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液氫(LH2)技術(shù)的簡單科普

 更新時間:2023-06-16    點擊量:1879

典型的氫氣液化過程分為四個部分:常溫壓縮、環(huán)境溫度預冷至80k80~ 30k的低溫制冷、由壓力降低到環(huán)境壓力而產(chǎn)生的液化。液化系統(tǒng)中的H2溫度應降低到沸點溫度(20K)。圖1描繪了克勞德(Claude)單一過程中不同溫度下的H2液化循環(huán)示意圖。


圖1:克勞德(Claude)單一過程中不同溫度下的氫氣液化系統(tǒng)示意圖


通過焦耳-湯姆遜(J -T)閥,通過膨脹器,并使用外部輔助流體,當焓不變時,氣體的壓強減小時,可以降低在J - T系統(tǒng)中的溫度。節(jié)流閥排出氣體的溫度差取決于J?T系數(shù)。該系數(shù)(μJT = (δT/δP)h)表示恒定焓過程中溫度變化到氣壓變化的過程。如果初始氣體溫度低于轉(zhuǎn)化溫度(μJT = 0),則由于窒息過程導致溫度下降。除氦、H2和Ne外,其他氣體的峰值轉(zhuǎn)化溫度均高于環(huán)境溫度。因此,為了使用J?T工藝降低H2溫度,必須首先將其溫度冷卻到低于H2轉(zhuǎn)化溫度(205 K),因此,僅使用J?T工藝不能在環(huán)境溫度下液化H2氣體,必須進行預冷過程,下圖2顯示了幾種不同氣體及其反轉(zhuǎn)點的J - T圖。


圖2. 幾種不同氣體的焦耳-湯姆遜圖及其反轉(zhuǎn)點。
在H2液化過程中,任何三點溫度低于H2轉(zhuǎn)化溫度的流體都可以用作預冷劑。這些流體可以是氟、氧、空氣、甲烷、氬氣和氮氣;由于有爆炸危險,前四種不適合使用,而且氬氣也比氮氣貴。


適當預冷劑的選擇和預冷段的配置為減少液化結(jié)構(gòu)中的總SEC提供了有希望的指導方針。目前,空分系統(tǒng)產(chǎn)生的LN2(液氮)由于技術(shù)發(fā)達,溫度條件適宜,是H2液化廠預冷步驟常用的制冷劑。根據(jù)國際上對純氧的需求,未來大型氫氣液化廠將無法獲得廉價的LN2制冷劑。對于大型氫氣液化工廠,低溫下的高溫差異阻礙了LN2的使用;使用LN2預冷至80k的效率較低。此外,生產(chǎn)LN2所需的最小能量是將進料H2冷凍至80k所需能量的兩倍。因此,使用閉環(huán)氮氣冷卻循環(huán)和混合制冷劑可以解決這一問題。此外,在等熵膨脹過程中,膨脹劑可以降低H2的溫度,這通常會降低理想氣體和非理想氣體的溫度,由于H2液化過程是利用壓力膨脹或壓力降低現(xiàn)象來降低H2氣體的溫度,因此需要對進入的H2氣體進行壓縮機壓縮過程。部分冷卻可以在更高的溫度下通過壓縮進料到更大的壓力來完成,這減少了提供所需制冷的電力消耗,但增加了在環(huán)境溫度下冷凝的成本H2、氦和Ne是單獨或混合用于冷卻和液化步驟的候選物質(zhì),便于使用LN2的中小型氫氣液化結(jié)構(gòu)通常位于低溫空分裝置附近。氦是沸點比H2低的元素。然而,它的可用性和價格可能是主要的挑戰(zhàn)。預冷段回收液氧可使H2溫度降至90k;但是這個組件可能會遇到相同LN2冷回收等問題。相比之下,考慮到可用性和價格,用于預冷段的LNG冷回收(即液態(tài)甲烷)具有很好的前景。由于混合物的沸點取決于其組成,因此已開發(fā)出幾種具有不同預冷溫度的混合制冷劑。圖3顯示了使用膨脹器而不是J - T閥的重要性,特別是在高壓壓縮中。



圖3:在J - T閥和膨脹器后不同壓力和溫度下的蒸汽分數(shù)變化。

在用Claude法和L-H法液化H2時,冷卻是通過膨脹器等熵膨脹和J- T閥等溫膨脹來實現(xiàn)的。此外,在反布雷頓循環(huán)中,制冷劑流動膨脹僅由渦輪膨脹器完成。低溫冷卻最重要的問題是H2在臨界溫度附近的比熱值波動很大,這使得換熱器的溫度難以穩(wěn)定。在某種程度上,輸入氫氣壓強的增加解決了這個問題。壓縮過程在較寬的溫度范圍內(nèi)降低了冷負荷,但應通過調(diào)節(jié)冷卻功率來管理可變的冷負荷。


在J?T閥中采用定焓過程或在膨脹器中采用定熵過程可以液化H2。在L?H預冷過程中,壓縮機將H2氣體壓縮到較高的壓力時,然后通過交換器和LN2進行冷卻。最后,通過一個J-T閥,由于壓力突然下降,溫度降低,部分H2氣體液化。由于H2的溫度相對較低,部分氣態(tài)H2用作熱交換器中的冷流體,以冷卻進入工藝的熱H2氣體。這種氣體最后返回到該過程的開始處,與新鮮的H2氣體混合,并重復該過程在克勞德法(Claude)中,冷回流冷卻部分H2氣體,LN2通過膨脹器分離冷卻。冷卻后的氫氣被用來冷卻剩余的氫氣流。在Claude法中,與L?H法類似,在最后一步使用J?T閥進行液化克勞德法比L?H法具有更高的液化效率和更低的能耗。但是,與L - H法相比,克勞德法使用了更復雜的設備,在克勞德工藝中,除了LN2外,還使用氦氣預冷器進行預冷。因此,壓縮機H2輸出所需的壓力以及SEC都降低了。在此工藝中,壓縮機的尺寸比Claude工藝小,但氫氣、氮氣和氦氣需要三個單獨的壓縮機。J?B輔助制冷系統(tǒng)可用于類似的氦預冷與簡單的克勞德過程相結(jié)合,以提供中間冷卻。J?B助劑使用的制冷劑制冷系統(tǒng)可以是單一的,也可以是混合的。混合制冷劑預冷系統(tǒng)可作為H2液化系統(tǒng)的輔助預冷部分。這些系統(tǒng)比封閉的單組分循環(huán)消耗更少的功率,效率更高。圖4給出了預冷L - H系統(tǒng)、Claude過程和含氦預冷Claude過程的流程圖和溫度熵圖。
圖4. 預冷L - H系統(tǒng)、Claude過程H2液化器和Claude過程帶氦預冷H2冷凝循環(huán)的流程圖和溫度熵圖
下圖5描述了Claude系統(tǒng)中J?B裝置和混合制冷劑預冷的流程圖。


圖5:Claude系統(tǒng)中J?B過程和混合制冷劑預冷流程圖。


目前氫氣液化系統(tǒng)的SEC,Claude系統(tǒng)的10.8~12.7 kWh/kgLH2, Brayton結(jié)構(gòu)的為12.3~13.4 kWh/kgLH2,與其他冷卻方法相比,克勞德冷卻方法是工業(yè)工廠常用的方法。把H2冷卻到接近沸點的溫度是用制冷劑來完成的,這種制冷劑可以在不發(fā)生相變的情況下把溫度降低到沸點,在大多數(shù)傳統(tǒng)的氫氣液化工藝中,H2是主要制冷劑。它的應用存在一些缺點,如不能將溫度降低到H2沸點以下,壓縮機的SEC(比能量消耗)高,以及由于分子質(zhì)量低和系統(tǒng)效率低而導致設備結(jié)構(gòu)的高滲透性。為解決H2引起的問題,提出了氦制冷劑和Ne氣體;較大的氦分子質(zhì)量顯著降低了能量消耗;并且由于氦分子較大,穿透性降低。圖6描述了用作H2液化制冷劑的低沸點流體的各種溫度范圍。


圖6:H2液化制冷劑中低沸點流體的不同溫度范圍。


氫氣和氦氣制冷劑是氫氣液化最合適的選擇。為防止熱性能的削弱,建議Ne的可用量為30% 。



文章來源:氫眼所見
注:已獲得轉(zhuǎn)載權(quán)

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