欢迎来到江苏氢港新能源科技有限公司网站!

0512-58588966
Technical articles技术文章
首页 > 技术文章 > 液氢(LH2)技术的简单科普

液氢(LH2)技术的简单科普

 更新时间:2023-06-16    点击量:756

典型的氢气液化过程分为四个部分:常温压缩环境温度预冷至80k80~ 30k的低温制冷、由压力降低到环境压力而产生的液化。液化系统中的H2温度应降低到沸点温度(20K)。图1描绘了克劳德(Claude)单一过程中不同温度下的H2液化循环示意图。


图1:克劳德(Claude)单一过程中不同温度下的氢气液化系统示意图


通过焦耳-汤姆逊(J -T)阀,通过膨胀器,并使用外部辅助流体,当焓不变时,气体的压强减小时,可以降低在J - T系统中的温度。节流阀排出气体的温度差取决于J−T系数。该系数(μJT = (δT/δP)h)表示恒定焓过程中温度变化到气压变化的过程。如果初始气体温度低于转化温度(μJT = 0),则由于窒息过程导致温度下降。除氦、H2和Ne外,其他气体的峰值转化温度均高于环境温度。因此,为了使用J−T工艺降低H2温度,必须首先将其温度冷却到低于H2转化温度(205 K),因此,仅使用J−T工艺不能在环境温度下液化H2气体,必须进行预冷过程,下图2显示了几种不同气体及其反转点的J - T图。


图2. 几种不同气体的焦耳-汤姆逊图及其反转点。
在H2液化过程中,任何三点温度低于H2转化温度的流体都可以用作预冷剂。这些流体可以是氟、氧、空气、甲烷、氩气和氮气;由于有爆炸危险,前四种不适合使用,而且氩气也比氮气贵。


适当预冷剂的选择和预冷段的配置为减少液化结构中的总SEC提供了有希望的指导方针。目前,空分系统产生的LN2(液氮)由于技术发达,温度条件适宜,是H2液化厂预冷步骤常用的制冷剂。根据国际上对纯氧的需求,未来大型氢气液化厂将无法获得廉价的LN2制冷剂。对于大型氢气液化工厂,低温下的高温差异阻碍了LN2的使用;使用LN2预冷至80k的效率较低。此外,生产LN2所需的最小能量是将进料H2冷冻至80k所需能量的两倍。因此,使用闭环氮气冷却循环和混合制冷剂可以解决这一问题。此外,在等熵膨胀过程中,膨胀剂可以降低H2的温度,这通常会降低理想气体和非理想气体的温度,由于H2液化过程是利用压力膨胀或压力降低现象来降低H2气体的温度,因此需要对进入的H2气体进行压缩机压缩过程。部分冷却可以在更高的温度下通过压缩进料到更大的压力来完成,这减少了提供所需制冷的电力消耗,但增加了在环境温度下冷凝的成本H2、氦和Ne是单独或混合用于冷却和液化步骤的候选物质,便于使用LN2的中小型氢气液化结构通常位于低温空分装置附近。氦是沸点比H2低的元素。然而,它的可用性和价格可能是主要的挑战。预冷段回收液氧可使H2温度降至90k;但是这个组件可能会遇到相同LN2冷回收等问题。相比之下,考虑到可用性和价格,用于预冷段的LNG冷回收(即液态甲烷)具有很好的前景。由于混合物的沸点取决于其组成,因此已开发出几种具有不同预冷温度的混合制冷剂。图3显示了使用膨胀器而不是J - T阀的重要性,特别是在高压压缩中。



图3:在J - T阀和膨胀器后不同压力和温度下的蒸汽分数变化。

在用Claude法和L-H法液化H2时,冷却是通过膨胀器等熵膨胀和J- T阀等温膨胀来实现的。此外,在反布雷顿循环中,制冷剂流动膨胀仅由涡轮膨胀器完成。低温冷却最重要的问题是H2在临界温度附近的比热值波动很大,这使得换热器的温度难以稳定。在某种程度上,输入氢气压强的增加解决了这个问题。压缩过程在较宽的温度范围内降低了冷负荷,但应通过调节冷却功率来管理可变的冷负荷。


在J−T阀中采用定焓过程或在膨胀器中采用定熵过程可以液化H2。在L−H预冷过程中,压缩机将H2气体压缩到较高的压力时,然后通过交换器和LN2进行冷却。最后,通过一个J-T阀,由于压力突然下降,温度降低,部分H2气体液化。由于H2的温度相对较低,部分气态H2用作热交换器中的冷流体,以冷却进入工艺的热H2气体。这种气体最后返回到该过程的开始处,与新鲜的H2气体混合,并重复该过程在克劳德法(Claude)中,冷回流冷却部分H2气体,LN2通过膨胀器分离冷却。冷却后的氢气被用来冷却剩余的氢气流。在Claude法中,与L−H法类似,在最后一步使用J−T阀进行液化克劳德法比L−H法具有更高的液化效率和更低的能耗。但是,与L - H法相比,克劳德法使用了更复杂的设备,在克劳德工艺中,除了LN2外,还使用氦气预冷器进行预冷。因此,压缩机H2输出所需的压力以及SEC都降低了。在此工艺中,压缩机的尺寸比Claude工艺小,但氢气、氮气和氦气需要三个单独的压缩机。J−B辅助制冷系统可用于类似的氦预冷与简单的克劳德过程相结合,以提供中间冷却。J−B助剂使用的制冷剂制冷系统可以是单一的,也可以是混合的。混合制冷剂预冷系统可作为H2液化系统的辅助预冷部分。这些系统比封闭的单组分循环消耗更少的功率,效率更高。图4给出了预冷L - H系统、Claude过程和含氦预冷Claude过程的流程图和温度熵图。
图4. 预冷L - H系统、Claude过程H2液化器和Claude过程带氦预冷H2冷凝循环的流程图和温度熵图
下图5描述了Claude系统中J−B装置和混合制冷剂预冷的流程图。


图5:Claude系统中J−B过程和混合制冷剂预冷流程图。


目前氢气液化系统的SEC,Claude系统的10.8~12.7 kWh/kgLH2, Brayton结构的为12.3~13.4 kWh/kgLH2,与其他冷却方法相比,克劳德冷却方法是工业工厂常用的方法。把H2冷却到接近沸点的温度是用制冷剂来完成的,这种制冷剂可以在不发生相变的情况下把温度降低到沸点,在大多数传统的氢气液化工艺中,H2是主要制冷剂。它的应用存在一些缺点,如不能将温度降低到H2沸点以下,压缩机的SEC(比能量消耗)高,以及由于分子质量低和系统效率低而导致设备结构的高渗透性。为解决H2引起的问题,提出了氦制冷剂和Ne气体;较大的氦分子质量显著降低了能量消耗;并且由于氦分子较大,穿透性降低。图6描述了用作H2液化制冷剂的低沸点流体的各种温度范围。


图6:H2液化制冷剂中低沸点流体的不同温度范围。


氢气和氦气制冷剂是氢气液化最合适的选择。为防止热性能的削弱,建议Ne的可用量为30% 。



文章来源:氢眼所见
注:已获得转载权

扫一扫,关注微信
地址:江苏省苏州市张家港市华夏科技园F幢三楼 传真:0512-58588966
版权所有 © 2024 江苏氢港新能源科技有限公司  备案号:苏ICP备2020068389号-1