[发明专利]LNG冷能预冷下的氢气液化方法

说明书

本发明披露了一种充分利用LNG冷能的氢液化技术。主要原料氢气经预冷冷箱和液化冷箱后生产出液态氢气，预冷冷箱由LNG气化冷能和液氮气化冷能提供冷量，液化冷箱由氢气膨胀制冷循环提供冷量。在预冷冷箱内，利用LNG直接气化冷能和氮气制冷循环预冷原料氢气和氢气冷剂，LNG气化冷能还用来直接冷凝氮气制冷循环中压缩机出口氮气，实现LNG冷能的充分利用。在液化冷箱内，利用氢气膨胀制冷原理将预冷后的氢气液化。在板翅换热器原料低温氢气流道内填充正仲氢转化催化剂，实现换热同时正仲氢转化，产品液态氢中仲氢浓度大于95％，达到稳定存储要求。

技术领域

本发明涉及充分利用LNG气化冷能，最大程度降低氢气液化能耗的液化技术，尤其涉及一种LNG冷能预冷和氮气制冷循环预冷联合氢气多级膨胀的高效氢气液化技术。本液化技术方法有效解决了困扰氢气液化的两大难题，即如何降低单位液化能耗，如何提高单线液化规模。

背景技术

双碳目标下，全球氢能产业有望快速成长，发展空间巨大，氢气的安全高效储运是氢能产业的关键，将氢气低温液化后储运将极大的提高氢气储运的效率和安全性，但氢气液化十分困难，降温过程中正仲氢转化时释放大量的转化热，进一步增加的氢气制冷液化的难度，所以将氢气液化的能耗普遍很高，不同的液化工艺单位能耗约12-25kwh/kg，如何降低液化能耗，直接影响氢气产品的市场竞争力。

氢气产品的高端目标市场在东南沿海，而东南沿海分布着数十个LNG接收站，大量LNG冷能没有有效的利用起来，本发明技术仅需利用LNG接收站部分冷能将氢气液化能耗大幅下降，可以降到4-5kwh/kg以下，而且液态氢气的运输具有很高的灵活性和经济性。

发明内容

在预冷冷箱COLD BOX-1里布置三台换热器，第一台是PCHE换热器或高压板翅换热器，第二、三台是板翅换热器。在第一台换热器HE1-1内，LNG直接气化预冷原料氢气和高压氢气冷剂至114-120K；在第二台换热器HE1-2内，中、低压氢气冷剂将原料氢气高压氢气冷剂冷却至88-92K；在第三台换热器HE1-3内，利用热虹吸换热原理氮气制冷循环联合中压、低压氢气冷剂将原料氢气高压氢气冷剂冷却至80K。

热虹吸换热原理氮气制冷循环。利用LNG冷能将氮气压缩机LN2-C出口氮气冷凝成液氮，再节流至1.1-1.28bar进入液氮分离罐LN2-V，相对于第三台换热器，液氮分离罐应布置在适当相对高度以保证换热效率，液氮分离罐LN2-V底部出来的液氮从进入第三台换热器HE1-3底部进入，换热后利用虹吸效应以两相流动状态从顶部流出至液氮分离罐LN2-V，气相氮气从液氮分离罐顶部流出，进入氮气压缩机N2-C入口。

原料氢气在第三台换热器HE1-3内经液氮冷却至80K后进入吸附器ABSORBER，进一步脱除微量氧氩水等杂质实现纯化，再进入HE1-3充满正仲氢转化催化剂流道，进行催化转化。

氢气液化装置主要包括预冷冷箱COLD BOX-1和液化冷箱COLD BOX-2，除氮气冷凝换热器GN2-CONDENSER外所有的换热器和分离罐放置在冷箱内，预冷冷箱COLD BOX-1采用珠光砂发泡、微正压干燥氮气绝热保冷，液化冷箱COLD BOX-2采取抽真空绝热保冷。压缩机和膨胀机放置在冷箱外部。预冷冷箱与液化冷箱之间的管线采用真空管连接。