[发明专利]一种用于大规模制备液氢的方法与系统

说明书

本发明公开了一种用于大规模制备液氢的方法与系统。本发明的大规模氢气液化工艺通过将超低温冷剂与常规冷剂混合的方式，利用常规冷剂压缩机增压即可，无需单独设置超低温冷剂压缩机，从而大大减少装置配备的动设备数量，工艺大为简化的同时动设备数量的减少也大大降低了装置的能耗。本发明使得大规模氢气液化系统的设备数量大为减少，占地面积十分紧凑，且在装置规模较大时，投资更小。

技术领域

本发明涉及液氢制备领域，具体涉及一种用于大规模制备液氢的方法与系统。

背景技术

目前，氢气液化的装置规模不大，如即将在韩国建设的晓星集团与德国林德集团合资氢气液化工厂规模为13000吨/年(预计2022年完工)，对应39吨/天或1.625吨/小时，建成后将成为世界上单套能力最大的氢气液化设施，可满足小城市每年10万辆氢燃料电池轿车的用氢需求。

氢气液化装置规模偏小，主要有以下几方面的因素：

1)液氢需求端偏小，目前还主要集中在军工企业应用，如火箭液体燃料；

2)民用市场还未规模化应用，氢燃料电池汽车暂时还未成为市场主流；

3)工艺技术及设备限制，在规模较大的氢气液化工艺往往需要氢气压缩机，但离心式氢气压缩机暂时还无法满足工艺要求，同时不论采用离心机还是往复机，装置的动设备投资过高，经济性不佳。

在国际上已经有相关大规模氢气液化工艺的开发介绍，如单套规模在100吨/天的规模已经是目前的最大能力，这么大规模的氢气液化设施往往需要配置较为复杂的工艺流程及动静设备(以目前的离心氢气压缩机单级压比计算，循环制冷氢气压缩机可能需要高达18级)，使得设备投资十分巨大，因此大规模氢气液化装置的经济性大大降低。

目前主流的氢气液化工艺主要有：

1)液氮预冷与氦制冷循环；

2)液氮预冷与氢制冷循环；

3)氮循环预冷与氢制冷循环；

4)混合冷剂预冷与氢制冷循环；

5)混合冷剂预冷与氦氖制冷循环；

6)混合冷剂预冷与氢氖制冷循环；

7)氢预冷与氢制冷循环。

不论采用何种制冷工艺，其中必须要用到制冷工质，也就是所说的冷剂，包含预冷用的混合冷剂以及用于更低温度制冷循环所用的冷剂。工业上常见的低温工质的沸点和冰点见下表1，氢气的物性表见下表2。

表1工业上常见的低温工质的的沸点和冰点

备注：

1)为便于直观对比，故将沸点和冰点小数点后数字按进位处理；

2)其中O₂不可作为氢气液化的冷剂组分；

3)常规氯代烃类可以作为预冷冷剂，此表未列出；

4)常规的混合冷剂可由C1-C5、N₂、Ar等组成；

5)作为深度冷源或超低温的混合冷剂可由HE、NE、H2等组成。

表2氢气的物性表(1atm25℃)

上述工艺路线中第1)、2)工艺用于小规模氢气液化工厂，当装置较大时(15吨/天以上)需要采用氮循环预冷与氢制冷循环或其它相似超低温制冷循环等工艺，以降低装置的能耗，但往往装置的设备投资较高。