工业气体设施与液氢生产的一体化创新——专利技术深度解读

一、背景与现有技术瓶颈

传统液氢生产依赖复杂的多级压缩与制冷循环，需通过氮气闭环制冷（-190℃）及氢/氦再循环压缩（-252℃）实现超低温液化。然而，氢的低分子量导致压缩成本高昂，设备需配置多台往复式压缩机，能耗高达12kWh/kg液氢。现有技术虽尝试利用天然气预冷，但未解决核心能耗问题，且依赖氦/氖混合制冷剂，进一步推高成本。

二、专利核心创新点

本专利提出一种集成化液氢生产系统，通过整合甲醇厂、空气分离装置（ASU）等工业气体设施，回收高压气体泄放能量，颠覆传统液氢生产的能源依赖模式。其核心突破在于：

1. 泄放能量梯级利用：利用高压天然气（30-60bara）、氮气管道（>30bara）及甲醇吹扫气（50-70bara）的泄压膨胀，替代传统机械制冷。

2. 开式氢制冷循环：将PSA纯化的高压氢直接膨胀制冷，省去氢再循环压缩机。

3. 多源制冷协同：暖温制冷（>-190℃）由氮/天然气膨胀提供，冷温制冷（-252℃）由氢膨胀完成，无需氦/氖。

三、关键技术方案解析

1. 甲醇设施与液氢的深度整合

• 吹扫气高效利用：甲醇合成副产的富氢吹扫气（50-70bara）经PSA纯化后，分为两股：

• 液化流：直接进入冷箱液化，无需压缩。

• 制冷流：通过串联涡轮膨胀（图4），产生-252℃冷量，升温后作为燃料回用。

• 天然气泄放回收：高压天然气（30-60bara）经涡轮膨胀至中压（8.5bara），提供暖端制冷，同时产出LNG（图6）。

2. 空气分离装置（ASU）的协同优化

• 压缩空气分流：ASU的增压压缩机（BAC）分流部分高压空气（15-100bara），与氮气混合后膨胀制冷。

• 氮气管道整合：高压氮气（37.5bara）膨胀至中压（8.5bara），既满足工业氮需求，又回收冷能。

3. 冷端纯化与热交换设计

• 共吸附器技术：在冷箱入口设置吸附单元（图4，365），同步去除液化氢与膨胀氢中的氩/氮杂质，避免冻结。

• 多级膨胀配置：氢制冷采用三级膨胀（图5，375a-c），逐级提取冷量，提升热力学效率。

四、能效与成本优势

• 能耗革命性降低：实施例显示液氢生产能耗低至0.9-4.2kWh/kg，较传统工艺（12kWh/kg）节能65%-92%。

• 设备精简：省去氢再循环压缩机、氮再循环压缩机等关键高成本设备，资本支出（CAPEX）削减30%以上。

• 运营灵活性：利用现有设施冗余压缩能力（如ASU的BAC），实现“近零增量能耗”。

五、应用场景与拓展潜力

• 甲醇/氨厂改造：现有装置加装PSA与膨胀涡轮，即可转产液氢，契合绿氢转型趋势。

• LNG-液氢联产：天然气泄放能量同时生产LNG与液氢（图6），提升项目经济性。

• 绿电耦合：结合风电/光伏制氢，泄放制冷可消纳波动性电力，构建零碳液氢供应链。

六、总结

该专利通过工业气体网络的能量整合，重新定义了液氢生产的技术路径。其核心价值在于将传统“废弃物”（高压泄放气）转化为核心制冷资源，突破压缩瓶颈，为大规模低成本液氢生产提供了可行方案。随着全球氢能产业加速发展，此项技术有望成为撬动绿氢经济的关键支点。