正仲转化换热一体化大规模氢液化流程模拟_赵欣.pdf

第 卷 第 期 年 月 化 学 工 程（）收稿日期：基金项目：航天低温推进剂技术国家重点实验室基金课题（）；国家重点研发计划项目（）作者简介：赵欣（），女，硕士，研究方向为大型一体化氢液化流程的模拟，电话：，：；文键（），女，博士，教授，通信联系人，：。传热过程及设备正仲转化换热一体化大规模氢液化流程模拟赵 欣，陈 强，文 键，张恒之（西安交通大学 能源与动力工程学院，陕西 西安；中石化炼化工程集团 洛阳技术研发中心，河南 洛阳；国家石油天然气管网集团有限公司 西气东输分公司，上海）摘要：针对实际氢液化工厂存在的能源消耗高、产量小的问题，氢正仲转化催化和热交换一体化技术出现在许多新概念的氢液化循环中。文中采用氢膨胀制冷的氢液化循环，针对催化剂填充在换热器中及使用独立转化器 种氢液化流程进行研究，使用 搭建了 种液化系统，对比分析其在能耗、效率、氢液化率的差异。结果表明：与设置独立转换器的氢液化系统相比，一体化流程的单位能耗降低了 ，效率提高了 ，氢液化率提高了 。一体化氢液化流程设备更加简单，投资成本更低，发展前景广阔，为一体化氢液化流程的应用提供了理论参考。关键词：氢液化；液化循环；分析中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，；，；，）：，：；氢作为一种理想的能量载体，可以从各种路径获得，是能源结构向可再生能源过渡的重要桥梁。合理利用氢能，一方面能提高能源利用效率，减少能源浪费，另一方面可以控制环境污染，降低大气污染和温室气体排放。从中长期来看，加大氢能的发展利用将进一步保障我国能源安全。由于液氢具有体积能量密度高的优点，将成为氢的大规模储存及运输的主要形式。但当前投入使赵 欣等 正仲转化换热一体化大规模氢液化流程模拟 投稿平台：用的氢液化循环装置存在能耗过高（均在 以上，）、产量规模太小（一般为 ）的问题，不能达到氢能的广泛使用的要求。为了简化设备，降低初投资，有国外学者提出一种将氢气液化流程中正仲转化过程与换热器结合的新型技术。文中以德国 的 氢液化生产装置为原型，采用氢制冷的氢液化循环，针对正仲转化与换热一体化的大规模新型氢液化流程及使用独立转化器 种氢液化流程进行研究，对比分析其在能耗、效率、氢液化率的差异，为一体化氢液化流程的研究提供了理论参考。氢液化系统 系统工艺流程介绍采用的 个氢液化流程如图 与图 所示。氢液化流程由 个部分组成：氢气系统、液氮预冷系统和氢气制冷循环。图 一体化氢液化流程 以一体化氢液化流程为例，原料氢气进入冷箱后，在一级换热器 和二级换热器 中由氮气进行预冷，再进入液氮浸泡的三级换热器 进行冷却，冷却后的氢气在第、第 和第 级换热器、和 中温度进一步降低，同时完成正仲转化反应，氢正仲转化催化剂填充在换热器氢管路中。完成正仲转化的氢气在第 级换热器 中再次被冷却，然后进入节流阀，节流后被液化的氢气进入液氢储存杜瓦瓶。氢液化所需要的冷量分别来自 个温区。预冷阶段 温区的冷量由氮制冷循环和返流的低压氢气和中压氢气提供，深冷阶段 的冷量由氢制冷系统中氢气通过膨胀机提供，的冷量由 阀节流膨胀提供。使用独立转化器的氢液化流程如图 所示，与一体化流程不同，使用独立转换器的氢液化流程将氢的正仲转化过程放在独立的正仲转化器中进行绝热转化。液氮预冷系统和氢气制冷系统与一体化流程相同。图 使用独立转化器的氢液化流程 流程模拟采用化工模拟软件 对上述 个氢液化流程进行模拟，模拟过程采用 方程，并对流程做出如下假设：（）流程是稳态的，忽略动能和势能的影响。（）由于 中没有正仲氢转化模块，文中的氢正仲转化器采用加热器和换热器来表示，产生的氢正仲转化热在换热过程中被消耗掉，与实际较符。（）膨胀机的绝热效率为，压缩机的绝热效率为。（）根据文献调研及前期 模拟结果，多股化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：流换热器、水冷器的压降均设为。（）进入氢液化流程的原料气为 、下的纯氢气。（）采用高效板翅式换热器，各换热器的最小温差为 。（）液氢储存压力为 。根据以上假设搭建了文献的氢液化系统，所获得的系统性能参数的误差在 以内，因此，本文所得仿真结果的准确性符合要求。系统性能参数采用液化率、比能耗及效率作为液化系统的评价指标。液化率是液化系统中被液化的氢占总原料氢的比值。比能耗（）是液化系统的净能耗与液氢流量的比值：，（）式中：为压缩机总能耗，；为膨胀机总输出功，；，为液氢质量流量，。液化系统的效率 为系统理论上消耗的最小液化功 和实际消耗液化功 的比值：（），（）（）（）式中：为环境温度，；为质量焓，；为质量熵，（）；下标 为液氢，为环境。氢液化工艺流程中设备的热力学不可逆损失会导致系统产生损失，损失包括外部损失和内部损失，其中外部损失由直接流向环境的物流所带走，内部损失由实际过程中的不可逆性引起。表 给出了不同设备的方程。表 系统中主要设备的方程 设备损失公式压缩机 （）多股流换热器，（，）节流阀 （）水冷器 （）流体混合器 ，膨胀机 （）为；为质量流量；为单位质量；下标 为压缩机，为换热器，为节流阀，为水冷器，为流体混合器，为膨胀机，为入口流股，为出口流股。参数设置换热器出口处仲氢的质量分数根据图，由出口处氢气的温度来确定。根据图 正仲氢的转化热，采用积分的方法，选取正仲转化热均值 。原料氢中正氢的质量分数为，产品氢为对应温度下的平衡氢，计算时，假设换热器出口温度，由正仲转化热及完成正仲转化的氢所占比例求得 个温区的转化热分别为，和 。实际计算所得换热器出口处氢气的温度与假设的换热器出口温度相近，因此可认为假设合理，换热器设置合理，计算结果有效。图 正氢质量分数、氢正仲转化热与温度对应关系 结果分析根据 个假设，利用 对 个氢液化系统进行详细的模拟计算，得到氢液化流程各节点的压力、温度、质量流量等参数。表 给出了氢液化系统的储存条件及系统的性能参数。表 液化系统的设备能耗与性能参数 参数一体化流程使用独立转化器的流程压力 温度 流量（）液化率 液化量（）单位能耗（）效率 一体化氢液化流程的氢液化率为.，单位能耗为 ，效率为；使用独立转换器的氢液化系统的氢液化率为 ，单位能耗为 ，效率为 。与使用独立转换器的氢液化系统相比，一体化氢液化系赵 欣等 正仲转化换热一体化大规模氢液化流程模拟 投稿平台：统的氢液化率提高了 ，单位能耗降低了.，效率提高了 。复合曲线分析复合曲线由冷热流体匹配做出，复合曲线匹配技术作为一种热力学图形工具被广泛用于评价系统换热过程的效率。其中，冷热流体复合曲线越接近，系统的换热效率就越高，能耗越低。一体化流程中预冷和深冷换热器的冷热复合曲线如图（）和（）所示，使用独立转换器的氢液化流程中预冷和深冷换热器的冷热复合曲线如图（）和（）所示。图 一体化流程预冷和深冷换热器冷热复合曲线 图 使用独立转换器氢液化流程预冷和深冷换热器冷热复合曲线 和使用独立转换器的氢液化流程相比，正仲转化与换热一体化的大规模氢液化流程，其各换热器的最小温差均有不同程度的下降，深冷段换热器 和 的负荷曲线的间隔明显更小，最小换热温差更小。其中，的最小换热温差由 降至 ，的最小换热温差由 降至 ，说明换热不可逆损失降低，能量得到更为充分的利用。在实际换热过程中，正仲转化与换热一体化换热器由于催化剂颗粒的存在，其内部流体的换热会得到加强，流道内部温度分布更为均匀，换热效率更高。文中使用 模拟得到的规律与李启铭等使用 得到的规律一致。正仲转化与换热一体化的大规模氢液化流程具有更高的能量利用效率。分析 个液化流程的主要设备包括：多股流换热器、压缩机、膨胀机、冷却器、混合器、节流阀和转化器。损失主要发生在以上设备中。图 和图 是 种氢液化系统中液化设备的损失在系统总损失的占比情况，从损失占比来看，正仲转化与换热一体化的氢液化流程与有转化器的氢液化流程的损分布几乎一致，换热器、压缩机、膨胀机和冷却器是产生损失的主要来源。其中，一体化流程的系统总损为 ，换热设备、膨胀设备、冷却设备、增压设备、节流阀的损失分别为 ，。有转化器的氢预冷氢液化系统的总损为 。换热设备、膨胀设备、冷却设备、增压设备、节流阀和转化器的损失分别为 ，和 。换热器的损在系统损中占比最大，可以通过改善预冷及深冷循环结构，降低换热器的损失，从而进一步降低系统的损失。化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：图 一体化氢液化系统各部分损占比 图 采用独立转换器的氢液化系统各部分损占比 氢液化系统比较利用已完成的 个氢液化系统工艺流程，与几种典型氢液化系统的单位能耗及效率进行比较，结果如表 所示。对比表 可以发现，文中所搭建的 个氢液化流程相较于传统氢液化流程，二者的液化率更高、能耗更低，效率也更高。同时，与使用独立转化器的氢液化流程相比，正仲转化与换热一体化的大规模新型氢液化流程在液化率、能耗和效率方面更具优势。这是因为催化剂颗粒填充在换热器流道中时，冷热流体的换热温差更小，系统能量利用效率更高。表 氢液化系统比较，循环类型液化率能耗（）效率预冷 循环 预冷 循环 氦预冷的氢液化循环 有转化器的氢制冷氢液化系统 一体化氢制冷氢液化系统 结论（）正仲转化与换热一体化的大规模氢液化流程及使用独立转化器的氢液化流程，所生产的液氢中仲氢质量分数达到 以上，满足生产要求。（）与使用独立转换器的氢液化流程相比，正仲转化与换热一体化的大规模氢液化流程的液化率提高了 ，单位能耗降低了 ，效率提高了 。（）通过正仲转化与换热一体化的大规模氢液化流程与使用独立转化器的氢液化流程的对比，验证了正仲转化与换热一体化的大规模氢液化流程的可行性，为大规模氢液化系统的研究提供了理论参考。参考文献：唐璐 基于液氮预冷的氢液化流程设计及系统模拟 杭州：浙江大学，吕翠，王金阵，朱伟平，等 氢液化技术研究进展及能耗分析 低温与超导，（）：黄俊鑫，焦方太 高质量发展下能源消耗与碳排放耦合性研究 生态经济，（）：，：，：，：，：陈双涛，周楷淼，赖天伟，等 大规模氢液化方法与装置 真空与低温，（）：，：，（）：，：，殷靓，巨永林，王刚，氢液化装置工艺流程分析及优化 制冷技术，（）：李启铭，张磊，徐攀，等 氢液化流程中催化换热一体化可行性研究 化学工程，（）：