本实用新型涉及氢气液化领域，具体涉及一种使用氢气为原料生产液氢的装置。
背景技术：
氢作为可从多种途径获取的理想能源载体。氢能是公认的清洁能源，作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。氢能的储运是氢能应用的关键，液氢以其体积能量密度高的优点，将成为大规模运输氢的主要形式。
氢气经过压缩之后，深冷到～-250℃以下使之变为液氢，常压下液氢的密度为气态氢的845倍，液氢的质量密度和体积密度较高。将液氢存储到特制的绝热真空容器中放在卡车、机车、船舶或者飞机上运输。这样既能满足较大输氢量，又比较快速、经济的将液氢运送到目的地。
氢气的液化温度很低，所以只有将氢气预冷却到一定温度以下，再节流膨胀才能产生冷效应。这一特性对氢气的液化过程会产生一定的困难。现有生产液氢工艺有三种液化循环，即节流氢液化循环、带膨胀机的氢液化循环和氦制冷氢液化循环。氦制冷氢液化循环是采用氦作为制冷工质，由氦制冷循环提供氢冷凝液化所需的冷量，该液化循环消除了处理高压氢的危险，运转安全可靠，但目前的氦制冷系统流程设备复杂、运行不稳定、能耗高，且不易进行日常维护。
技术实现要素：
本实用新型针对现有技术中存在的问题，提供一种使用氢气为原料生产液氢的装置，本实用新型所采用的装置流程简单、运行稳定、维护方便、能耗低。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
本实用新型提供一种生产液氢的装置，其包括氢气压缩机、制冷工质压缩机、第一级～第四级换热器、一级膨胀机和二级膨胀机以及相应的连接管道，所述连接管道包括：
原料氢气管，用于将原料氢气输送至氢气压缩机；
增压氢气管，用于将氢气压缩机出口的增压氢气依次输送并通过第一级～第四级换热器；
冷却氢气管，用于将第四级换热器出口的冷却氢气经由膨胀降压装置后输送至后续容器；
液氮管，用于将液氮输送至第一级换热器以进行增压氢气的预冷；
增压制冷工质管，用于将制冷工质压缩机出口的增压制冷工质依次通过第一级～第三级换热器后输送至二级膨胀机；
循环制冷工质管，用于将二级膨胀机出口的循环制冷工质依次通过第四级～第一级换热器后输送至制冷工质压缩机；
其中，所述第二级换热器和第三级换热器之间的增压制冷工质管设置增压制冷工质旁路管，其用于将一部分增压制冷工质输送至一级膨胀机；一级膨胀机的出口设置循环制冷工质旁路管，其用于将膨胀制冷后的增压制冷工质汇合至第四级换热器出口的循环制冷工质管。
为了优化上述装置，本实用新型采取的技术措施还包括：
进一步地，所述后续容器为气液分离器，所述气液分离器的顶部设置未液化氢气管，所述气液分离器的底部设置液氢管，所述未液化氢气管连通至原料氢气管，所述液氢管连通至液氢贮槽。
或者，可选地，进一步地，所述后续容器为气液分离器，所述气液分离器的顶部设置未液化氢气管，所述气液分离器的底部设置液氢管；所述二级膨胀机与第四级换热器之间的循环制冷工质管上设置第五级换热器，所述未液化氢气管连通至第五级换热器以将未液化氢气进行液化并汇合至所述液氢管，所述液氢管连通至液氢贮槽。
进一步地，在第一级～第五级换热器中均填充催化剂，以在原料氢气被冷却的过程中同时进行正-仲氢的转化；或者，在第一级～第五级换热器的上游或下游均设置正-仲氢转化器，在各转化器中填充催化剂，以进行正-仲氢的转化；其中所述液氢产品中仲氢的含量为≥99wt％。
进一步地，所述膨胀降压装置为节流阀或氢液体膨胀机。
进一步地，所述第一级～第五级换热器、一级膨胀机、二级膨胀机、气液分离器以及膨胀降压装置均设置在保冷箱中。
进一步地，与所述保冷箱连通的管道均采用法兰连接，所述法兰与所述保冷箱的箱壁之间均设置密封件，所述密封件为橡胶板或玻璃胶。
进一步地，所述保冷箱均装填保冷材料，优选为珠光砂。
在本发明所述的生产液氢的装置中采用氢气作为原料，原料氢气经增压后，通过多级换热器与制冷工质进行热交换，以实现氢气的预冷和逐级冷却，冷却后的氢气经膨胀降压后获得液氢产品；其中，在各级换热器之间设置至少1个制冷工质的膨胀制冷过程，所述预冷介质为液氮，所述制冷工质选自氢气、氦气、氖氦混合气中的至少一种。所述液氮为常压液氮或负压液氮，优选为常压液氮。
各设备的工艺操作参数如下：氢气压缩机出口的增压氢气的压力为3.5～4.5MPa，制冷工质压缩机出口的增压制冷工质的压力为1.0～1.5MPa；一级预冷后的增压氢气及增压制冷工质的温度为78～82K，二级冷却后的增压氢气及增压制冷工质的温度为58～62K，三级冷却后的增压氢气及增压制冷工质的温度的28～34K，四级冷却后的增压氢气的温度为19～23K；一级膨胀机出口的增压制冷工质的温度为31～35K，二级膨胀机出口的循环制冷工质的温度为17～21K；增压氢气经过膨胀降压后有90～97vl％液化为液氢。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型采用液氮对原料氢气进行预冷，利用制冷工质的闭式制冷循环系统为原料氢气提供冷量，克服了氢气液化时高品位温度段需要氢气循环压缩机大量做功的缺点，氢气的冷凝主要是靠冷却后的氢气自身的膨胀降压提供冷量；
本实用新型采用膨胀机进行制冷工质的膨胀制冷，由此类膨胀机构成的氦制冷系统，运行平稳、可靠、效率高、能耗低，运行控制易于实现全自动化；本实用新型所述的生产液氢的方法该工艺实现了不同温度段，不同冷量的分配，降低了整个装置的能耗；
本实用新型在氢气的液化过程中，同时添加催化以进行正-仲氢转化，使得最终制备的液氢产品中仲氢的含量为≥99wt％，这有效保证了产品的品质及其储存稳定性；
本实用新型主要涉及氢气制冷系统和氦气制冷循环，两个系统相对独立，流程简单、操作性强；且本装置采用的动力设备较少，且动力设备的工作介质均为单一介质，便于设备的维护，减少设备故障。
附图说明
图1是本实用新型一实施例中的一种使用氢气为原料生产液氢的流程示意图；
图中的附图标记如下：
氢气压缩机101、制冷工质压缩机102、第一级换热器103、第二级换热器104、第三级换热器105、第四级换热器106、第五级换热器107、一级膨胀机108、二级膨胀机109、后续设备110、膨胀降压装置111、保冷箱112；
原料氢气管1、增压氢气管2、冷却氢气管3、液氮管4、增压制冷工质管5、循环制冷工质管6、增压制冷工质旁路管7、循环制冷工质旁路管8、未液化氢气管9、液氢管10。
具体实施方式
本实用新型提供一种生产液氢的方法，该方法采用氢气作为原料，原料氢气经增压后，通过多级换热器与制冷工质进行热交换，以实现氢气的预冷和逐级冷却，冷却后的氢气经膨胀降压后获得液氢产品；其中，在各级换热器之间设置至少1个制冷工质的膨胀制冷过程，所述预冷介质为液氮，所述制冷工质选自氢气、氦气、氖氦混合气中的至少一种，本实用新型还提供一种应用于上述方法中的生产液氢的的装置。
下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
实施例1
本实施例为一较佳形式的使用氢气为原料生产液氢的装置。
如图1所示，在该实施例中，采用的制冷工质为氦气。原料氢气通过原料氢气管1被输送至氢气压缩机101，其被压缩至4MPa后送至保冷箱112中；循环氦气通过循环制冷工质管6被输送至制冷工质压缩机102，其被压缩至1.3MPa后送至保冷箱112中。
在第一级换热器103中，氢气压缩机101出口的增压氢气和制冷工质压缩机102出口的增压氦气与来自液氮管4的常压液氮和来自第二级换热器104出口的循环低温氦气进行热交换，以实现增压氢气和增压氦气的一级预冷，两者均被预冷至约80K。液氮管4内的常压液氮复热到常温后送出保冷箱112。来自第二级换热器104出口的循环低温氦气被复热到常温后送至制冷工质压缩机102的入口。
在第二级换热器104中，一级预冷后的增压氢气和增压氦气被来自第三级换热器105出口的循环低温氦气进一步冷却(二级冷却)，二级冷却后的增压氢气和增压氦气温度约为60K。二级冷却后的增压氦气分为两路，其分流比例通过流量调节阀控制，其中一路经由增压制冷工质管5进入第三级换热器105，另一路通过增压制冷工质旁路管7进入一级膨胀机108进行膨胀制冷，膨胀后的氦气温度约为33K，膨胀后的氦气通过循环制冷工质旁路管8汇合至第四级换热器106出口的循环制冷工质管6中；
在第三级换热器105中，二级冷却后的增压氢气和增压氦气被来自第四级换热器106出口的循环低温氦气进一步冷却(三级冷却)，三级冷却后的增压氢气及增压氦气的温度的30K。冷却后的增压氦气通过增压制冷工质管5进入二级膨胀机109进行膨胀制冷，膨胀后的氦气温度约为19K，其作为循环制冷工质经由循环制冷工质管6连通至第五级换热器107；
在第四级换热器106中，三级冷却后的增压氢气被来自第五级换热器107出口的作为循环制冷工质的低温氦气进一步冷却(四级冷却)。冷却后的增压氢气的温度约为21K；
第四级换热器106出口的增压氢气经由冷却氢气管3上的膨胀降压装置111(即节流阀)膨胀减压后，增压氢气中大约有95vl％的氢气变为液氢，液化后的流体被送入气液分离器110，顶部引出的未液化的氢气通过未液化氢气管9进入第五级换热器107中，与二级膨胀机109出口的循环低温氦气进行换热，未液化氢气被冷却为液氢，与从气液分离器110底部的液氢管10引出的液氢汇合后作为产品送出保冷箱112并送至液氢贮槽。
低温循环氦气经过换热器107、106复热后，与一级膨胀机8出口的低温氦气汇合后，送入换热器105、104、103继续复热，直至常温。
在该实施例中，在换热器103～107的氢气换热通道内填充催化剂，使得原料氢在被冷却的过程中同时进行正-仲转化，从而保证最终产品中含有99wt％以上的仲氢。
在该实施例中，第一级～第五级换热器103～107、一级膨胀机108、二级膨胀机109、气液分离器110以及膨胀降压装置111均设置在保冷箱112中，与所述保冷箱112连通的管道均采用法兰连接，所述法兰与所述保冷箱112的箱壁之间均设置橡胶板，且在该保冷箱112中装填保冷材料珠光砂。
实施例2
本实施例为实施例1的替换实施例，其与实施例1的结构存在以下不同：图中未示出，在该实施例中，采用的制冷工质为氖氦混合气，采用的液氮为负压液氮。本实施例并不设置第五级换热器。三级冷却后的增压氢气进入第四级换热器，与来自二级膨胀机出口的循环制冷工质进行换热，四级冷却后的增压氢气经过氢液体膨胀机膨胀降压后进入气液分离器，气液分离器顶部出口的未液化氢气循环汇合至原料氢气，气液分离器底部出口的液氢作为产品送至液氢贮槽，以获得液氢产品。
在实施例中在各级换热器的上游或下游设置正-仲氢转化器，在各转化器中填充催化剂，以进行正-仲氢的转化，从而保证最终产品中含有99wt％以上的仲氢。
在本实施例中，氢气压缩机出口的增压氢气的压力为3.8MPa，制冷工质压缩机出口的增压制冷工质的压力为1.2MPa；一级预冷后的增压氢气及增压制冷工质的温度为78K，二级冷却后的增压氢气及增压制冷工质的温度为58K，三级冷却后的增压氢气及增压制冷工质的温度的28K，四级冷却后的增压氢气的温度为19K；一级膨胀机出口的增压制冷工质的温度为31K，二级膨胀机出口的循环制冷工质的温度为17K；增压氢气经过膨胀降压后有93vl％液化为液氢。
通过上述实施例可知，本实用新型采用常压液氮或者负压液氮将氢气预冷，氢液化采用氢制冷循环、氦制冷循环、或者以氖氦混合气为制冷工质的循环，末级膨胀采用节流阀膨胀或者是氢液体膨胀机，且本实用新型设置了膨胀机，用于制取～40K及～20K时的冷量；本实用新型在液化的过程中还设置了若干正-仲氢转化器，上述流程的设计克服了氢气液化时高品位温度段需要氢气循环压缩机大量做功的缺点，运行平稳、可靠、效率高、能耗低，运行控制易于实现全自动化，实现了不同温度段，不同冷量的分配，降低了整个装置的能耗；正-仲氢转化有效保证了产品的品质及其储存稳定性；且本装置采用的动力设备较少，且动力设备工作的介质均为单一介质，便于设备的维护，减少设备故障。
以上对本实用新型的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本实用新型并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本实用新型进行的等同修改和替代也都在本实用新型的范畴之中。因此，在不脱离本实用新型的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本实用新型的范围内。