[发明专利]气体液化系统

说明书

技术领域

本发明涉及液化技术领域，尤其涉及一种气体液化系统。

背景技术

由于满足当前世界能源需求的化石燃料几近枯竭，而且其燃烧产物会对环境造成污染，因此寻求新能源成为世界瞩目的重大课题。氢的资源丰富，来源多样，作为一种二次能源，它具有燃烧热值高、清洁环保、可储存、可再生等优点。且氢能可以同时满足资源、环境和可持续发展的要求，所以被称作人类未来的能源。

氢气通常是正氢和仲氢的平衡混合物。氢气的平衡浓度随温度的不同而有显著的变化。当温度降低时，具有高能量基态的正氢自发地向低能态的仲氢转化，直到不能转化，成为该温度下的平衡氢。室温热平衡态下，氢气大约由75％正氢和25％仲氢组成，此称为正常氢。气态氢的正-仲态转化在存在催化剂的情况下才能发生，而液态氢则在没有催化剂的情况下也能自发地发生正-仲转化。但是转换速率较慢。氢的正仲转化是一放热反应，在液氢存储过程中，为了避免转化热引起液氢产品的汽化，减少再液化的能耗，对于大型氢液化装置，产品中仲氢含量应超过95％。

液氢作为目前最重要的储运方式之一，在长距离运输，储存等方面具有巨大的经济性，在氢能利用中发挥重要的作用。氢气液化的过程(包括正仲转化热)大约需要耗费17kWh/kgLH2，因此，提高整机效率，节约能耗，有助于液氢的大规模使用与推广。

传统的利用氦气作为制冷剂，进行氢气液化的流程形式如图1所示。其主要包括一套封闭的氦制冷循环，液氮预冷，以及氢路。具体的，包括氦压缩机20，氦透平膨胀机30，氢压缩机40，四个换热器50、60、70、80，100m³液氢贮罐90，氢气源22，管路24和管路26。液氮从管路24进入，换热后，液氮变成氮气从管路26流出。氢路经低温氦气冷却后，经过节流阀进入液氢储罐。如果节流阀前的过冷度足够大，则节流后全部为液氢；如果过冷度不够，则节流后有闪蒸气，则通过氢压缩机回收。

针对该传统流程，一种方法是节流后气液两相的流体直接进入液体储罐，将气体回热后经氢压缩机升高压力，回收使用，此工艺流程复杂，且氢为易燃易爆气体，存在安全、成本等一系列问题；第二种方法则可以通过降低节流阀前温度的方式，保证其一定的过冷度，使得节流后的气体仍然处于全液相的状态，这种情况下会造成系统效率的下降。

发明内容

鉴于此，有必要提供一种安全、能够提高制冷效率，节约能源的气体液化系统。

一种气体液化系统，包括压缩机组、预冷换热器、多级中间透平预冷单元、第一换热器、末级透平膨胀机、第二换热器、节流阀和低温液体储罐；

所述压缩机组的出口和所述预冷换热器的高压侧制冷工质入口连通，所述预冷换热器的高压侧制冷工质出口和所述多级中间透平预冷单元的高压侧制冷工质入口连通，所述多级中间透平预冷单元的高压侧制冷工质出口和所述第一换热器的高压侧制冷工质入口连通，所述第一换热器的高压侧制冷工质出口和所述末级透平膨胀机的入口连通，所述末级透平膨胀机的出口和所述第二换热器的制冷工质入口连通，所述第二换热器的制冷工质出口和所述第一换热器的低压侧制冷工质入口连通，所述第一换热器的低压侧制冷工质出口和所述多级中间透平预冷单元的低压侧制冷工质入口连通，所述多级中间透平预冷单元的低压侧制冷工质出口和所述预冷换热器的低压侧制冷工质入口连通，所述预冷换热器的低压侧制冷工质出口和所述压缩机组的入口连通；

所述预冷换热器还包括待液化气体入口和待液化气体出口，所述预冷换热器的待液化气体出口和所述多级中间透平预冷单元的待液化气体入口连通，所述多级中间透平预冷单元的待液化气体出口和所述第一换热器的待液化气体入口连通，所述第一换热器的待液化气体出口和所述节流阀的入口连通，所述节流阀的出口和所述第二换热器的待液化气体入口连通，所述第二换热器的待液化气体出口和所述低温液体储罐连通；

所述预冷换热器还包括预冷工质入口和预冷工质出口。

在一个实施例中，还包括预冷工质单元，所述预冷工质单元的出口和所述预冷换热器的预冷工质入口连通，所述预冷换热器的预冷工质出口和所述预冷工质单元的入口连通。

在一个实施例中，所述多级中间透平预冷单元为换热器和透平膨胀机的组合。

在一个实施例中，所述多级中间透平预冷单元为基于克劳德制冷循环或柯林斯制冷循环的换热器和透平膨胀机的组合。

在一个实施例中，所述待液化气体为氢气，所述预冷换热器的待液化气体入口还设有氢过滤装置和氢纯化装置。