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西红柿大规模氢液化方法与装置( 二 )


中国在用的液氢工厂仅有海南文昌、北京101所和西昌基地 ， 均服务于航天火箭发射 ， 总产能仅有4t/D ， 最大的海南文昌液氢工厂产能也仅2t/D 。 中国民用液氢市场一片空白 。 低产能导致中国液氢生产成本远高于美国等发达国家 ， 严重限制了液氢在高端制造、冶金、电子和能源产业等领域的应用 ， 产品质量和制造水平与美国存在较大差距 。
作为液氢生产大国的美国一直以来对中国都采取“严格禁运 ， 严禁交流”的策略 ， 同时还限制其同盟国的公司 ， 例如法液空、林德公司等向中国出售设备和技术 。 在技术封锁下 ， 中国尚未具备独立研发大规模氢液化装置的能力 ， 严重限制了我国氢能产业的发展 。
2.2大型氢液化装置
目前世界上在用的全部大型氢液化装置都以液氮预冷的Claude循环为基础 ， 本节介绍了两个德国的大型氢液化装置 。
2.2.1德国Ingolstadt的Linde氢液化生产装置
1991年德国的Ingolstadt的Linde氢液化生产装置曾经是德国规模最大的氢液化装置 ， 该液化装置的原料氢气来自炼油厂(含氢量86%) ， 因而在液化前需要经过纯化 。 该液化流程为改进的液氮预冷型Claude循环 。 氢液化需要的冷量来自三个温区 ， 由液氮提供80K温区冷量；由氢制冷系统经过膨胀机膨胀获得80-30K温区冷量；J-T阀节流膨胀获得30-20K温区冷量 ， 流程图见图3 。
西红柿大规模氢液化方法与装置
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图3Ingolstadt的Linde氢液化生产装置流程图
2.2.2德国Leuna的氢液化生产装置
2007年9月 ， Linde耗资2000万欧元在Leuna建成了德国第二个氢液化工厂 。 与Ingolstadt的氢液化系统不同点是：原料氢气的纯化过程全部在位于液氮温区的吸附器中完成；膨胀机的布置方式不同；O-P转换器全部置于换热器内部 。 流程图见图4 。
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大图模式图4德国Leuna的氢液化生产装置
3氢液化发展方向
现存在用的大型氢液化装置主要面对的问题是?效率过低 ， 只有20%-30% ， 各国的学者针对这一问题开展了大量的研究 。 除此之外 ， 降低单位产氢功耗也是氢液化研究中的一个重要目标 。 研究表明 ， 未来获得优化的、高效的氢液化工艺流程主要通过创新氢液化流程和提高压缩机、膨胀机和换热器等主要系统组件的效率两种途径实现 。
3.1主要氢液化流程概念
表1展示了迄今为止提出的氢液化流程 ， 包括理论流程概念、现存装置的流程以及一些氢液化流程创新概念 。 创新氢液化流程的?效率可以达到50%以上 ， 而生产每kg液氢的耗电量最低达到4.41kWh 。 接下来介绍能耗最低的几种创新氢液化流程 。
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表1氢液化循环及其能耗
3.1.1Krasae-in提出的大型混合制冷剂系统
Krasae-in采用了一种由五种工质（摩尔分数分别为4%的氢气、18%的氮气、24%的甲烷、28%烷和26%丁烷）组成的混合制冷剂 ， 并采用了一种优化后的四循环的氢气Joule-Brayton循环制冷系统 ， 以此系统建造的产能为100t/D的氢液化装置总能耗为5.91kWh/kgLH2 ， ?效率为48.9% 。 除此之外还得出了换热器中压降对整体氢液化装置能耗没有影响的结论 。
3.1.2Valenti提出的四级Joule-Brayton循环
这种创新氢液化循环的液化量为10kg/s ， 末级采用两相透平膨胀机 ， 工况为1.5bar ， 20K ， 制冷方式为四级的氦回热式Joule-Brayton循环 。 在此循环中氦膨胀机的等熵效率为0.88-0.93 ， 氦压缩机为0.92 ， 氢膨胀机为0.85 ， 但测试发现 ， 该流程机器及系统效率很难达到 。


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