一種結合太陽能利用的氫液化工藝及系統

2023-07-01 14:06:01

1.本發明涉及一種結太陽能利用的氫液化工藝及系統，屬於氫氣液化技術領域。


背景技術：

2.近年來，綠色低碳、清潔高效的能源發展備受關注。氫氣作為一種清潔、高效、可再生的能源，是極具發展潛力的新能源之一，也是人類擺脫對傳統能源依賴的最經濟有效的替代能源之一，氫能正逐步成為全球能源發展轉型的重要能源。液氫由於其具有高能量密度、高運輸效率、市場化應用經濟性高、使用安全性好的特點而成為氫氣儲運和利用的一種經濟高效的方法。氫液化技術是生產液氫的核心，但目前傳統的氫氣液化工藝複雜、能耗高、效率低、投資費用高的問題，制約了液氫產業的大規模推廣，亟須研究更高效的液化工藝，降低成本以促進液氫產業的規模化發展。
3.同時，氫液化工藝與可再生能源系統相結合是近些年的研究熱點。太陽能作作為一種同樣被廣泛關注和利用的清潔能源，擁有著寬廣的應用前景，近年來也被廣泛研究，而是否並且如何將太陽能與氫能產業進行有效結合，在促進新能源利用的同時，有效提高系統能量利用效率並降低氫液化工藝能耗，是氫液化工藝與太陽能結合利用中需要解決的重要問題。


技術實現要素：

4.為解決上述技術問題，本發明的目的在於提供一種結合太陽能利用的新型氫液化工藝及系統，該工藝及系統具有太陽能利用效率、氫液化功耗低等優點。
5.為達到上述目的，本發明首先提供了一種結合太陽能利用的氫液化工藝系統(cmr-ars綜合系統)，其中，該氫液化工藝系統包括一號混合製冷劑預冷單元、二號混合製冷劑深冷單元、氫氣液化管路、太陽能提供熱源的吸收式製冷系統單元；
6.所述一號混合製冷劑預冷單元與所述二號混合製冷劑深冷單元共用部分逆流換熱器和正-仲氫轉化器；
7.所述吸收式製冷系統單元與所述二號混合製冷劑深冷單元連接，用於向所述二號混合製冷劑深冷單元提供冷量；
8.所述氫氣液化管路依次穿過所述一號混合製冷劑預冷單元和所述二號混合製冷劑深冷單元的逆流換熱器、正-仲氫轉化器。
9.在上述氫液化工藝系統中，一號混合製冷劑預冷單元與二號混合製冷劑深冷單元共用部分逆流換熱器和正-仲氫轉化器，並且分別使用兩種混合製冷劑串聯布置，其中，共用部分逆流換熱器是指在共用的逆流換熱器中，一號混合製冷劑預冷單元與二號混合製冷劑深冷單元分別採用該逆流換熱器的不同流道，預冷循環同時提供氫高溫區和深冷劑的冷量，深冷循環主要提供氫低溫區冷量，通過這種方式，可以實現對於氫液化管路中的氫氣的預冷；在完成預冷之後，氫氣通過氫液化管路進入二號混合製冷劑深冷單元的逆流換熱器，完成深度冷卻。
10.在上述氫液化工藝系統中，優選地，所述一號混合製冷劑預冷單元包括相互串聯的一級逆流換熱器、一級正-仲氫轉化器、二級逆流換熱器、二級正-仲氫轉化器、三級逆流換熱器、三級正-仲氫轉化器；這部分逆流換熱器和正-仲氫轉化器均與二號混合製冷劑深冷單元共用；其中，一級逆流換熱器設有六條流道，二級逆流換熱器設有六條流道，三級逆流換熱器設有五條流道；
11.更優選地，所述氫氣液化管路依次穿過一級逆流換熱器的第四流道、一級正-仲氫轉化器、二級逆流換熱器的第四流道、二級正-仲氫轉化器、三級逆流換熱器的第三流道、三級正-仲氫轉化器，由此可以實現對於氫氣的預冷以及相應的正-仲氫轉化。
12.在上述氫液化工藝系統中，優選地，所述二號混合製冷劑深冷單元包括串聯的一級逆流換熱器、一級正-仲氫轉化器、二級逆流換熱器、二級正-仲氫轉化器、三級逆流換熱器、三級正-仲氫轉化器、四級逆流換熱器、四級正-仲氫轉化器、五級逆流換熱器、五級正-仲氫轉化器、六級逆流換熱器、六級正-仲氫轉化器；通過四級逆流換熱器、五級逆流換熱器、六級逆流換熱器可以實現對於氫氣的深度冷卻；其中，四級逆流換熱器設有三條流道，五級逆流換熱器設有三條流道，六級逆流換熱器設有三條流道；
13.更優選地，所述氫氣液化管路依次穿過一級逆流換熱器的第四流道、一級正-仲氫轉化器、二級逆流換熱器的第四流道、二級正-仲氫轉化器、三級逆流換熱器的第三流道、三級正-仲氫轉化器、四級逆流換熱器的第一流道、四級正-仲氫轉化器、五級逆流換熱器的第一流道、五級正-仲氫轉化器、六級逆流換熱器的第一流道、六級正-仲氫轉化器。
14.在上述氫液化工藝系統中，優選地，該氫液化工藝系統還包括第七膨脹機和氫氣儲罐；其中，第七膨脹機用於實現對於氫氣的膨脹液化，氫氣儲罐用於存儲完成液化的液態氫；
15.所述氫氣液化管路通過所述六級正-仲氫轉化器之後，連接至所述第七膨脹機和氫氣儲罐。
16.在上述氫液化工藝系統中，優選地，所述一號混合製冷劑預冷單元還包括第一混合器、第二氣液分離器、第一膨脹機、第三氣液分離器、第二膨脹機、第三膨脹機、第一混合器、第二混合器、第三混合器、第一壓縮機、第一後冷器、第一氣液分離器、第二壓縮機、第一泵、第二後冷器；
17.所述第一混合器的出口與所述第二氣液分離器的入口連接；所述第二氣液分離器的氣相出口與所述一級逆流換熱器的第二流道的入口連接，所述一級逆流換熱器的第二流道的出口與所述第一膨脹機的入口連接，所述第一膨脹機的出口與所述第二混合器的入口連接，所述第二混合器的出口與所述一級逆流換熱器的第一流道的入口連接，所述一級逆流換熱器的第一流道的出口與所述第一壓縮機的入口連接，所述第一壓縮機的出口與所述第一後冷器的入口連接，所述第一後冷器的出口與所述第一氣液分離器的入口連接，所述第一氣液分離器的氣相出口與所述第二壓縮機的入口連接，所述第二壓縮機的出口與所述第二後冷器的入口連接，所述第二後冷器的出口與所述第一混合器的入口連接，所述第一氣液分離器的液相出口與所述第一泵的入口連接，所述第一泵的出口與所述第一混合器的入口連接；
18.所述第二氣液分離器的液相出口與所述一級逆流換熱器的第三流道的入口連接，所述一級逆流換熱器的第三流道的出口與所述第三氣液分離器的入口連接，所述第三氣液
分離器的氣相出口與所述二級逆流換熱器的第二流道的入口連接，所述二級逆流換熱器的第二流道的出口與所述第二膨脹機的入口連接，所述第二膨脹機的出口與所述第三混合器的入口連接，所述第三混合器的出口與所述二級逆流換熱器的第一流道的入口連接，所述二級逆流換熱器的第一流道的出口與所述第二混合器的入口連接；
19.所述第三氣液分離器的液相出口與所述二級逆流換熱器的第三流道的入口，所述二級逆流換熱器的第三流道的出口與所述三級逆流換熱器的第二流道的入口連接，所述三級逆流換熱器的第二流道的出口與所述第三膨脹機的入口連接，所述第三膨脹機的出口與所述三級逆流換熱器的第一流道的入口連接，所述三級逆流換熱器的第一流道的出口與所述第三混合器的入口連接；
20.更優選地，相互連接的第二氣液分離器、一級逆流換熱器的第一流道、第二流道和第三流道、第一膨脹機、第三氣液分離器、二級逆流換熱器的第一流道、第二流道和第三流道、第二膨脹機，三級逆流換熱器的第一流道和第二流道、第三膨脹機、第三混合器、第二混合器、第一壓縮機、第一後冷器、第一氣液分離器、第二壓縮機、第一泵、第二後冷器和第一混合器組成第一布雷頓循環。所述第一布雷頓循環用於實現對於一號混合製冷劑預冷單元中的一號混合製冷劑的冷卻，以便為一級逆流換熱器、二級逆流換熱器、三級逆流換熱器提供冷量。
21.在上述氫液化工藝系統中，優選地，所述二號混合製冷劑深冷單元還包括第一分流器、第四膨脹機、第五膨脹機、第六膨脹機、第五混合器、第四混合器、第三分流器、第三壓縮機、第四壓縮機、第五壓縮機、第六壓縮機、第七壓縮機、第三後冷器、第四後冷器、第五後冷器、第六後冷器、第七後冷器；
22.所述第四混合器的出口(第四混合器用來輸入he、ne、h2，不參與循環)與所述第三壓縮機、第三後冷器的製冷劑通道、第四壓縮機、第四後冷器的製冷劑通道、第五壓縮機、第五後冷器的製冷劑通道、第六壓縮機、第六後冷器的製冷劑通道、第七壓縮機、第七後冷器的製冷劑通道、所述一級逆流換熱器的第六流道的入口依次串聯，所述一級逆流換熱器的第六流道的出口與所述二級逆流換熱器的第六流道的入口連接，所述二級逆流換熱器的第六流道的出口與所述三級逆流換熱器的第五流道的入口連接，所述三級逆流換熱器的第五流道的出口與所述第一分流器的入口連接，所述第一分流器的第一出口與所述四級逆流換熱器的第三流道的入口連接，所述四級逆流換熱器的第三流道的出口與所述第四膨脹機的入口連接，所述第四膨脹機的出口與所述四級逆流換熱器的第二流道的入口連接，所述四級逆流換熱器的第二流道的出口與所述第五混合器的入口連接，所述第五混合器的出口與所述三級逆流換熱器的第四流道的入口連接，所述三級逆流換熱器的第四流道的出口與所述二級逆流換熱器的第五流道的入口連接，所述二級逆流換熱器的第五流道的出口與所述一級逆流換熱器的第五流道的入口連接，所述一級逆流換熱器的第五流道的出口與所述第四混合器與所述第三壓縮機之間的管路連接，所述第一分流器的第二出口與所述五級逆流換熱器的第三流道的入口連接，所述五級逆流換熱器的第三流道的出口與所述第五膨脹機的入口連接，所述第五膨脹機的出口與所述五級逆流換熱器的第二流道的入口連接，所述五級逆流換熱器的第二流道的出口與所述第五混合器的入口連接；
23.所述第一分流器的第三出口與所述六級逆流換熱器的第三流道的入口連接，所述六級逆流換熱器的第三流道的出口與所述第六膨脹機的入口連接，所述第六膨脹機的出口
與所述六級逆流換熱器的第二流道的入口連接，所述六級逆流換熱器的第二流道的出口與所述第五混合器的入口連接；
24.更優選地，第三壓縮機、第三後冷器、第四壓縮機、第四後冷器、第五壓縮機、第五後冷器、第六壓縮機、第六後冷器、第七壓縮機、第七後冷器、一級逆流換熱器、二級逆流換熱器、三級逆流換熱器、第一分流器、四級逆流換熱器、第四膨脹機、五級逆流換熱器、第五膨脹機、六級逆流換熱器、第六膨脹機、第五混合器組成第二布雷頓循環，並且該方法據此進行往復循環，形成第二布雷頓循環。所述第二布雷頓循環用於實現對於二號混合製冷劑深冷單元中的二號混合製冷劑的冷卻，以便為一級逆流換熱器、二級逆流換熱器、三級逆流換熱器、四級逆流換熱器、五級逆流換熱器、六級逆流換熱器提供冷量；
25.所述第三分流器的入口與所述吸收式製冷系統單元的出口連接，所述第三分流器的出口分別與所述第三後冷器的冷量通道、第四後冷器的冷量通道、第五後冷器的冷量通道、第六後冷器的冷量通道、第七後冷器的冷量通道連接，並且，這些冷量通道分別與所述吸收式製冷系統單元的入口連接。
26.在上述氫液化工藝系統中，優選地，所述吸收式製冷系統單元用於在壓縮機增壓後對製冷劑進行降溫冷卻，目的在於降低製冷劑因增壓而導致的大幅溫升，防止其以過高溫度進入下一設備。在第二布雷頓循環所包括深冷單元中，二號混合製冷劑為換熱器的冷量，主要是由其在第四膨脹機、第五膨脹機、第六膨脹機中的膨脹過程產生。
27.該吸收式製冷系統單元為太陽能吸收式製冷單元，其是以太陽能為能源來源。所述吸收式製冷系統單元包括太陽能集熱器、蓄能裝置、第二泵(溶液泵)、第三泵、發生器、冷凝器、吸收器、回熱換熱器、第一膨脹閥、第二膨脹閥、第六混合器、第七混合器、七級逆流換熱器、第二分流器；
28.其中，吸收式製冷系統單元的吸收式製冷循環採用的製冷劑為氨-水工質對；太陽能集熱器、蓄能裝置、發生器用於吸收太陽能並轉化為能量提供給吸收式製冷系統單元；冷凝器和吸收器設有用於換熱的水流通道；
29.其中，所述第六混合器的入口連接與所述二號混合製冷劑深冷單元連接，所述第六混合器的出口與所述第七混合器的入口連接，所述第七混合器的出口與所述吸收器的製冷劑通道的入口連接，所述吸收器的製冷劑通道的出口與所述第二泵的入口連接，所述第二泵的出口與所述回熱換熱器的第二流道的入口連接，所述回熱換熱器的第二流道的出口與所述發生器的底部入口連接，所述發生器的中部出口與所述回熱換熱器的第一流道的入口連接，所述回熱換熱器的第一流道的出口與所述第二膨脹閥的入口連接，所述第二膨脹閥的出口與所述第七混合器的入口連接；
30.所述發生器的頂部出口與所述冷凝器的製冷劑通道的入口連接，所述冷凝器的製冷劑通道出口與所述七級逆流換熱器的第一流道的入口連接，所述七級逆流換熱器的第一流道的出口與所述第一膨脹閥的入口連接，所述第一膨脹閥的出口與第二分流器的入口連接，所述第二分流器的第一出口與所述七級逆流換熱器的第二流道的入口連接，所述七級逆流換熱器的第二流道的出口與所述第七混合器的入口連接；
31.所述第二分流器的第二出口與所述二號混合製冷劑深冷單元連接；
32.所述發生器的底部出口與所述太陽能集熱器的入口連接，所述太陽能集熱器的出口與所述蓄能裝置的入口連接，所述蓄能裝置的出口與所述第三泵的入口連接，所述第三
泵的出口與所述發生器的頂部入口連接。
33.本發明採用的太陽能提供熱源的吸收式製冷系統(ars)單元一方面能夠以最合適的方式利用太陽能，並且具有較高的製冷效率，另一方面與cmr氫液化工藝的匹配性好，綜合能量利用效率高，並且具有清潔環保的優點。
34.本發明所提供的結合太陽能利用的氫液化工藝系統的氫液化部分構建了一種由兩種混合製冷劑循環串聯的新型cmr氫液化工藝系統，其預冷循環可同時提供氫高溫區和深冷劑的冷量，深冷循環主要提供氫低溫區冷量，在此基礎上增加太陽能提供熱源的吸收式製冷系統(ars)，實現氫液化與太陽能的結合，在促進新能源利用的同時，進一步降低氫液化能耗，促進氫液化工藝發展。本發明所提供的氫液化工藝系統能使預冷段的能耗降低到1.094kw/kglh2，深冷段能耗降低到3.88kw/kglh2，總單位能耗降低到5.01kw/kglh2，大幅低於現有一般的氫液化裝置，既促進了太陽能的使用，也實現了氫液化工藝的發展和能耗的降低。
35.本發明還提供了一種結合太陽能利用的氫液化工藝，其是採用上述結合太陽能利用的氫液化工藝系統進行的，其中：
36.氫氣由一號混合製冷劑預冷單元和二號混合製冷劑深冷單元預冷到-188℃至-192℃並將仲氫濃度提高至25％-29％，然後由二號混合製冷劑深冷單元深冷降溫至-253℃以下並將仲氫濃度提高至99％以上，再降壓至1.7bar以下並同時實現液化；
37.所述二號混合製冷劑深冷單元的二號混合製冷劑由吸收式製冷系統單元吸收太陽能來提供冷量。
38.在上述氫液化工藝中，優選地，經壓縮淨化處理後的氫氣首先進入一級逆流換熱器，溫度被預冷到-42℃至-46℃，然後進入一級正-仲轉換器將仲氫濃度提高至20％-25％，轉化升溫後的氫氣進入二級逆流換熱器，溫度進一步降到-101℃至-105℃，之後進入二級正-仲轉換器將仲氫濃度提高至25％-29％，轉化升溫後的氫氣進入三級逆流換熱器，溫度進一步降到-188℃至-192℃，完成一號混合製冷劑預冷單元的預冷過程和二號混合製冷劑深冷單元的預冷卻過程；預冷後的氫氣首先進入三級正-仲轉換器將仲氫濃度提高至52％-56％，轉化升溫後的氫氣進入第二混合製冷劑深冷單元的四級逆流換熱器降溫至-228℃至-232℃，之後進入四級正-仲氫轉化器將仲氫濃度提高至82％-86％，轉化升溫後的氫氣進入五級逆流換熱器降溫至-235℃至-240℃，之後進入五級正-仲氫轉化器將仲氫濃度提高至91％-95％，轉化升溫後的氫氣進入六級逆流換熱器進行深冷降溫至-253℃以下，之後進入六級正-仲氫轉化器將仲氫濃度提高至99％以上，最後過冷氫氣進入氫膨脹機，壓力從21bar降低到1.7bar並同時實現液化，得到液氫產品。
39.在上述氫液化工藝中，優選地，所述吸收式製冷系統單元的吸收式製冷循環採用的製冷劑為氨-水工質對，氨-水工質對中氨摩爾組分20-30％，水摩爾組分70-80％，更優選地，氨-水工質對中氨摩爾組分25％，水摩爾組分75％。
40.在上述氫液化工藝中，優選地，所述吸收式製冷系統單元為太陽能吸收式製冷單元，該太陽能吸收式製冷單元包括太陽能集熱系統和吸收式製冷循環，所述吸收式製冷循環將氨水冷卻至-25℃至-35℃，隨後低溫氨水分離成若干股，分別為深冷單元的壓縮機後冷器提供冷量，將此部分壓縮機出口物流冷卻至-20℃至-30℃。
41.在上述氫液化工藝中，一號混合製冷劑預冷單元通過一號混合製冷劑為一級逆流
換熱器、二級逆流換熱器和三級逆流換熱器提供冷量，優選地，以摩爾百分比計，所述一號混合製冷劑預冷單元中的一號混合製冷劑的摩爾組成包括：15-20％ch4、15-20％c2h4、5-10％c2h6、15-25％c3h8、1-5％nc4、10-20％nc5、0.5-2％ h2、10-20％n2和5-15％r14，各組分的摩爾百分比之和為100％；更優選地，以摩爾百分比計，所述一號混合製冷劑預冷單元中的一號混合製冷劑的摩爾組成包括：17％ch4、16％c2h4、7％c2h6、18％c3h8、2％nc4、15％nc5、1％ h2、16％ n2和8％r14。
42.在上述氫液化工藝中，二號混合製冷劑深冷單元通過二號混合製冷劑為一級逆流換熱器、二級逆流換熱器和三級逆流換熱器、四級逆流換熱器、五級逆流換熱器、六級逆流換熱器提供冷量，優選地，以摩爾百分比計，所述二號混合製冷劑深冷單元中的二號混合製冷劑的摩爾組成包括：70-80％he、5-15％ n2、10-20％ ne，各組分的摩爾百分比之和為100％；更優選地，以摩爾百分比計，所述二號混合製冷劑深冷單元中的二號混合製冷劑的摩爾組成包括：78.52％he、8.08％ n2、13.4％ ne。
43.本發明提供的結合太陽能利用的新型氫液化工藝系統(cmr-ars綜合系統)包括一號混合製冷劑預冷單元、二號混合製冷劑深冷單元、氫氣液化管路、太陽能提供熱源的吸收式製冷系統單元。其中，一號混合製冷劑預冷單元與二號混合製冷劑深冷單元串聯，對於一級逆流換熱器、二級逆流換熱器、三級逆流換熱器，一號混合製冷劑預冷單元完成預冷的同時，二號混合製冷劑深冷單元也完成其預冷卻過程；吸收式製冷系統單元採用太陽能集熱器及蓄熱裝置提供發生器熱能，使用氨-水工質對進行製冷循環，對壓縮機出口物流進行冷卻；氫氣在預冷的同時通過三個正-仲氫轉化器，氫氣預冷至一定溫度後，進入三段深冷循環和三個正-仲氫轉化器，深冷降溫後膨脹液化，得到滿足儲存條件，仲氫濃度99％以上的液氫產品。本發明採用兩種混合製冷劑循環串聯體系，並且能夠與太陽能吸收式製冷相結合實現氫液化，有效降低能耗，大大提高了工作效率，與太陽能相結合的液化工藝對促進新能源的使用，降低碳排放和改善環境具有一定積極作用。
44.本發明的技術方案提出的是一種全新的結合太陽能利用的新型氫液化工藝系統(cmr-ars綜合系統)，使用兩種混合製冷劑循環串聯，預冷循環同時提供氫高溫區和深冷劑的冷量，深冷循環主要提供氫低溫區冷量，預冷段與深冷段均為混合製冷劑循環，並利用太陽能吸收式製冷系統利用太陽能，同時將特定的流程結構、混合製冷劑組成以及工藝參數取值結合在一起，形成一種高效的氫液化工藝技術，實現了冷量的高效匹配，在高效利用太陽能的同時大大降低氫液化的比能耗，改善了液化過程的換熱特性，大幅提升了製冷效率，有效降低了氫液化工藝的比功耗，並提供了一條高效利用太陽能的技術路徑，並且可以作為後續技術進一步發展改進的基礎技術方案。
45.本發明的有益效果是：
46.(1)本發明提供的結合太陽能利用的新型氫液化工藝系統的能耗低至5.010kwh/kglh2，性能係數0.2621，與現有氫液化系統相比，該系統工藝能耗大大降低，性能表現優秀；
47.(2)在本發明所提供的工藝系統中，兩個混合製冷劑循環串聯布置，使製冷劑的冷量分配更加均勻，有利於提高換熱性能，降低能耗；並且在預冷流程中涉及前三級換熱器，深冷流程中涉及了包括前三級換熱器在內的全部六級換熱器，也就是預冷循環可同時提供氫高溫區和深冷劑的冷量，深冷循環則主要提供氫低溫區冷量；
48.(3)本發明所提供的工藝系統的深冷段的分離器在進行流股分配時設置兩個自由度，增加了系統操作的靈活性；
49.(4)在本發明所提供的工藝系統中，採用太陽能吸收式製冷單元引入太陽能，改變了壓縮機出口物流的冷卻方式，使用以低溫氨流為製冷劑的換熱器代替水冷器，達到降低冷卻溫度的目的，而且在太陽能吸收式製冷單元增加後，綜合系統中各冷卻器熱負荷普遍減少；
50.(5)本發明所提供的工藝系統通過合理分配冷量和採用多級正-仲氫轉化提高了氫液化性能，可確保氫液化的同時仲氫佔比超過95％，甚至在hysys軟體模擬中最終仲氫佔比可達到99.4％，可儘可能延長液氫無損儲存的時間，減少液氫蒸發。
51.(6)本發明中極高的能量利用效率是由特定的製冷組合、特定的流程結構、特定的混合冷劑組成以及特定的工藝參數取值相互結合在一起而得到的，其中任一部分單獨採用無法取得良好的技術效果。
附圖說明
52.圖1為實施例1提供的結合太陽能利用的氫液化工藝系統的結構示意圖。
53.主要附圖標號說明：
54.一級逆流換熱器～七級逆流換熱器hx-1～hx-7
55.一級正-仲氫轉化器～六級正-仲氫轉化器con-1～con-6
56.第一混合器～第七混合器mix-1～mix-7
57.第一膨脹機～第六膨脹機exp-1～exp-6
58.第一分流器～第三分流器tee-1～tee-3
59.第一壓縮機～第七壓縮機com-1～com-6
60.第一後冷器～第七後冷器cooler-1～cooler-7
61.第一氣液分離器～第三氣液分離器sep-1～sep-3
62.氫氣儲罐tank
63.太陽能集熱器1蓄能裝置2
64.第一泵～第三泵pump1～pump3
65.發生器gen冷凝器cond
66.吸收器abs回熱換熱器hx-a
67.第一膨脹閥vlv1第二膨脹閥vlv2
具體實施方式
68.為了對本發明的技術特徵、目的和有益效果有更加清楚的理解，現對本發明的技術方案進行以下詳細說明，但不能理解為對本發明的可實施範圍的限定。
69.實施例1
70.本實施例提供了一種結合太陽能利用的氫液化工藝系統，其結構如圖1所示。
71.該氫液化工藝系統包括一號混合製冷劑預冷單元、二號混合製冷劑深冷單元、氫氣液化管路、太陽能提供熱源的吸收式製冷系統單元、第七膨脹機exp-7、氫氣儲罐tank；
72.一號混合製冷劑預冷單元包括相互串聯的一級逆流換熱器hx-1、一級正-仲氫轉
化器con-1、二級逆流換熱器hx-2、二級正-仲氫轉化器con-2、三級逆流換熱器hx-3、三級正-仲氫轉化器con-3、第一混合器mix-1、第二氣液分離器sep-2、第一膨脹機exp-1、第三氣液分離器sep-3、第二膨脹機exp-2、第三膨脹機exp-3、第一混合器mix-1、第二混合器mix-2、第三混合器mix-3、第一壓縮機com-1、第一後冷器cooler-1、第一氣液分離器sep-1、第二壓縮機com-2、第一泵pump1、第二後冷器cooler-2；
73.二號混合製冷劑深冷單元包括串聯的一級逆流換熱器hx-1、一級正-仲氫轉化器con-1、二級逆流換熱器hx-2、二級正-仲氫轉化器con-2、三級逆流換熱器hx-3、三級正-仲氫轉化器con-3、四級逆流換熱器hx-4、四級正-仲氫轉化器con-4、五級逆流換熱器hx-5、五級正-仲氫轉化器con-5、六級逆流換熱器hx-6、六級正-仲氫轉化器con-6、第一分流器tee-1、第四膨脹機exp-4、第五膨脹機exp-5、第六膨脹機exp-6、第五混合器mix-5、第四混合器mix-4、第三分流器tee-3、第四混合器mix-4、第三壓縮機com-3、第四壓縮機com-4、第五壓縮機com-5、第六壓縮機com-6、第七壓縮機com-7、第三後冷器cooler-3、第四後冷器cooler-4、第五後冷器cooler-5、第六後冷器cooler-6、第七後冷器cooler-7；
74.吸收式製冷系統單元包括太陽能集熱器1、蓄能裝置2、第二泵pump2、第三泵pump3、發生器gen、冷凝器cond、吸收器abs、回熱換熱器hx-a、第一膨脹閥vlv1、第二膨脹閥vlv2、第六混合器mix-6、第七混合器mix-7、七級逆流換熱器hx-7、第二分流器tee-2；
75.在圖1中，一級換熱器hx-1到七級換熱器hx-7的流道命名按照由上向下的順序進行，即最上方的流道為第一流道。
76.第一壓縮機com-1的入口與一級逆流換熱器hx-1的第一流道的出口連接，第一壓縮機com-1的出口與第一後冷器cooler-1的入口連接，第一後冷器cooler-1的出口與第一氣液分離器sep-1的入口連接，第一氣液分離器sep-1的氣相出口與第二壓縮機com-2的入口連接，第二壓縮機com-2的出口與第二後冷器cooler-2的入口連接，第二後冷器cooler-2的出口與第一混合器mix-1的入口連接，第一氣液分離器sep-1的液相出口與第一泵pump1的入口連接，第一泵pump1的出口與第一混合器mix-1的入口連接，第一混合器mix-1的出口與第二氣液分離器sep-2的入口連接；第二氣液分離器sep-2的氣相出口與一級逆流換熱器hx-1的第二流道的入口連接，一級逆流換熱器hx-1的第二流道的出口與第一膨脹機exp-1的入口連接，第一膨脹機exp-1的出口與第二混合器mix-2的入口連接，第二混合器mix-2的出口與一級逆流換熱器hx-1的第一流道的入口連接；
77.第二氣液分離器sep-2的液相出口與一級逆流換熱器hx-1的第三流道的入口連接，一級逆流換熱器hx-1的第三流道的出口與第三氣液分離器sep-3的入口連接，第三氣液分離器sep-3的氣相出口與二級逆流換熱器hx-2的第二流道的入口連接，二級逆流換熱器hx-2的第二流道的出口與第二膨脹機exp-2的入口連接，第二膨脹機exp-2的出口與第三混合器mix-3的入口連接，第三混合器mix-3的出口與二級逆流換熱器hx-2的第一流道的入口連接，二級逆流換熱器hx-2的第一流道的出口與第二混合器mix-2的入口連接；
78.第三氣液分離器sep-3的液相出口與二級逆流換熱器hx-2的第三流道的入口，二級逆流換熱器hx-2的第三流道的出口與三級逆流換熱器hx-3的第二流道的入口連接，三級逆流換熱器hx-3的第二流道的出口與第三膨脹機exp-3的入口連接，第三膨脹機exp-3的出口與三級逆流換熱器hx-3的第一流道的入口連接，三級逆流換熱器hx-3的第一流道的出口與第三混合器mix-3的入口連接；
79.第四混合器mix-4的出口與第三壓縮機com-3、第三後冷器cooler-3的製冷劑通道、第四壓縮機com-4、第四後冷器cooler-4的製冷劑通道、第五壓縮機com-5、第五後冷器cooler-5的製冷劑通道、第六壓縮機com-6、第六後冷器cooler-6的製冷劑通道、第七壓縮機com-7、第七後冷器cooler-7的製冷劑通道、一級逆流換熱器hx-1的第六流道的入口依次串聯；
80.一級逆流換熱器hx-1的第六流道的出口與二級逆流換熱器hx-2的第六流道的入口連接，二級逆流換熱器hx-2的第六流道的出口與三級逆流換熱器hx-3的第五流道的入口連接，三級逆流換熱器hx-3的第五流道的出口與第一分流器tee-1的入口連接，第一分流器tee-1的第一出口與四級逆流換熱器hx-4的第三流道的入口連接，四級逆流換熱器hx-4的第三流道的出口與第四膨脹機exp-4的入口連接，第四膨脹機exp-4的出口與四級逆流換熱器hx-4的第二流道的入口連接，四級逆流換熱器hx-4的第二流道的出口與第五混合器mix-5的入口連接，第五混合器mix-5的出口與三級逆流換熱器hx-3的第四流道的入口連接，三級逆流換熱器hx-3的第四流道的出口與二級逆流換熱器hx-2的第五流道的入口連接，二級逆流換熱器hx-2的第五流道的出口與一級逆流換熱器hx-1的第五流道的入口連接，一級逆流換熱器hx-1的第五流道的出口與第四混合器mix-4與第三壓縮機com-3之間的管路連接；
81.第一分流器tee-1的第二出口與五級逆流換熱器hx-5的第三流道的入口連接，五級逆流換熱器hx-5的第三流道的出口與第五膨脹機exp-5的入口連接，第五膨脹機exp-5的出口與五級逆流換熱器hx-5的第二流道的入口連接，五級逆流換熱器hx-5的第二流道的出口與第五混合器mix-5的入口連接；
82.第一分流器tee-1的第三出口與六級逆流換熱器hx-6的第三流道的入口連接，六級逆流換熱器hx-6的第三流道的出口與第六膨脹機exp-6的入口連接，第六膨脹機exp-6的出口與六級逆流換熱器hx-6的第二流道的入口連接，六級逆流換熱器hx-6的第二流道的出口與第五混合器mix-5的入口連接；
83.第三分流器tee-3的入口與吸收式製冷系統單元的第二分流器tee-2的第二出口連接，第三分流器tee-3的出口分別與第三後冷器cooler-3的冷量通道、第四後冷器cooler-4的冷量通道、第五後冷器cooler-5的冷量通道、第六後冷器cooler-6的冷量通道、第七後冷器cooler-7的冷量通道連接，並且，這些冷量通道分別與吸收式製冷系統單元的第六混合器mix-6的入口連接；
84.第六混合器mix-6的出口與第七混合器mix-7的入口連接，第七混合器mix-7的出口與吸收器abs的製冷劑通道的入口連接，吸收器abs的製冷劑通道的出口與第二泵pump2的入口連接，第二泵pump2的出口與回熱換熱器hx-a的第二流道的入口連接，回熱換熱器hx-a的第二流道的出口與發生器gen的底部入口連接，發生器gen的中部出口與回熱換熱器hx-a的第一流道的入口連接，回熱換熱器hx-a的第一流道的出口與第二膨脹閥vlv2的入口連接，第二膨脹閥vlv2的出口與第七混合器mix-7的入口連接；
85.發生器gen的頂部出口與冷凝器cond的製冷劑通道的入口連接，冷凝器cond的製冷劑通道出口與七級逆流換熱器的第一流道的入口連接，七級逆流換熱器的第一流道的出口與第一膨脹閥vlv1的入口連接，第一膨脹閥vlv1的出口與第二分流器tee-2的入口連接，第二分流器tee-2的第一出口與七級逆流換熱器hx-7的第二流道的入口連接，七級逆流換熱器hx-7的第二流道的出口與第七混合器mix-7的入口連接；
86.第二分流器tee-2的第二出口與第三分流器tee-3的入口連接；
87.發生器gen的底部出口與太陽能集熱器1的入口連接，太陽能集熱器1的出口與蓄能裝置2的入口連接，蓄能裝置2的出口與第三泵pump3的入口連接，第三泵pump3的出口與發生器gen的頂部入口連接。
88.氫氣液化管路依次穿過一級逆流換熱器hx-1的第四流道、一級正-仲氫轉化器con-1、二級逆流換熱器hx-2的第四流道、二級正-仲氫轉化器con-2、三級逆流換熱器hx-3的第三流道、三級正-仲氫轉化器con-3、四級逆流換熱器hx-4的第一流道、四級正-仲氫轉化器con-4、五級逆流換熱器hx-5的第一流道、五級正-仲氫轉化器con-5、六級逆流換熱器hx-6的第一流道、六級正-仲氫轉化器con-6、第七膨脹機exp-7，連接至氫氣儲罐tank。
89.實施例2
90.本實施例提供了一種結合太陽能利用的氫液化工藝，其是採用實施例1的結合太陽能利用的氫液化工藝系統進行的，其中：
91.氫氣液化管路中：氫氣首先進入一級逆流換熱器hx1，溫度被預冷到-42℃至-46℃，然後進入一級正-仲轉換器con-1將仲氫濃度提高至20％～25％，轉化升溫後的氫氣進入二級逆流換熱器hx2，溫度進一步降到-101℃至-105℃，之後進入二級正-仲轉換器con-2將仲氫濃度提高至25％～29％，轉化升溫後的氫氣進入三級逆流換熱器hx3，溫度進一步降到-188℃至-192℃，完成一號混合製冷劑預冷單元的預冷過程和二號混合製冷劑深冷單元的預冷卻過程；預冷後的氫氣首先進入三級正-仲轉換器con-3將仲氫濃度提高至52％～56％，轉化升溫後的氫氣進入第二混合製冷劑深冷單元的四級逆流換熱器hx4降溫至-228℃至-232℃，之後進入四級正-仲氫轉化器con-4將仲氫濃度提高至82％～86％，轉化升溫後的氫氣進入五級逆流換熱器hx5降溫至-235℃至-240℃，之後進入五級正-仲氫轉化器con-5將仲氫濃度提高至91％～95％，轉化升溫後的氫氣進入六級逆流換熱器hx6進行深冷降溫至-253℃，之後進入六級正-仲氫轉化器con-6將仲氫濃度提高至99％以上，最後過冷氫氣進入氫膨脹機exp-7，壓力從21bar降低到1.7bar並同時實現液化，得到液氫產品。
92.一號混合製冷劑預冷單元包括以下步驟：
93.一號混合製冷劑預冷單元由一個布雷頓循環構成，以摩爾百分比計，一號混合製冷劑由17％ch4、16％c2h4、7％c2h6、18％c3h8、2％nc4、15％nc5、1％ h2、16％ n2和8％r14組成，循環同時提供氫高溫區和深冷劑的冷量；
94.一號混合製冷劑(流pr18)經第一壓縮機com-1壓縮並由第一後冷器cooler-1水冷後經第一氣液分離器sep-1分離為兩相，汽相、液相(流pr21和流pr22)分別經第二壓縮機com-2和第一泵pump1增壓後由第一混合器mix-1再次混合，並通過第二氣液分離器sep-2進行二次分離，分離後的汽相流、液相流(流pr3和流pr2)進入一級逆流換熱器hx-1的第二、三流道冷卻。一級逆流換熱器hx-1出口處液相流(流pr4)進入第一膨脹機exp-1，汽相流(流pr5)則繼續分離為兩相(流pr7和流pr8)並進入二級逆流換熱器hx-2的第二、三流道冷卻。同樣的，液相(流pr9)進入第二膨脹機exp-2，汽相(流pr10)則進入三級逆流換熱器hx-3第二流道繼續冷卻，隨後進入第三膨脹機exp-3膨脹降溫並返回三級逆流換熱器hx-3第一流道為自身、深冷劑及原料氫提供冷量。三級逆流換熱器hx-3第一流道流出的低溫低壓製冷劑與第二膨脹機exp-2出口處的低溫液相製冷劑(流pr11)混合，隨後返回二級逆流換熱器hx-2第一流道提供冷量。二級逆流換熱器hx-2第一流道流出的低壓製冷劑(流pr16)與第一
膨脹機exp-1出口處的低溫液相製冷劑(流pr6)混合，並返回一級逆流換熱器hx-1第一流道提供冷量。製冷劑經換熱器持續復溫後返回一級壓縮機com-1入口完成預冷工作。
95.二號混合製冷劑深冷單元包括以下步驟：
96.二號混合製冷劑深冷單元由一個布雷頓循環構成，以摩爾百分比計，二號混合製冷劑由78.52％he、8.08％ n2、13.4％ ne組成，循環主要為液化和過冷氫氣提供冷量。
97.深冷劑在經過第三壓縮機com-3、第三後冷器cooler-3、第四壓縮機com-4、第四後冷器cooler-4、第五壓縮機com-5、第五後冷器cooler-5、第六壓縮機com-6、第六後冷器cooler-6、第七壓縮機com-7、第七後冷器cooler-7的五級壓縮水冷後壓力達到1000kpa左右，隨後依次進入一級～三級逆流換熱器hx-1～hx-3第六流道進行預冷卻，冷卻溫度與預冷劑保持一致。二級逆流換熱器hx-2第六流道出口處，深冷劑由第一分流器tee-1進行流股分割，其中sr15進入深冷段的四級逆流換熱器hx-4(亦可稱為一級深冷換熱器)進一步冷卻，之後進入第四膨脹機exp-4中進行等熵膨脹，膨脹機出口的低溫低壓深冷劑(流sr15.b)返回至四級逆流換熱器hx-4第二流道中為原料氫和自身提供相應溫區的冷量。流sr16、sr17分別進入五級逆流換熱器hx-5(亦可稱為二級深冷換熱器)、六級逆流換熱器hx-6(亦可稱為三級深冷換熱器)，進行與sr15類似的工作。最後三級換熱器出口處的深冷劑冷物流在第五混合器tee-5中進行混合，並依次返回三級逆流換熱器hx-3、二級逆流換熱器hx-2、一級逆流換熱器hx-1換熱器為原料氫提供冷量並逐漸復溫。復溫後深冷劑重新進入三級壓縮機com-3，進行下一次循環。
98.太陽能吸收式製冷單元包括如下工藝步驟：
99.太陽能吸收式製冷單元包括太陽能集熱系統和吸收式製冷循環；
100.太陽能集熱系統包括太陽能集熱器1和蓄能裝置2，太陽能集熱器1吸收太陽能並將太陽能轉化為熱能進入蓄能裝置2儲存，熱能給水加熱，使水溫升高，溫度升高的熱媒水經第三泵pump3進入發生器gen，並對發生器gen裡的氨-水工質對溶液加熱；氨-水工質對中氨摩爾組分25％，水摩爾組分75％；
101.吸收式製冷循環包括製冷劑正循環和吸收劑逆循環。正循環中工質對中氨製冷劑受熱升溫，在達到其飽和點後蒸發成氣態製冷劑r1，隨後進入冷凝器cond降溫獲得常溫液態製冷劑r2，r2經七級逆流換熱器hx-7降溫後通過第一節流閥vlv-1，節流膨脹後獲得低溫液態製冷劑r4，並被第二分流器tee-2分為r5、r6兩股物流，流r5返回七級逆流換熱器hx-7為自身提供冷量，流r6被第三分流器tee-3分成五股冷流，進入深冷段壓縮機出口冷卻器換熱，經第六混合器mix-6混合為流r13；換熱升溫後的流r7、流r13與節流冷卻後的高濃度吸收劑在吸收器abs冷卻完成溶解，並由第二泵pump2經輸送回發生器gen完成製冷循環；逆循環中吸收劑溶液a1首先進入回熱換熱器hx-a冷卻降溫，隨後經第二膨脹閥vlv2節流降壓後以流a3進入第七混合器mix-7，與提供冷量後的製冷劑r7混合後進入吸收器abs，經吸收器abs升溫後再由第二泵pump2輸送至發生器gen開始下一次製冷循環。
102.使用aspen hysys(v10)軟體對本實施例進行模擬，本實施例中的各種物流節點的相應參數如表1所示，本實施例所能夠達到的系統性能如表2所示。
103.表1
[0104][0105]
[0106][0107]
表2
[0108]
[0109][0110]
由上表可以看出，本發明的技術方案能夠很好地實現氫液化與太陽能利用的結合，在促進太陽能利用的同時，降低氫液化系統能耗，節約能量。
[0111]
上述實施例是本發明的一種具體實施方式，並非是對本發明作任何其他形式的限制，依據本發明的技術實質所作的任何修改或相似變化，均屬於本發明的保護範圍。