出口连接、预冷出口与预冷机系统的入口连接；高温换热器的液氮入口与液氮储罐连接、液氮出口依次连接氮气压缩机系统和氮气管线；高温换热器的第一循环氢入口与循环氢压缩机连接、第二循环氢入口和第三循环氢入口分别于中温换热器的第一循环氢出口和第二循环氢出口连接；高温换热器的第一循环氢出口和第二循环氢出口分别于循环氢压缩机的第一入口和第二入口连接；高温换热器的第三循环氢出口与循环氢吸附器的入口连接；循环氢吸附器的出口与中温换热器的第一循环氢入口连接。

中温系统以中温换热器为核心，还包括高压循环膨胀机、中压循环膨胀机及其附属阀门和管道；中温换热器的净化氢出口与低温换热器的净化氢入口连接；中温换热器的第二循环氢入口与高压循环膨胀机的出口连接、第三循环氢出口与高压循环膨胀机的入口连接；中温换热器的第三循环氢入口与中压循环膨胀机的出口连接、第四循环氢出口与中压循环膨胀机的入口连接；高压循环膨胀机的第四循环氢入口与低温换热器的第一循环氢出口连接。

低温系统以低温换热器为核心，还包括低温正仲氢转化器、节流阀、减压阀及其附属管道；中温换热器的第一循环氢入口通过节流阀与中温换热器的第五循环氢出口连接；中温换热器的第二循环氢出口和第二循环氢入口分别与低温正仲氢转化器的入口和出口连接；低温换热器的液氢出口通过减压阀与液氢储罐和液氢产品管线依次连接。

高温换热器以冷箱形式设计，外壳和换热芯体之间填充保温材料。中温换热器、低温换热器整体由两重真空系统保冷，将两者放置于带夹套的壳体中，壳体内部和外部夹套内均保持全真空状态，并通过管线与真空系统连接。

氢气液化时，不同系统提供不同能级的冷量。在高温系统中，原料氢气经原料氢压缩机加压至2000kPaG后进入高温吸附器初步净化，之后进入高温换热器冷却至-193℃，再经低温吸附器深度净化、中温正仲氢转化器转化后返回高温换热器，再次冷却至-193℃后送入中温换热器。这一过程由预冷机系统、液氮储罐、循环氢压缩机共同提供冷量。其中，预冷机系统选用丙烷作为介质，预冷机系统出口压力为1400kPaG，丙烷全凝，预冷机系统入口压力为50kPaG，温度为-30℃；液氮储罐出口压力为10kPaG，介质为饱和液体，氮气压缩机系统入口压力为5kPaG，温度为25℃；循环氢压缩机的出口压力为2000～3000kPaG、第一入口压力为0～10kPaG、第二入口压力为150～250kPaG；高温换热器第二循环氢入口和第三循环氢的循环氢温度均为-194℃。

中温系统中，来自高温换热器的-193℃的氢气继续被冷却至-245℃，此过程中冷量由高压循环膨胀机和中压循环膨胀机提供。其中，高压循环膨胀机入口压力为1900～2900kPaG、出口压力为1000～2000kPaG、出口温度为-220～-210℃；中压循环膨胀压缩机入口压力为980～1980kPaG、出口压力为200～300kPaG、出口温度为-250～-240℃。

低温系统中，来自中温换热器的-245℃的氢气将被冷却至-253℃，之后经减压阀减压至常压后送至液氢储罐得到产品液氢，此过程中冷量由来自中温换热器循环氢经节流阀节流提供，节流阀前的循环氢压力为1800～2800kPaG，节流阀后的压力为15～40kPaG、温度为-256～-245℃。