高纯氦气氮气氩气氧气乙炔特种气体

引言

随着氢能应用场景的扩展，液氢作为高密度储运载体和清洁燃料的地位日益凸显。然而，传统液氢生产工艺存在能耗高、仲氢转化不完全、原料浪费等问题。本文解读的专利技术（CN 102080919 A）提出了一种创新性的氢液化工艺，通过氮、氦、氢三循环协同，实现了冷量梯级利用与资源高效回收，为液氢规模化生产提供了新思路。

工艺架构与技术亮点

该工艺由三个独立制冷循环构成，通过冷箱内的热交换网络实现冷量传递（图1）：

1. 氮制冷循环——基础冷源供给

• 空分装置为核心：空气经压缩、纯化后生成液氮，作为初始冷源输入冷箱。

• 闭环设计降损耗：液氮在第二热交换器（HE2）中汽化后，低温氮气继续参与第一热交换器（HE1）冷却，最终返回空分系统压缩机，实现氮气零排放循环。

• 能效提升关键：液氮的相变潜热（~199 kJ/kg）被充分用于预冷氢气和氦气，降低后续制冷负荷。

2. 氦制冷循环——深度低温保障

• 四级降温路径：氦气依次通过HE1（95-97K）、HE2、低温吸附器（去除杂质）、HE3（50-52K），最终经透平膨胀机骤降至24-25K形成液氦。

• 膨胀机关键作用：透平膨胀将高压氦气的压力能（1.2-1.3MPa→0.13MPa）转化为低温冷量，突破氢液化所需的20K级温区。

• 油分离系统创新：复温氦气经粗/残油两级分离，确保氦气纯度＞99.999%，避免油污堵塞热交换器。

3. 氢制冷循环——液化与仲氢转化

• 双级纯化体系：原料氢先经前端净化（脱除H2O、CO2等），再通过冷箱内的低温纯化器（-196℃）吸附残留氧、氮，杜绝固化物风险。

• 正-仲氢梯级转化：

• 一级反应器（HE2内，77-79K）：使用铁系催化剂，仲氢浓度提升至47-48%，转化热通过液氮冷量移除。

• 二级反应器（HE4后，＜25K）：采用活性炭负载镍催化剂，仲氢浓度达95-96%，冷量由液氦提供。

• 逆流换热设计：氢气依次流经HE1→HE2→HE3→HE4，温度从常温逐级降至液化点，冷量利用率提升30%以上。

技术优势解析

1. 多冷源协同增效
   液氮（77K）与液氦（25K）形成温度互补，覆盖氢液化全温区（300K→20K）。相比单一制冷剂系统，能耗降低40%以上。

2. 循环资源零浪费
   氮/氦工质回收率＞99.9%，氦气损耗控制在0.1kg/吨液氢以下，显著降低稀有气体使用成本。

3. 仲氢转化优化
   双级反应器设计使转化热分阶段释放：一级高温段（79K）移除83%热量，二级低温段仅需处理剩余17%，减少液氦消耗量。

4. 安全性能提升
   前置纯化（脱氧至＜1ppb）结合低温吸附，彻底消除固氧爆炸风险，系统可靠性达到航天级标准。

工程应用前景

该工艺已实现单线产能5吨/天的工程验证，较传统流程具有显著优势：

• 能耗指标：比Claude循环降低35%，单位液氢电耗＜12kWh/kg。

• 建设成本：模块化冷箱设计减少管路长度，投资成本下降20%。

• 适用范围：既可与现有空分装置耦合，也可独立建设氢能综合站。

结语

这项专利技术通过多循环耦合与热力学优化，突破了液氢生产的高能耗瓶颈。其模块化设计尤为适合分布式制氢场景，为氢能大规模商业化应用提供了关键技术支撑。未来随着氦气回收技术的进步，该工艺的经济性将进一步提升，有望推动液氢成为主流能源载体。