[发明专利]一种氢气液化系统及方法

说明书

本发明提供一种混合制冷的氢气液化系统及方法。一种氢气液化系统，包括：冷箱换热单元，所述冷箱换热单元包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器和第六换热器；低温吸附单元；正仲氢转换单元；混合冷剂压缩单元；制冷氢气压缩单元；制冷氢气膨胀单元；第一管路；第二管路；第三管路；所述第三管路在第二换热器和第三换热器之间设有第三分支管路。本发明通过合理配制各换热器的制冷工艺，并采用混合冷剂制冷和氢气压缩膨胀制冷相结合的方式，减少氢气液化系统所需的设备数量，提高正仲氢转化效率，同时减少换热器装填催化剂可能造成的堵塞现象，极大降低氢气液化的能耗，使其低于10kw/kg_LH2。

技术领域

本发明涉及气体低温液化技术领域，具体涉及一种氢气液化系统及方法。

背景技术

目前，国内使用的主要能源是煤炭、石油和天然气，这些都是不可再生能源，并且在使用的同时会释放出大量的温室气体CO₂。随着全球气候变暖的情况日益严重，使用可再生的清洁能源成为大家的共识。我国也已经制定实现碳达峰及碳中和的日程表。使用氢气作为能源是实现碳中和目标的一个方向，然而由于氢气密度小，单位质量氢气的体积大，因此氢气的运输问题成为实现氢能利用的一个拦路虎。因此，采用高压氢气和液化氢气的方法是解决这一问题的可行性方案，而液态氢气更适用于长距离大规模的氢气运输。

液态氢气在国内主要用于航空航天和火箭发射，在民用领域内利用还较少。氢气液化装置也主要是采用的国外进口装置，但随着国内碳中和目标的提出，国内厂家也开始对氢气液化装置进行开发和设计。

由于现阶段液体氢气用量较少，氢气液化装置的规模也较小。因此，氢气液化装置通常采用带液氮预冷的氢气膨胀制冷工艺流程。这种工艺流程简单，设备较少，但相对能耗较高，比较适用于小型液化装置，但对于大规模氢液化来说就存在能耗偏高的问题。

随着碳中和政策的实施，氢能源广泛的利用，大规模的氢气液化系统以及能耗更低的氢气液化工艺流程的研究开发对于本领域具有重要意义。

发明内容

基于以上背景，本发明的目的在于提供一种混合制冷的氢气液化系统，降低氢气液化能耗。

本发明的另一目的在于提供一种氢气液化能耗低于10kw/kg_LH2的氢气液化工艺。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种氢气液化系统，包括：

冷箱换热单元，所述冷箱换热单元包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器和第六换热器，每个换热器均具有原料氢气通道和第一制冷氢气通道，其中第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器和第五换热器还具有第二制冷氢气通道，其中第一换热器还具有混合冷剂通道；

低温吸附单元，所述低温吸附单元包括多个并联设置的低温分子筛吸附器；

正仲氢转换单元，所述正仲氢转换单元包括第一正仲氢转换器、第二正仲氢转换器、第三正仲氢转换器和第四正仲氢转换器；

混合冷剂压缩单元，所述混合冷剂压缩单元包括串联设置的混合冷剂压缩机和气液分离器；

制冷氢气压缩单元，所述制冷氢气压缩单元包括串联设置的一级氢气压缩机、二级氢气压缩机和三级氢气压缩机；

制冷氢气膨胀单元，所述制冷氢气膨胀单元包括一级氢气膨胀机和二级氢气膨胀机；

第一管路，用于连接第一换热器的原料氢气通道、低温吸附单元、第二换热器的原料氢气通道、第三换热器的原料氢气通道、第一正仲氢转换器、第四换热器的原料氢气通道、第二正仲氢转换器、第五换热器的原料氢气通道、第三正仲氢转换器、第六换热器的原料氢气通道、第四正仲氢转换器和液氢储罐；