煤基液氢用主低温换热器、陆上煤炭制氢储运系统及方法

本发明属于陆上煤炭气化制氢储运，尤其涉及一种煤基液氢用主低温换热器、陆上煤炭制氢储运系统及方法。

背景技术：

1、随着煤炭气化制氢技术的发展，利用地下水与煤炭制备氢气，并通过氢液化分离技术送到氢能源市场，为煤炭低碳清洁的发展提供了可行的思路。

2、发明人发现，目前缺少陆上煤基氢气高效液化储运工艺与方法，尤其是在预冷和深冷阶段中利用的煤基液氢用主低温换热器紧凑性较差，制冷剂制冷后存留的大量冷能被浪费，影响换热器的整体换热效果；并且，现有技术中通过增加换热器内管道的长度来保证整体换热效果，管道等长度的增加，导致整个换热器的尺寸过大，增加了整个制氢储运系统的占地面积，增加了成本。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述问题，提出了一种煤基液氢用主低温换热器、陆上煤炭制氢储运系统及方法，能够实现制冷剂冷能的利用最大化，避免了制冷后大量冷能被浪费的问题，在不增加换热器体积的基础上，提高了换热效果。

2、为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种煤基液氢用主低温换热器，采用如下技术方案：

3、一种煤基液氢用主低温换热器，包括壳体，所述壳体的两端分别设置有制冷剂壳侧入口和制冷剂壳侧出口，所述制冷剂壳侧入口通过均布器与所述壳体连通；

4、所述壳体靠近所述制冷剂壳侧出口一端的侧壁上，开设有第一入口和第二入口；所述壳体靠近所述制冷剂壳侧入口一端的侧壁上，开设有第一出口和第二出口；所述第一入口和所述第二入口之间，以及所述第一出口和所述第二出口之间分别通过螺旋管连接；

5、预冷阶段，所述第一入口和所述第二入口分别为制冷剂管侧入口和煤基氢入口，螺旋管内的制冷剂与所述均布器喷洒出的制冷剂进行换热；深冷阶段，所述第一入口和所述第二入口分别为富仲氢入口和富正氢入口。

6、进一步的，预冷阶段，所述第二入口和所述第二出口之间的螺旋管内设置有预冷正仲氢转化催化剂。

7、进一步的，深冷阶段，所述第一入口和所述第一出口之间的螺旋管内设置有深冷富仲氢用催化剂，所述第二入口和所述第二出口之间的螺旋管内设置有深冷富正氢用催化剂。

8、进一步的，所述壳体内设置有中心柱，两个螺旋管绕所述中心柱设置。

9、进一步的，预冷阶段，所述第一出口连接有分离器；所述分离器包括与所述第一出口连接的第一分离器，以及与所述第一分离器连接的第二分离器。

10、进一步的，所述制冷剂包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、氮气和氢气。

11、进一步的，深冷阶段，所述第一出口连接有第一液氢储罐，所述第二出口连接有第二液氢储罐。

12、为了实现上述目的，第二方面，本发明还提供了一种煤基液氢用主低温换热器使用方法，采用如下技术方案：

13、一种煤基液氢用主低温换热器使用方法，使用了如第一方面中所述的煤基液氢用主低温换热器，包括：

14、预冷阶段，所述第一入口和所述第二入口分别为制冷剂管侧入口和煤基氢入口，螺旋管内的煤基氢和制冷剂与所述均布器喷洒出的制冷剂进行换热；深冷阶段，所述第一入口和所述第二入口分别为富仲氢入口和富正氢入口，螺旋管内的富仲氢和富正氢与壳体空腔内的制冷剂进行换热。

15、为了实现上述目的，第三方面，本发明还提供了一种陆上煤炭气化制氢储运系统，采用如下技术方案：

16、一种陆上煤炭气化制氢储运系统，包括相互连接的陆上煤汽化系统、预冷液化与正仲氢转化系统以及深冷液化与正仲氢转化系统；所述预冷液化与正仲氢转化系统以及所述深冷液化与正仲氢转化系统中的换热器，采用如第一方面中所述的煤基液氢用主低温换热器。

17、为了实现上述目的，第四方面，本发明还提供了一种陆上煤炭气化制氢方法，采用如下技术方案：

18、一种陆上煤炭气化制氢储运方法，其特征在于，使用了如第三方面中所述的陆上煤炭气化制氢储运系统，包括：

19、通过所述陆上煤气化系统得到煤基氢气，提取二氧化碳；得到的煤基氢气依次通过所述预冷液化与正仲氢转化系统，得到富正氢和富仲氢，提取二氧化碳、液态一氧化碳和液氮；富正氢和富仲氢通过所述深冷液化与正仲氢转化系统，得到液氢。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

21、1、本发明中，在制冷剂壳侧入口通过均布器与壳体的内腔连通；壳体靠近制冷剂壳侧出口一端的侧壁上，开设有第一入口和第二入口；壳体靠近制冷剂壳侧入口一端的侧壁上，开设有第一出口和第二出口；第一入口和第二入口之间，以及第一出口和第二出口之间分别通过螺旋管连接；预冷阶段，第一入口和第二入口分别为制冷剂管侧入口和煤基氢入口，螺旋管内煤基氢与壳体内腔内的制冷剂进行换热的同时，另一个螺旋管内的制冷剂与壳体内腔内的制冷剂进行换热，实现了对制冷剂中冷能的利用最大化，避免了制冷后存留大量冷能被浪费的问题，螺旋管内的制冷剂吸收冷能后再进行节流降温，提高了降温效果。

22、2、本发明中，采用煤炭气化制氢的方法，可以大大降低煤炭的碳排放与污染物的生成，同时与氢气液化工艺相结合，极大的提高了氢能储存与运输效率。氢气液化工艺中采用氢气降温、正仲氢转化、co2-co-n2液化分离相耦合的技术，在对原料氢气降温液化的过程中，实现正仲氢催化转化与co2-co-n2等杂质的液化分离。液氢用复杂混合非共沸制冷剂由甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、氢气、氦气和氖气等多种气体组成，复杂混合非共沸制冷剂的制冷效率较高。正-仲氢边转化边分离，仲氢含量越低，在相同条件下正-仲氢转化的速率越快，转化效率越高。同时在富仲氢的管路内减少正仲氢转化催化剂的用量，大大提高了输送效率，降低压降损失。煤基液氢用绕管式换热器具有传热系数高、冷剂充灌量少、结构紧凑等优点。氢气液化过程温度较低，液氢用绕管式换热器中缠绕管热膨胀/冷收缩自行补偿的优势更为明显。综合考虑绕管式换热器管侧和壳侧内外的复杂流动传热传质耦合过程，正仲氢转化热还可降低二氧化碳等固体杂质的形成，抑制管内堵塞现象的发生，提出了面向实际陆上煤炭制氢储运过程中的绕管式换热器强化传热措施。

技术特征：

1.一种煤基液氢用主低温换热器，其特征在于，包括壳体，所述壳体的两端分别设置有制冷剂壳侧入口和制冷剂壳侧出口，所述制冷剂壳侧入口通过均布器与所述壳体连通；

2.如权利要求1所述的煤基液氢用主低温换热器，其特征在于，预冷阶段，所述第二入口和所述第二出口之间的螺旋管内设置有预冷正仲氢转化催化剂。

3.如权利要求1所述的煤基液氢用主低温换热器，其特征在于，深冷阶段，所述第一入口和所述第一出口之间的螺旋管内设置有深冷富仲氢用催化剂，所述第二入口和所述第二出口之间的螺旋管内设置有深冷富正氢用催化剂。

4.如权利要求1所述的煤基液氢用主低温换热器，其特征在于，所述壳体内设置有中心柱，两个螺旋管绕所述中心柱设置。

5.如权利要求1所述的煤基液氢用主低温换热器，其特征在于，预冷阶段，所述第一出口连接有分离器；所述分离器包括与所述第一出口连接的第一分离器，以及与所述第一分离器连接的第二分离器。

6.如权利要求1所述的煤基液氢用主低温换热器，其特征在于，所述制冷剂包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、氮气和氢气。

7.如权利要求1所述的煤基液氢用主低温换热器，其特征在于，深冷阶段，所述第一出口连接有第一液氢储罐，所述第二出口连接有第二液氢储罐。

8.一种煤基液氢用主低温换热器使用方法，其特征在于，使用了如权利要求1-7任一项所述的煤基液氢用主低温换热器，包括：

9.一种陆上煤炭气化制氢储运系统，其特征在于，包括相互连接的陆上煤汽化系统、预冷液化与正仲氢转化系统以及深冷液化与正仲氢转化系统；所述预冷液化与正仲氢转化系统以及所述深冷液化与正仲氢转化系统中的换热器，采用如权利要求1-7任一项所述的煤基液氢用主低温换热器。

10.一种陆上煤炭气化制氢方法，其特征在于，使用了如权利要求9中所述的陆上煤炭气化制氢储运系统，包括：

技术总结
本发明属于陆上煤炭气化制氢储运技术领域，提出了一种煤基液氢用主低温换热器、陆上煤炭制氢储运系统及方法，在制冷剂壳侧入口通过均布器与壳体的内腔连通；壳体靠近制冷剂壳侧出口一端的侧壁上，开设有第一入口和第二入口；壳体靠近制冷剂壳侧入口一端的侧壁上，开设有第一出口和第二出口；第一入口和第二入口之间，以及第一出口和第二出口之间分别通过螺旋管连接；预冷阶段，第一入口和第二入口分别为制冷剂管侧入口和煤基氢入口，螺旋管内煤基氢与壳体内腔内的制冷剂进行换热的同时，另一个螺旋管内的制冷剂与壳体内腔内的制冷剂进行换热，实现了对制冷剂中冷能的利用最大化。

技术研发人员：孙崇正,卢晓,刘羽翔,李玉星,杨鑫,于昊,韩辉,宋光春,樊欣,耿宵义
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15