论文总字数：24903字

摘 要

对能源的需求以及对环境品质的控制，如何对可再生能源充分利用来代替化石能源是现在重点关注的问题，氢作为二十一世纪最有发展前景的二次能源，对其利用系统的设计有很大的研究价值。本文为了提高电网稳定性、补偿负荷波动，充分利用峰谷电以及可再生能源如太阳能风能不稳定能源发电而采用液氢来进行大规模储能，并对用于高压液氢液氧直燃动力系统中的高压液氢冷能进行利用为目标，以现有氢液化循环和液化天然气的冷能利用作为参考进行了氢液化流程以及高压液氢冷能利用流程的设计及热力分析。

本文按照流程设计原则设计了一种液氮预冷氦制冷的氢液化循环，其中氦制冷循环采用改进的克劳特循环，经过热力分析发现该液化流程总效率较低，可通过提高压缩机效率以及修改流程流量和温度来优化提高其效率。高压液氢冷能利用系统则参考液化天然气的冷能利用设计了两级朗肯循环系统。本文中两级朗肯循环分别选取了氮以及二氧化碳作为二次冷媒。按照本文设计的一二级循环效率分别为38.08%和57.72%。

关键词：氢气，液化，冷能利用

Abstract

With regard to energy demand and the control of environmental quality, how to make full use of renewable energy to replace fossil energy is now a major concern. Hydrogen is the most promising secondary energy in the 21st century and its utilization system is worth designing. In order to improve the stability of the power grid and compensate for load fluctuations, fully utilizes peak-to-peak power and renewable energy such as solar wind energy for unstable energy generation is fully utilized and adopts liquid hydrogen for large-scale energy storage, and is used for direct combustion of high-pressure liquid hydrogen and liquid oxygen. The use of cold energy of high pressure liquid hydrogen in the system is targeted, the design and thermal analysis of the hydrogen liquefaction process and the high pressure liquid hydrogen cold energy utilization process are performed using the existing hydrogen liquefaction cycle and the cold energy utilization of liquefied natural gas as a reference.

A liquid nitrogen precooling and crucible refrigeration hydrogen liquefaction cycle is designed according to the process design principle. The helium refrigeration cycle adopts the improved Crawst cycle. After the thermal analysis, the total efficiency of the liquefaction process is low. Improving the compressor efficiency and modifying the process flow and temperature to optimize its efficiency. The high pressure liquid hydrogen cold energy utilization system is designed with reference to the cold energy utilization of the LNG and designed a two-stage Rankine cycle system. Two levels of Rankine cycle in this article selected nitrogen and carbon dioxide as secondary refrigerants. According to the design of this article, the one-two cycle efficiency is 38.08% and 57.72% respectively.

KEY WORDS: Hydrogen, liquefaction, cold energy utilization

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.1.1 课题研究背景 1

1.1.2 课题研究的意义 2

1.2 本文主要研究内容 2

第二章 氢液化 4

2.1 氢液化系统 4

2.1.1 用于氢的液氮预冷林德-汉普逊系统 4

2.1.2 用于氢的液氮预冷克劳特系统 5

2.1.3 氦制冷的氢液化系统 7

2.1.4 用于氢液化系统的比较 7

2.2 氢液化装置 9

2.2.1氢原料气及其纯化 9

2.2.2氢气的液化 10

2.3 氢液化装置的流程设计 10

2.3.1流程设计原则 10

2.3.2纯化器设置 11

2.3.3液氮预冷 11

2.3.4氢的正-仲转化 12

2.3.5制冷级数的选择 12

2.3.6膨胀机类型及其设置位置选择 12

2.3.7工作压力的选择 13

2.3.8每级温度和温差选择 13

2.3.9机器效率 13

2.3.10其他参数 13

2.4 本章小结 14

第三章 液氢冷能利用 16

3.1 液氢冷能利用方向分析 16

3.1.1利用液氢冷能发电 16

3.1.2利用冷能进行氦气液化 16

3.1.3利用冷能制取液态二氧化碳 16

3.1.4利用冷能用于冷库 16

3.1.5低温粉碎、加工 17

3.2 高压液氢冷能利用系统设计 17

3.2.1冷能利用循环选择 17

3.2.2二次冷媒选择 17

3.2.3机器效率 17

3.2.4循环参数选择 17

3.3 本章小结 18

第四章 ASPEN PLUS软件模拟 20

4.1 ASPEN PLUS软件介绍 20

4.2 氢液化模拟及分析 20

4.3 高压液氢冷能利用模拟及分析 23

第五章 总结与展望 26

5.1 本课题研究总结 26

5.2 对以后工作的展望 26

致谢 27

参考文献 28

绪论

课题研究背景及意义

课题研究背景

在科学技术不断发展创新的情况下，我国对能源的需求量日益增加，目前我国能源生产量以及消耗量均在世界范围内属于领先地位。^[1]作为一个能源大国，我国目前能源发展面临的挑战主要有：能源资源约束十分严重，人均能源资源占有率少且优质能源比例偏低；能源利用效率普遍偏低^[2]，并且相比于发达国家，我国能源利用技术较为落后。^[3]现阶段我国最主要的能源是化石能源，如石油，天然气，煤等。但是化石能源总所有量有限，其生产和消费引起的环境污染问题如全球变暖、大气污染等更是现在所面临的最紧迫的问题，因此必须增加新型清洁可再生能源的开发利用效率来代替化石能源的使用从而逐渐降低煤炭等化石能源消费在能源结构的比重。而氢能是公认的具有潜力替代化石燃料的清洁能源,是21世纪最具发展前景的二次能源。^[4]因此，如何高效的利用氢能成为一个重要的研究课题。2018年2月我国首个国家级氢能产业联盟宣告成立,预示着我国氢能产业发展将提速并且将成为我国清洁能源战略的重要组成部分。^[5]

氢能不同于煤、石油、天然气需要从化石燃料中开采制取，它是从其他能源中采用一定的方式来制取的，是一种理想的新型高效、清洁的二次能源。与其他能源相比，氢能存储量大，来源主要是水，而地球表面积70%以上都被水覆盖，获取容易，来源广泛，原料成本低廉，所以氢能源的发展前景特别广阔。^[6]此外，氢燃烧产热量大，没单位质量的氢燃烧释放的热量大约是单位质量汽油的3倍，焦炭的4.5倍和酒精的3.9倍。并且其燃烧最终产物产物只有水，清洁无污染，不象化石能源燃烧后会产生大量可造成环境污染的气体，特别有利于二氧化碳排放量的减少，以及对温室效应的控制。^[7]近年来，由于对环境友好的可再生能源开发的迫切需求，氢能随着利用技术的发展和不断成熟，在世界范围内备受关注，广泛应用于传统石油生产、食品行业、新能源制氢补充发电以及在电子工业中做保护气，冶金工艺中作为还原剂和保护气，航天业中作为火箭和航天飞机推动燃料，同时也开发出了燃料电池汽车等。^[8]

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