一种氢气液化系统及其方法与流程

1.本发明实施例涉及气体液化技术领域，特别涉及一种氢气液化系统及其方法。


背景技术：

2.氢能的利用可以解决可持续性、污染排放和能源安全问题。近年来，氢能源被广泛应用于国防、航空航天、大科学工程研究、低温超导、电子芯片、能源化工、冶金及能源运输领域。然而，由于氢能源的储存和运输问题，使得氢能源的商业化应用成本居高不下。液化氢(lh2)的能量密度几乎是200bar的压缩氢的4.5倍，如果将大量氢能从偏远地区运输到城市的加氢站，液态的储存和运输方式就变得特别有吸引力。因此，氢气液化技术是实现将氢气转化为液氢的关键。
3.然而，由于氢气的沸点极低，因此在氢气液化的过程中，氢气中的氧气杂质会变为固氧，且固氧容易累积在节流阀入口或管道的内表面，极易引起固氧爆炸。
4.因此，目前亟待需要一种氢气液化系统来降低固氧爆炸的风险。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供了一种氢气液化系统及其方法，该系统设备简单，能够有效地降低固氧爆炸的风险。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种氢气液化系统，包括：
7.氢气供给单元，用于提供待液化氢气，所述氢气供给单元包括第一管路和设置于所述第一管路上的过滤器；
8.换热单元，与所述第一管路连接，用于将所述待液化氢气进行降温液化，所述换热单元包括依次连接的第一换热器和第二换热器，所述第一换热器用于将所述待液化氢气降温至预设温度，所述过滤器设置于所述第一换热器与所述第二换热器之间；其中，在所述预设温度下，所述待液化氢气中的氧气变为固氧；
9.制冷剂供给单元，与所述换热单元连接，用于向所述换热单元提供制冷剂，以利用所述制冷剂对所述待液化氢气进行降温；
10.吹扫单元，与所述第一管路连接，用于向所述过滤器提供高纯氢气，以对所述过滤器进行吹扫；
11.泄放单元，与所述第一管路连接，用于对所述过滤器进行气体泄放。
12.在一种可能的设计中，所述氢气供给单元还包括第一节流阀；
13.所述第一节流阀设置于所述过滤器和所述第二换热器之间的所述第一管路上。
14.在一种可能的设计中，所述氢气供给单元还包括设置于所述第一管路上的第一阀门、第二节流阀、至少一个第一吸附器和至少一个正仲氢转化器；
15.所述第一阀门设置于所述第一管路的入口端，所述第二节流阀设置于所述第一管路的出口端。
16.在一种可能的设计中，所述吹扫单元包括吹扫管路和设置于所述吹扫管路上的吹
扫阀门；
17.所述吹扫管路的一端连接于所述第二节流阀的入口一侧的所述第一管路上。
18.在一种可能的设计中，所述泄放单元包括泄放管路和设置于所述泄放管路上的泄放阀门；
19.所述泄放管路的一端连接于所述第一换热器和所述过滤器之间的所述第一管路上。
20.在一种可能的设计中，还包括复温单元，与所述制冷剂供给单元连接，用于向所述换热单元提供复温介质。
21.在一种可能的设计中，所述制冷剂供给单元包括增压装置、第二管路、第三管路和设置于所述第二管路上的制冷装置；
22.所述增压装置的出口与所述第二管路连接，所述增压装置的入口与所述第三管路连接；
23.所述制冷剂流经所述第二管路与所述换热单元换热后，进入所述第三管路，所述制冷剂流经所述第三管路与所述换热单元再次换热后返回所述增压装置的入口。
24.在一种可能的设计中，所述复温单元包括复温管路和设置于所述复温管路上的第一复温阀门；
25.所述复温管路的一端连接于所述第二换热器的入口一侧的所述第三管路上。
26.在一种可能的设计中，所述复温管路的另一端连接于所述增压装置的出口一侧的所述第二管路上。
27.第二方面，本发明实施例还提供了一种氢气液化方法，包括：
28.利用所述氢气供给单元提供待液化氢气，所述氢气供给单元包括第一管路和设置于所述第一管路上的过滤器；
29.利用所述换热单元将所述待液化氢气进行降温液化，所述换热单元包括依次连接的第一换热器和第二换热器，所述第一换热器用于将所述待液化氢气降温至预设温度，所述过滤器设置于所述第一换热器与所述第二换热器之间；其中，在所述预设温度下，所述待液化氢气中的氧气变为固氧；
30.利用所述制冷剂供给单元向所述换热单元提供制冷剂，以利用所述制冷剂对所述待液化氢气进行降温；
31.利用所述吹扫单元向所述过滤器提供高纯氢气，以对所述过滤器进行吹扫；
32.利用所述泄放单元对所述过滤器进行气体泄放。
33.本技术提供了一种氢气液化系统及其方法，该系统中，换热单元包括依次连接的第一换热器和第二换热器，其中，第一换热器用于将待液化氢气降温至预设温度，在该预设温度下待液化氢气中的氧气变为固氧，因此，通过在第一换热器和第二换热器之间的第一管道上设置过滤器，可以防止固氧在下游管道、阀门或设备中累积，降低氢气液化系统固氧爆炸的风险；通过设置吹扫单元和泄放单元，当过滤器拦截的固氧含量超标时，使用吹扫单元和泄放单元排除过滤器拦截的氧杂质，使过滤器重新具备过滤能力。整个系统未增加复杂的设备，系统简单，且能够有效地降低氢气液化系统固氧爆炸的风险。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1是本发明实施例提供的一种氢气液化系统的系统示意图；
36.图2是本发明实施例提供的一种氢气液化方法的流程示意图。
37.附图标记：
38.1-氢气供给单元；
39.10-正仲氢转化器；
40.11-第一管路；
41.12-过滤器；
42.13-第一节流阀；
43.14-第二节流阀；
44.15-第一阀门；
45.16-第一吸附器；
46.17-温度变送器；
47.18-第一压力变送器；
48.19-第二压力变送器；
49.2-换热单元；
50.21-第一换热器；
51.22-第二换热器；
52.23-第三换热器；
53.24-第四换热器；
54.25-第五换热器；
55.26-第六换热器；
56.3-制冷剂供给单元；
57.31-压缩机；
58.32-第二管路；
59.33-第三管路；
60.34-第一膨胀机；
61.35-第二膨胀机；
62.36-第二吸附器；
63.37-第二阀门；
64.38-油分离装置；
65.4-吹扫单元；
66.41-吹扫管路；
67.42-吹扫阀门；
68.5-泄放单元；
69.51-泄放管路；
70.52-泄放阀门；
71.6-复温单元；
72.61-复温管路；
73.62-第一复温阀门；
74.63-第二复温阀门；
75.7-预冷剂供给单元；
76.71-第一储罐；
77.72-第四管路；
78.8-第二储罐。
具体实施方式
79.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
80.为了降低固氧爆炸的风险，已有部分研究人员对氢液化系统进行了改进，例如增加液氢洗涤装置、用氮气调整固氧比例以及降低氢气进入氢液化系统前的含氧量(即提高入口氢气纯度)等。这些方法虽然能一定程度的降低固氧爆炸的风险，但同时也增加了系统的复杂程度，使得系统能耗及投资成本大幅增高。
81.针对上述问题，发明人提出了一种新的氢气液化系统，该系统不需要增加复杂的设备即可大幅降低固氧爆炸的风险。
82.如图1所示，本发明实施例提供了一种氢气液化系统，该系统包括：
83.氢气供给单元1，用于提供待液化氢气，该氢气供给单元1包括第一管路11和设置于该第一管路11上的过滤器12；
84.换热单元2，与第一管路11连接，用于将待液化氢气进行降温液化，该换热单元2包括依次连接的第一换热器21和第二换热器22，第一换热器21用于将待液化氢气降温至预设温度，过滤器12设置于第一换热器21与第二换热器22之间；其中，在预设温度下，待液化氢气中的氧气变为固氧；
85.制冷剂供给单元3，与换热单元2连接，用于向换热单元2提供制冷剂，以利用制冷剂对待液化氢气进行降温；
86.吹扫单元4，与第一管路11连接，用于向过滤器12提供高纯氢气，以对过滤器12进行吹扫；
87.泄放单元5，与第一管路11连接，用于对过滤器12进行气体泄放。
88.本实施例换热单元2包括依次连接的第一换热器21和第二换热器22，其中，第一换热器21用于将待液化氢气降温至预设温度，在该预设温度下待液化氢气中的氧气变为固氧，因此，通过在第一换热器21和第二换热器22之间的第一管道上设置过滤器12，可以防止固氧在下游管道、阀门或设备中累积，降低氢气液化系统固氧爆炸的风险；通过设置吹扫单元和泄放单元，当过滤器12拦截的固氧含量超标时，使用吹扫单元4和泄放单元5排除过滤
器12拦截的氧杂质，使过滤器12重新具备过滤能力。该实施例未增加复杂的设备，系统简单，且能够有效地降低氢气液化系统固氧爆炸的风险。
89.需要说明的是，在该实施例中，预设温度可以是28～35k，在该温度下，待液化氢气中的大部分氧气变为固氧，若不及时将固氧滤除，则固氧会进入第一换热器21的下游液化系统，因此，将过滤器12设置于第一换热器21的出口，滤除固氧的效果最好。另外，吹扫单元4提供的高纯氢气优选为纯度高于99.999％的氢气，该纯度的氢气容易制备、成本较低且满足使用需求(不会引入杂质而影响待液化氢气的纯度)，当然，用户也可以选择其它纯度的氢气，本技术并不以此为限。
90.另外，在一些实施方式中，需要采用多个换热器对氢气逐级降温，因此，换热单元2还可以包括依次连接的第三换热器23、第四换热器24、第五换热器25和第六换热器26，如此可以提高换热效率，节约能源。当然，用户可以根据需要设置更多或更少的换热器，本技术不对换热器的个数和形式做具体限定。
91.在一些实施方式中，过滤器12的进口管路上设置有温度变送器17和第一压力变送器18，过滤器12的出口管路上设置有第二压力变送器19。通过温度变送器17可以监测过滤器12的入口氢气的温度；通过第二压力变送器19和第一压力变送器18的压力差判断过滤器12是否饱和，若压力差大于设定值，则需要停车对过滤器12进行吹扫和泄放，以使过滤器12重新具备过滤固氧的能力；当然，还可以在第一管道上设置取样口，通过该取样口对氢气进行取样，从而分析氢气中的含氧量，当含氧量超过设定值时，则停车、复温后对过滤器12进行吹扫和泄放。
92.在一些实施方式中，氢气供给单元1还包括第一节流阀13，第一节流阀13设置于过滤器12和第二换热器22之间的第一管路11上。前面提到，在预设温度下，待液化氢气中的大部分氧气变为固氧，但还有一部分氧气未固化，而设置第一节流阀13后，当待液化氢气在流经第一节流阀13时会发生流量以及压力突变，从而使剩余氧气凝结为固氧微晶，并容易累积在第一节流阀13上，从而避免固氧进入下游液化系统。
93.需要说明的是，过滤器12和第一节流阀13的安装位置只是一种优选方式，在其它实施方式中，过滤器12和第一节流阀13也可以安装在第二换热器22的出口，或者将第一节流阀13安装在过滤器12的入口一侧的管道上。另外，设置一个过滤器12和一个第一节流阀13是一种优选方式，用户也可以根据需要设置多个，本技术不对过滤器12和第一节流阀13的安装位置和数量做具体限定。
94.在一些实施方式中，氢气供给单元1还包括设置于第一管路11上的第二节流阀14、第一阀门15、至少一个第一吸附器16和至少一个正仲氢转化器10；第一阀门15设置于第一管路11的入口端，第二节流阀14设置于第一管路11的出口端。
95.在该实施例中，第二节流阀14主要用于调节待液化氢气的流量、压力和温度。第一阀门15用于控制待液化氢气的通断，打开第一阀门15，即可以向氢气供给单元1提供待液化氢气，关闭阀门后，则停止向氢气供给单元1提供待液化氢气。第一吸附器16用于吸附待液化氢气中的固体杂质，第一吸附器16可以包括两台，当一台工作时，另一台进行再生，以保证液化系统的连续运行。正仲氢转化器10用于将液氢中的正氢转化为仲氢，另外，正仲氢转化器10可以选用绝热正仲氢转化器、等温正仲氢转化器或连续正仲氢转化器，本技术不对正仲氢转化器10的类型和数量做具体限定。
96.在一些实施方式中，可以使第一节流阀13的压降大于第二节流阀14的压降，例如当待液化氢气的压力为1.5～2.5mpa时，第一节流阀13的出口压力可控制在0.4～0.6mpa，第二节流阀14的出口压力可控制在0.12～0.16mpa，如此对于相同的待液化氢气流量，第一节流阀13的阀芯直径比第二节流阀14的阀芯直径小，从而可以进一步保证未被过滤器12拦截的固氧累积在第一节流阀13的进口处，而不会累积在第二节流阀14的进口处，以避免紧急停车时，第二节流阀14关闭引起固氧爆炸。
97.在一些实施方式中，吹扫单元4包括吹扫管路41和设置于吹扫管路41上的吹扫阀门42；吹扫管路41的一端连接于第二节流阀14的入口一侧的第一管路11上。
98.在另一些实施方式中，泄放单元5包括泄放管路51和设置于泄放管路51上的泄放阀门52；泄放管路51的一端连接于第一换热器21和过滤器12之间的第一管路11上。
99.在上述两个实施例中，当检测到过滤器12的进出口压降超过设定值，或取样分析发现第一节流阀13入口的过冷液氢中的氧含量已达到设定值，则立即停车并复温，复温后保持泄放阀门52关闭，打开吹扫阀门42，通入高纯氢气，吹扫一段时间之后打开泄放阀门52、关闭吹扫阀门42，对吹扫过程产生的含氧废气进行泄放，经过多次吹扫置换或充放置换后，即可完全吹出过滤器12和第一节流阀13中累积的固氧，然后关闭泄放阀门52和吹扫阀门42，重新开启液化系统。
100.目前，现有的氢气液化系统中，当需要停车复温时，通常的方法是自然复温或者向氢气供给单元1中直接通入氢气。其中，自然复温需要的复温时间较长，而向氢气供给单元1中直接通入氢气，在氢气流通的过程中容易对累积的固氧直接冲刷产生静电，进而引起爆炸。
101.因此，在一些实施方式中，液化系统还包括复温单元6，与制冷剂供给单元3连接，用于向换热单元2提供复温介质。在该实施例中，复温介质与低温氢气通过换热器间接换热，间接换热不仅能够降低复温时间，还可以避免换热介质与累积的固氧直接冲刷产生静电，降低爆炸的风险。此外，通过复温能够使累积的固氧熔化为氧气，有助于提高富氧氢气的吹除效率。在该实施例中，复温温度可以取55～65k，本技术不对复温温度做具体限定，只要能使累积的固氧变为氧气即可。
102.在一些实施方式中，制冷剂供给单元3包括增压装置、第二管路32、第三管路33和设置于第二管路32上的制冷装置；增压装置的出口与第二管路32连接，增压装置的入口与第三管路33连接；制冷剂流经第二管路32与换热单元2换热后，进入第三管路33，制冷剂流经第三管路33与换热单元2再次换热后返回增压装置的入口。
103.在该实施例中，制冷剂可以是氢气、氦气、氖气等单一气体中的一种，也可以是上述气体的混合气体，本技术不对制冷剂的介质种类做具体限定。增压装置用于对制冷剂进行加压以获得高压制冷剂，例如增压装置可以是压缩机31，可以是无油压缩机或喷油压缩机；制冷装置用于对制冷剂进行制冷，以获得低温制冷剂。例如制冷装置可以是透平膨胀机，包括第一膨胀机34和第二膨胀机35，通过对制冷剂进行膨胀制冷获得低温制冷剂，低温制冷剂流经第二管路32与换热单元2进行换热后，进入第三管路33与换热单元2再次换热后重新返回压缩机31，以实现制冷剂的循环利用，本技术不对增压装置和制冷装置的类型和数量做具体限定。
104.在一些实施方式中，制冷剂供给单元3还可以包括至少一个第二吸附器36和第二
阀门37。第二吸附器36用于吸附低温制冷剂中的固体杂质，第二阀门37用于控制制冷剂的通断。此外，当上述压缩机31为喷油压缩机时，制冷剂供给单元3还包括油分离装置38，用于去除压缩机31引入的油污。
105.在一些实施方式中，复温单元6包括复温管路61和设置于复温管路61上的第一复温阀门62；复温管路61的一端连接于第二换热器22的入口一侧的第三管路33上。工作时，打开第一复温阀门62，可以使复温气体流入第三管路33，在第三管路33中通过换热器与低温的氢气换热，使富氧氢气的温度升高至固氧熔化温度以上，以使固氧溶解。
106.在一些实施方式中，复温气体优选制冷剂供给单元3中的制冷剂，因此，可以将复温管路61的另一端连接于增压装置的出口一侧的第二管路32上。也就是说，复温气体取自压缩机31的出口，常温的制冷剂经压缩机31加压后，不进入第二管路32进行降温，而是直接进入第三管路33对氢气供给单元1进行复温，如此系统简单且不引入新的杂质。当然，这只是一种优选方式，在其它实施方式中，复温气体也可以来自其它气体储罐或引自其它系统，本技术不对复温气体的种类、来源、温度、压力和纯度做具体限定。
107.在一些实施方式中，复温管路61上还可以包括第二复温阀门63，第二复温阀门63设置于复温管路61靠近压缩机31的出口的一端，当不需要复温时，关闭此阀门，以防止高压制冷剂流入复温管路61。
108.在一些实施方式中，氢气液化系统还可以包括预冷剂供给单元7，用于至少向第三换热器23和第四换热器24提供预冷剂，预冷剂供给单元7包括第一储罐71和第四管路72，第一储罐71用于储存预冷剂，预冷剂从第一储罐71流出后进入第四管路72，然后依次流经第四换热器24和第三换热器23对从压缩机31流出的高压氦气进行降温冷却。在该实施例中，预冷剂可以是液氮或其它的低温介质，本技术不做具体限定。
109.在一些实施方式中，氢气液化系统还可以包括第二储罐8，用处存储液氢。
110.需要说明的是，该系统中涉及的阀门可以是电动阀、气动阀、液动阀或手动阀，本技术不对阀门的形式做具体限定。第一吸附器16和第二吸附器36的进出口管路上可以设置压力变送器，根据压力变送器的压差值，判断是否需要将工作状态的吸附器切换至再生状态。
111.此外，图1示出的液化系统仅实现了保证氢气液化系统安全运行的部分设备，除此之外，该系统还可以包括其它正常工作需要的阀门、管道、温度表以及压力表等设备，在此，本技术不再一一赘述。
112.如图2所示，本发明实施例提供了一种氢气液化方法，该方法包括：
113.步骤100，利用氢气供给单元1提供待液化氢气，氢气供给单元1包括第一管路11和设置于第一管路11上的过滤器12；
114.步骤102，利用换热单元2将待液化氢气进行降温液化，换热单元2包括依次连接的第一换热器21和第二换热器22，第一换热器21用于将待液化氢气降温至预设温度，过滤器12设置于第一换热器21与第二换热器22之间；其中，在预设温度下，待液化氢气中的氧气变为固氧；
115.步骤104，利用制冷剂供给单元3向换热单元2提供制冷剂，以利用制冷剂对待液化氢气进行降温；
116.步骤106，利用吹扫单元4向过滤器12提供高纯氢气，以对过滤器12进行吹扫；
117.步骤108，利用泄放单元5对过滤器12进行气体泄放。
118.下面对过滤器12和第一节流阀13的再生过程进行详细说明：
119.步骤a，停车，关闭第一阀门15和第二节流阀14，使系统不再通入待处理氢气；
120.步骤b，复温，关闭第二阀门37，打开第一复温阀门62和第二复温阀门63，使高压制冷剂经复温管路61流入第三管路33，高压制冷剂通过换热单元2中的各个换热器加热低温氢气，观察温度变送器17的温度值，当温度升高至复温温度(例如55～65k)时，关闭第一复温阀门62和第二复温阀门63，停止复温，此时系统中的固氧已经熔化为氧气。
121.步骤c，置换，打开泄放阀门52，将富氧氢气排放至安全系统，当系统压力降至微正压(如1.5bar)后，打开吹扫阀门42，向第一管路11通入常温的高纯氢气，反向吹扫过滤器12和第一节流阀13，并置换含富氧的氢气。置换过程可以采用吹扫置换或充放置换，直至氢气侧氧含量低于检测值，关闭泄放阀门52和吹扫阀门42，停止置换。
122.步骤d，开车，打开第一阀门15、第二节流阀14和第二阀门37，对系统进行调试和降温，待一切正常后，即可恢复正常工作。
123.需要说明的是，在步骤b中，当温度升高至复温温度时则停止复温，是因为在该温度下，固氧已经熔化为氧气，若继续升温，会增加能耗，而且当置换完成并重新开车时，还需要更多的能耗对系统进行降温，造成能耗的二次浪费。因此，步骤b将复温温度设置为55k～65k，在保证顺利排出氧气杂质的同时，能够降低系统复温以及再次开车时的能耗。
124.可以理解的是，本实施例提供的氢气液化方法和上述实施例提供的氢气液化系统具有相同的有益效果，在此不进行赘述。
125.综上分析，本发明实施例至少具有如下有益效果：
126.1、通过在第一换热器21和第二换热器22之间的第一管道11上设置过滤器12，可以防止固氧在下游管道、阀门或设备中累积，当过滤器12拦截的固氧含量超标时，使用吹扫单元4和泄放单元5对过滤器12中的固氧杂质进行吹除，可以使过滤器12重新具备过滤能力，整个系统未增加复杂的设备，系统简单，且能够有效地降低固氧爆炸的风险。
127.2、通过设置第一节流阀13，可以使未被过滤器12拦截的固氧累积在第一节流阀13的进口处，而不会累积在第二节流阀14的进口处，以避免紧急停车时，第二节流阀14关闭引起固氧爆炸。
128.3、通过设置复温单元6，使复温介质与低温氢气通过换热器间接换热，不仅能够降低复温时间，还可以降低爆炸的风险。
129.4、通过将复温温度设置为55～65k，在保证顺利排出富氧氢气的同时，能够降低系统复温以及再次开车降温时的能耗。
130.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
…”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。
131.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管
参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。