混合工质预冷氢液化流程设计与能效分析

2022-08-31姚余波陈克平滕钧杰植晓琴邱利民

低温工程 2022年3期

姚余波陈克平滕钧杰植晓琴王凯邱利民

(1 浙江大学制冷与低温研究所杭州 310013)

(2 浙江省制冷与低温重点实验室杭州 310015)

1 引言

氢液化流程是决定液化能耗水平的关键,氢液化基本循环主要分为Linde-Hampson 循环、Claude 循环、氦制冷氢液化循环3 类。现有的大型氢液化流程存在的问题主要是比能耗较高,效率较低,只有20%—30%[1]。目前最先进的5 t/d LH2产率的氢液化器的比能耗SEC 约为10 kWh/kg LH2[2]。氢液化流程的改进方向主要集中在预冷方式、正仲氢转化、制冷方式等方面。

混合工质预冷在降低能耗方面效果显著,因此在未来也是氢液化流程降低预冷能耗的重要发展方向。许多专家学者对混合工质预冷氢液化循环进行创新尝试,为设计高效、低能耗的氢液化流程提供了更多的理论研究参考。Quack[3]提出了一种利用乙烷-丙烷三级压缩的预冷的氢液化流程,而深冷液化阶段由氦氖混合物的逆布雷顿循环冷却直至膨胀液化,该系统由此获得的比能耗为5—7 kWh/kgLH2,效率为60%。Berstad 等人[4]在此基础上改进并提出利用混合工质预冷循环进行预冷,利用混合工质相变时的温度滑移特性,改善冷却过程中的温度匹配性,流程能耗约为6.15—6.51 kWh/kgLH2。S.Krasae-in 等[5-6]提出了一种由混合制冷剂预冷,四级氢焦耳布雷顿串联制冷的氢液化流程,单位能耗为5.35 kWh/kg LH2。该预冷循环采用的混合工质由10 种不同有机组分组成,效率为54%。

本研究设计了一种混合工质预冷的氢液化流程并进行稳态模拟,通过评估预冷循环和第二级制冷循环以及整体液化循环的比能耗、效率等关键性能参数,与经典的混合工质预冷的理论模型进行了对比分析,探究了混合工质预冷循环以及不同初始条件对氢液化能耗和效率的影响。

2 大型氢液化系统设计

2.1 系统工艺流程介绍

图1 所示为本研究所提出的混合工质预冷氢液化流程图,该液化装置主要由3 部分组成:产品氢管线系统、混合工质预冷循环系统、氢克劳德制冷循环系统。原料氢H-1 经过两级压缩机进行加压后进入预冷和制冷循环的各级换热器进行逐级降温。HX表示换热器,原料氢经过HX1 后随即进入吸附器进行除杂提纯,然后再进入混合工质预冷循环被逐级冷却至118 K。氢气H-6 继续经过HX5-HX9 被第二级制冷循环逐级冷却至两相区。从HX9 流出的氢气物流H-11 经过节流阀节流实现氢气的液化。在该液化工艺流程中正仲氢催化剂耦合在换热器HX5、HX7、HX8、HX9 内。

图1 氢液化流程图Fig.1 Flowsheet of process for hydrogen liquefaction

本研究采用的预冷循环混合工质由8 种组分组成,如图2 所示,经压缩机加压后的混合工质M2 经水冷后产生部分冷凝,经过气液分离器进行分离。液相经过HX1 后进入EXP-1 进行膨胀,而后与循环回路物流M20 混合。气相混合工质经过HX1 换热冷凝后再次进行气液分离,混合工质物流M9 依次经过HX2、HX3、HX4 换热后进入EXP-3 进行膨胀,出口工质M16 进入循环回路。液相流股M10 经过HX2、HX3 换热后进入EXP-2 膨胀,而后汇入循环回路。循环回流M1 在进入压缩机之前首先进入气液分离器SEP-1,液相混合工质被加压泵送到与M4 物流汇合。

该液化流程的制冷循环采用氢克劳德循环。氢气流股14 通过压缩机进行加压,在经过HX5 后一部分氢气进入EXP-4 进行制冷,降温后的低温氢流股3 进入循环回路与流股17 混合。另一部分进入下一级HX6,经过HX6 换热之后继续进行多级膨胀制冷。最后经过HX8 的氢气流股8 通过J-T进行节流制冷,然后作为冷流股经过HX9 进入循环低压回路,依次通过HX8-HX5 逐级冷却产品氢气流股。

2.2 氢液化流程模拟

对上述所提出氢液化工艺流程采用化工流程软件Aspen Hysys 进行稳态模拟,模拟过程所采用的物性方程为Peng-Robinson 方程。原料氢的初始预设参数为300 K、0.15 MPa,进口质量流率为0.115 7 kg/s。通过参考相关实验文献[7]计算对应温度下平衡氢的正仲氢比例,通过曲线拟合得到仲氢含量与温度的关联式,结合关联式和软件中的反应器模块代替正仲氢转化过程。在稳态模拟中,假设在氢液化过程中正仲氢转化为等温转化过程。该液化系统混合工质预冷循环的初始流股M1 的化学组分及其摩尔分率如图2 所示。

图2 预冷循环混合制冷剂化学成分Fig.2 Mixed refrigerant chemical composition of the pre-cooling section

此外,在模拟过程中对流程做了如下相关假设:

(1)整个流程中换热器、管线以及冷却器中的压降均为零;

(2)该流程为稳态流程,忽略动能和势能的影响;

(3)正仲氢转化过程为等温转化;

(4)所有的压缩机和膨胀机的绝热效率均为85%,泵的绝热效率为80%。

3 结果与讨论

3.1 主要流股参数

基于以上假设以及初始预设条件,对所提出混合工质预冷氢液化工艺流程进行了模拟计算。得到各流股的详细参数,如表1、表2 所示。

表1 氢液化产品流股参数Table 1 Thermodynamic parameters of product hydrogen stream

表2 混合工质预冷循环及制冷循环流股参数Table 2 Thermodynamic parameters of mixed refrigerant pre-cooling cycle and hydrogen Joule-Brayton refrigeration cycle

原料氢被混合工质预冷循环逐级冷却至118 K。最终产品氢的仲氢含率为98%,温度和压力分别为20.5 K,0.11 MPa。其中,汽相含率为27.47%,液相含率72.53%,低温氢流股的总的质量流率为416.7 kg/h。液氢的质量流率为302.2 kg/h (0.083 9 kg/s),可实现7.25 t/d 的液氢产量。该混合工质预冷的氢液化工艺流程的模块图如图3 所示。

图3 氢液化过程块状图Fig.3 Block flow diagram of hydrogen liquefaction process

3.2 氢液化流程的能效分析

在利用Aspen Hysys 对该混合工质预冷氢液化流程的稳态模拟中,压缩机和膨胀机是关键的系统部件,相关的运行参数如表3、4 所示。

表3 压缩机与加压泵的运行参数及功耗Table 3 Power consumption of compressors and pump

表4 膨胀机运行参数及输出功Table 4 Output work and operating parameters of expanders

整个氢液化循环系统分为3 大模块:原料氢流程、混合工质预冷循环、氢克劳德制冷循环。产品氢流程中能耗为535.80 kW,混合工质预冷循环中压缩机和加压泵总能耗为Wtotol,1为552.51 kW,预冷循环中膨胀机总输出功为19.62 kW,根据式(1)可算出净功耗为532.89 kW。氢克劳德制冷循环中压缩机总功耗Wtotol,2为1146.84 kW,膨胀机输出功为232.58 kW,同理可得该制冷循环净功耗为914.26 kW。对整个氢液化流程,总功耗Wtotol为2 235.15 kW,总的膨胀机输出功Wexp为252.2 kW,液化净功耗Wnet为1 982.95 kW。

式(2)为生产单位质量液氢的单位比能耗SEC,其中mproduct为液氢的质量流率。已知液氢产率为0.083 9 kg/s,根据式(2)可以求得混合工质预冷循环、氢克劳德制冷循环以及氢液化系统整体的比能耗。

理想比能耗wideal是指生产单位质量液氢时原料氢降温至液氢温度的损[8],如式(3)所示。该流程的理论功耗为971.36 kW,本研究所提出的氢液化流程的理想比能耗为3.216 kWh/kg。

系统能效比COP定义为产品氢液化焓差与氢液化总净功耗之比[9],如式(6) 所示,计算结果为0.167。氢液化流程3 个子循环各自的功耗计算结果如图4 所示。

图4 液化流程子循环能量分析结果Fig.4 Calculation results of liquefaction cycle

3.3 相关对比分析

将本研究提出的氢液化流程与Leuna 工厂运行数据以及相关理论研究进行对比,关键参数对比结果如表5 所示。对比各氢液化流程可知,首先,除本研究所提出的方案外,其余的氢液化流程所使用的原料氢的压力都是高于2.0 MPa 的高压氢,随之带来的影响是,可以节省压缩氢带来的较大的功耗,这也是导致本研究液化流程理想比能耗SEC 较其他混合工质预冷氢液化流程理论研究的比能耗高的原因;其次,本研究将流向液氢储罐的实际液氢产率作为分母进行求解比能耗和等熵效率,而不是将原料氢进气质量流率作为液氢产率计算,在实际模拟过程中,液氢产率往往低于原料氢进气流率。此外,对比发现产量越大的系统,其比能耗更小,效率也更高。

表5 本研究氢液化流程与经典液化工艺流程对比Table 5 Comparison of energy consumption of proposed hydrogen liquefaction process with other hydrogen liquefaction process

参考其他理论研究所给出的初始工况,进行计算分析,结果如图5 所示。假设本研究所提出系统原料氢的初始参数为300 K,2.10 MPa,入口氢无需压缩机做功,压缩机功耗为0,产品氢的状态参数为0.11 MPa,20.5 K。该液化流程的系统总的净功耗Wnet,2为1447.15 kW,对氢液化过程进行损失计算,可计算得出从原料氢到产品氢的损为696.20 kW,效率为48.11%,理想比能耗为2.305 kWh/kg,系统能效因子COP为0.230。对比两种不同原料氢初始参数下的性能计算结果可知,较高给料压力下,效率基本不变,系统液化流程的比能耗更小,性能更优。