基于遗传算法的双压氢液化流程性能优化研究

由于液氢具有储氢密度高等显著优势,因此氢液化技术是实现氢大规模化应用的关键技术之一。构建了双压Claude循环的氢膨胀制冷氢液化循环流程,调用Refprop软件物性库确保物性数据的准确性,利用遗传算法以总比功耗为优化目标,开展了氢液化流程热力参数设计与优化。优化后流程氢液化率达到6.5 t/d,液氢产品仲氢含量95%,总比功耗为10.53 kW·h/kg,流程(火用)效率为35.72%。给出了低温各部件(除却压缩机和水冷器部分)的(火用)损失分布和各部件(火用)损失占比;可为大型工业级氢液化装置研制提供参考。

5 t/d氢液化装置的研制

氢液化装置对于推动氢的大规模应用至关重要。介绍了中国首个5 t/d氢液化装置的技术特点及研发进程。该装置直接利用氢气作为制冷工质,采用带LN2预冷的双压克劳德氢气制冷循环来液化氢气,正-仲氢转化方式为80 K液氮温度下的等温转化结合80 K以下温区的连续正-仲氢转化,具有氢液化循环效率高、能耗低、正-仲氢转化效率高的优点。主要设备包括两个串级使用往复式无油氢压缩机、一个真空绝热冷箱(直径为3.2 m、长为11 m)及液氢储罐。其中真空绝热冷箱内的主要设备包括4台串联使用的氢气透平膨胀机、多级低温换热器、多级正仲氢转化器、低温控制阀门等。通过流程优化设计,该装置的氢液化能力为5 t/d,比能耗设计值为11 kW·h/kg。目前氢压缩机、氢液化冷箱已完成制造,即将进行系统调试及运行。

5 t/d氢液化器流程设计及分析

超大型低温制冷系统是前沿科学装置和高新技术应用等领域的重大支撑装备。在国家重点研发计划课题的支持下,中国科学院理化技术研究所开展了5 t/d大型氢液化装置工艺流程设计工作,以制冷效率、各子系统的相互协调性为目标,通过分析,成功确定5 t/d液氢制取装备大型低温制冷系统各关键部件的基本规格以及进出口压力、温度、流量等参数,满足了设计需求。为未来大型氢液化器的落地实施和流程的进一步优化提供了指导。

1.5 t/d氢液化装置的研制与运行

国内首套自主研发、设计、集成并运行的1.5 t/d氢液化装置,采用了逆布雷顿制冷循环技术,标志着我国在民用氢液化技术领域的重要突破。介绍了该装置的系统组成、工艺流程及性能指标,并对其实际运行和性能测试结果进行了数据分析。通过远程监控获得了关于氢液化装置的关键性能数据,包括液化率、仲氢含量、液氮消耗量、压缩机电耗以及比能耗等。在满负荷工况下,该装置的液化率达到了1.59 t/d,比功耗为15.1 kW·h/kg,产品液氢中的仲氢含量高达98.5%,这些实测数据均优于设计指标。这套装置的研制成功,对于大型氢液化器的自主研发、集成和运行具有重要的理论和工程价值。

氢液化装置防固氧累积及安全消除固氧的流程优化

氢液化过程中氧含量超标可能导致固氧累积并导致氢氧爆炸风险。分析了由此引发的爆炸事故,并阐述了预防固氧累积的重要性。综述了近年来防止固氧累积的研究成果,包括使用超纯氢作为原料气、增加固氧洗涤器、将固氧累积调整为固空累积等,这些方法在一定程度上增加了成本或能耗。提出了一种新的解决方案,通过安装两道节流阀来防止固氧累积并安全地消除累积的固氧。通过流程模拟计算,证明了这种优化流程更易获得过冷液氢。该优化流程方案在实际应用中不会增加额外设备和能耗,具有广泛的适用性。

“氢液化、储运、加注及安全技术”专刊 序言

氢能作为清洁、低碳、高效、灵活且应用场景多样的能源载体,是唯一同时应用于交通、储能、发电和分布式冷热电联供的能源形式,将在低碳能源体系建设中发挥重要作用。2022年3月,国家发展改革委、国家能源局联合印发了《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》文件,地方政府也相继发布了相关的氢能发展规划。氢能要实现大规模应用和长距离运输,须破解储运环节成本居高不下的难题。液氢储氢的密度高,具有明显的能力规模和成本优势,将成为我国氢能规模化输运的有效途径之一。目前,亟须进一步突破氢液化、储运、加注及安全等关键技术和关键装备研制,为未来液氢产业链的发展保驾护航。

基于液氮预冷的氢液化流程设计分析

制备氢液化的工艺方法有许多种,流程的设计十分重要,若工艺流程不合理,则会导致氢液化时的能耗增加、污染变大、成本提高以及效率降低。氢液化的流程原理是将原料氢冷却处理,使其变为液态,液态氢的应用价值更高。基于此,通过分析氢气液化工艺的特征与液氮预冷的氢液化流程设计要求,进一步分析了氢液化流程的具体设计内容。

LNG预冷的新型氢液化工艺设计与优化

液氢能量密度高、运输效率高,成为了氢规模化储运的重要方式。为降低氢液化工艺能耗,提高效率,以双混合制冷剂的氢液化工艺为基础,提出了一种LNG预冷的新型氢液化工艺。该工艺利用LNG冷能预冷,通过混合制冷剂布雷顿循环进行深冷,深冷段采用了四级压缩、三级膨胀和三级正仲氢转化。采用Aspen HYSYS软件对工艺进行了模拟,并利用粒子群算法进行了优化。结果表明,优化后工艺的比能耗可达5.263 kW·h/kg,㶲效率可达58.18%,优于大部分已知氢液化工艺系统。该工艺流程相对简单,能耗低、效率高,可为氢液化工艺的设计和改进提供新的思路,同时拓展了沿海LNG接收站LNG冷能回收利用的新途径。

氢液化与低温高压储氢技术发展现状

H_(2)来源广泛、清洁无碳,是未来重要的清洁二次能源载体,在世界能源格局中占重要地位。H_(2)低温致密化技术可大幅提高储氢密度,有效解决H_(2)低密度、低沸点带来的大规模储运难题。综述了氢液化与低温高压储氢2种低温储氢技术的发展现状,对比了各类低温储氢流程的性能和特点,总结了未来发展方向,为H_(2)储运技术的发展提供参考。其中低温液态储氢(氢液化)的储氢密度高且储氢压力低,是目前主流的大规模氢储运方法之一;低温高压储氢则可达到与液氢接近的储氢密度,且本征能耗低、无需正仲氢转化,极具发展潜力;而采用以混合工质节流制冷循环为代表的闭式低温制冷循环替代液氮对H_(2)进行预冷或冷却,可显著降低H_(2)低温致密化能耗,是2种低温储氢技术的重要发展趋势。

正仲转化换热一体化大规模氢液化流程模拟

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2种氢液化流程进行研究,使用Aspen HYSYS搭建了2种液化系统,对比分析其在能耗、[火用]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6.6%,[火用]效率提高了27.76%,氢液化率提高了48.7%。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。

混合冷剂氢液化技术研究进展

氢能绿色无污染的特点使其成为实现我国“碳达峰”“碳中和”目标的重要手段,随着一系列相关政策的相继实施,氢能发展即将步入快车道。实现氢能低能耗大规模储运是目前亟待解决的技术瓶颈,混合冷剂氢液化工艺是解决该问题的有效手段。对当前混合冷剂氢液化工艺进行了统计分析,按照混合冷剂制冷温区介绍了不同研究者的基本技术路线以及混合冷剂组分优化,总结了当前混合冷剂氢液化工艺的技术特点,提出了未来混合冷剂氢液化工艺的发展建议,可为氢能高效大规模储运技术提供有效支持,加速实现氢能的大规模商用。

马家塔煤及其显微组分的加氢液化特征(英文)

用Fe2 O3 作催化剂 ,硫黄为助催化剂 ,脱晶蒽油为循环溶剂 ,在反应温度为 45 0℃ ,初始氢压为 10MPa ,反应时间为 6 0min 的实验条件下 ,在微型高压釜内对马家塔原料煤及其显微组分的加氢液化特征进行了系统研究。镜质组的液化反应性高于惰质组 ,在原料煤、镜质组和惰质组这三种实验原料中 ,原料煤的液化反应性是最高的。对总转化率和油收率而言 ,原料煤 >镜质组 >惰质组 ,对沥青烯产率而言 ,原料煤 >惰质组 >镜质组 ,水产率则是镜质组 >原料煤 >惰质组 ,气产率为惰质组 >镜质组 >原料煤。原料煤、镜质组和惰质组在加氢液化过程中所产生的气体在组成上也是有所差异的。各显微组分在加氢液化过程中可能存在着协同作用。

煤加氢液化铁催化剂的穆斯堡尔谱研究——Ⅰ.铁硫化物在加氢反应中的转化及活性机理

通过对铁硫化物催化剂及其液化残渣的穆斯堡尔谱测定,研究黄铁矿FeS_2在四氢萘(H_2气氛)中的热分解。由此制备得不同硫含量的铁硫化物催化剂,考察了它们在加氢液化过程中的转化及催化活性。

新型双压Linde-Hampson氢液化工艺设计与分析

为降低氢液化厂的生产能耗与投资成本,加快我国氢能商业化、民用化的发展,本文提出了一种采用液化天然气(LNG)预冷的新型双压Linde-Hampson(L-H)氢液化工艺系统。系统的设计液氢产量为5t/d,采用膨胀降温与换热冷却相结合的方法实现了对氢气的深冷。借助Aspen HYSYS软件对工艺流程展开了详细的模拟计算与分析,结果表明,该氢液化系统的比能耗为9.802kWh/kgH_(2),㶲效率为41.4%,系统的总㶲损失为1373.3kW,其中换热设备的㶲损失占主要部分;在对系统中关键参数进行的灵敏度分析中发现,氢气预压缩压力在2~4MPa范围内变化对液化系统的比能耗和氢气液化率影响较大,而LNG的加压压力对系统性能影响较小。新型氢液化工艺系统设备简单,投资成本较低,具备良好的液化性能,在未来中小型氢液化厂的建设中优势明显。

煤炭直接加氢液化技术开发的几点思考

回顾了煤直接加氢液化技术的开发历程和加氢液化反应机理、循环溶剂、催化剂和工艺方案等方面的发展,主要讨论了在煤直接加氢液化技术产业化时应注意的几个因素,即原料煤、溶剂、催化剂与工程放大。

煤加氢液化铁催化剂的穆斯堡尔谱研究——Ⅱ.氧化铁在不同反应条件下的转化及催化活性

本文用穆斯堡尔谱学方法跟踪氧化铁催化剂在褐煤液化中随时间的演变过程,同时考察它们在不同S/Fe比系列和不同温度系列中的活性组分及其催化活性。此外,还就超细颗粒进行了探讨。

年轻煤溶剂溶胀后加氢液化性能的研究

以山东龙口局洼里煤、新汶局孙村煤为研究用煤。首先进行溶剂溶胀,实验表明吡啶溶剂的溶胀作用最强。溶胀率指标表明溶胀煤结构变得疏松;热重分析表明溶胀煤热分解活性增强。然后对原煤和溶胀煤进行加氢液化实验,通过煤的转化率、液化油产率和煤气产率等指标,表明洼里原煤、洼里溶胀煤和孙村溶胀煤具有良好的加氢液化性能,各溶胀煤比其原煤的油产率均有显著提高。对于所实验煤的基本液化条件进行了实验探索。

两种西部煤的化学结构及加氢液化性能

为探究西部煤的加氢液化反应性能,对新疆淖毛湖煤和内蒙古不连沟煤在间歇高压反应釜中进行了加氢液化实验,借助固体13 C-NMR和FTIR分析手段,对比研究了不同类型碳和官能团在两种煤及反应中间产物沥青质(PAA)中的分布.结果发现:淖毛湖煤的转化率和油产率分别为96.33%和47.86%,明显高于不连沟煤的转化率(76.18%)和油产率(23.44%).煤中脂肪碳和芳香碳所占比例是造成加氢液化反应转化率差异的主要因素,脂肪类和芳香类官能团的含量与反应性的关系分别呈正相关和负相关;液化油产率与原料煤中亚甲基碳和次甲基碳含量有关;与原煤相比,沥青质中的脂肪碳比例减少而芳香碳比例增加,说明脂肪碳是加氢过程中发生裂解加氢的主要活性结构.

煤加氢液化残渣平均分子结构研究

为得到煤液化残渣的平均分子结构模型,对神华煤加氢液化残渣依次使用正庚烷、甲苯、吡啶进行逐级萃取,分别得到正庚烷可溶物（HS）、正庚烷不溶-甲苯可溶物（HI-TS）以及甲苯不溶-吡啶可溶物（TI-PS）3种可溶组分。通过元素分析、凝胶渗透色谱（GPC）以及傅里叶变换红外光谱分析（FTIR）、核磁共振（NMR）等现代仪器分析手段,结合平均分子结构参数计算方程得到了3种可溶组分的平均分子式及平均分子结构模型。计算结果表明：HS,HI-TS,TI-PS组分的平均相对分子质量分别为198,448,722;平均分子式分别为C14.41H15.80N0.08O0.47S0.012,C33.49H25.90N0.25O1.07S0.015,C53.03H38.03N0.98O2.21S0.014;平均分子结构以缩合芳环结构单元为主,同时含有1~2个氮、氧杂环或脂肪环,含有一定的烷基侧链,芳香度高。

大规模氢液化方法与装置

随着我国航天工程、新能源技术的发展,氢能已经纳入我国能源战略,成为优化能源消费结构和保障国家能源供应安全的战略选择。液氢的制取是氢能利用的重要环节,也是氢能利用的经济性和可行性保障。简要介绍了氢液化的发展历史,重点介绍了大型氢液化(LHL)的方法、循环及装置。在比较不同时期氢液化方法和氢液化装置特点的基础上,提出了未来大型氢液化装置的发展方向,包括提高压缩机、膨胀机和换热器等主要系统组件的效率,采用混合制冷剂自复叠预冷的高效液化循环以及两相膨胀机代替节流阀的新技术等。