本發(fā)明屬于液氫儲罐預(yù)冷過程中產(chǎn)生的混合氣體分離回收，具體涉及一種低溫儲罐預(yù)冷混合氣體高效回收裝置以及基于該回收裝置的回收方法。

背景技術(shù)：

1、氫能具有清潔無碳、綠色高效、可再生、應(yīng)用場景豐富等特點，因此大力發(fā)展氫能儲運技術(shù)具有重大意義。

2、在使用低溫儲罐進(jìn)行液氫儲存時，由于氫氣液化能耗較高，需要減少液氫在儲存過程中的損耗。因此，在液氫進(jìn)罐前，常用液氮對儲罐進(jìn)行預(yù)冷處理，待罐內(nèi)溫度下降后再注入液氫，在注入一部分液氫后最終罐內(nèi)溫度達(dá)到液氫儲存溫度。然而，該預(yù)冷降溫過程中液氮與部分液氫發(fā)生了蒸發(fā)并產(chǎn)生了低溫氮氣與氫氣混合氣，對于這部分能源，若不予以回收，則會浪費該部分的冷能與物質(zhì)。對此，傳統(tǒng)的處理方式常有：①直接在排出管道末端予以引燃；該處理方式嚴(yán)重浪費了這部分混合氣體的冷能與氫氣的能量。②低溫氣體直接回收；混合氣體未經(jīng)分離直接回收使得回收的經(jīng)濟(jì)效益較差且具有一定的安全隱患。③使用吸附劑進(jìn)行吸附回收；需要大量試劑且成本較高。上述處理方式都無法完全利用預(yù)冷混合氣體的冷能及本身所含能量，并且經(jīng)濟(jì)效益一般。

3、若合理利用氫氣與氮氣密度差的物理性質(zhì)進(jìn)行一級分離與二級分離，回收冷能與氫氣，既安全環(huán)保、回收效率高又具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的液氫儲罐預(yù)冷產(chǎn)生混合氣浪費情況而提出一種新型、節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡單、分離效果好并對混合氣冷能進(jìn)行了回收利用的低溫儲罐預(yù)冷混合氣體高效回收裝置及回收方法。

2、本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、本發(fā)明提供一種低溫儲罐預(yù)冷混合氣體高效回收裝置，包括進(jìn)液管線、液氫儲罐、預(yù)冷噴頭、預(yù)冷混合氣儲罐、低溫氫氣儲罐、低溫氮氣儲罐及高速旋流分離器；

4、所述液氫儲罐與進(jìn)液管線相連，用于接收進(jìn)液管線送出的液體；

5、所述預(yù)冷噴頭設(shè)置于液氫儲罐內(nèi)并與進(jìn)液管線相連，用于向液氫儲罐內(nèi)注入液氮，進(jìn)行預(yù)冷；

6、所述預(yù)冷混合氣儲罐與液氫儲罐相連，用于接收液氫儲罐內(nèi)產(chǎn)生的混合氣，并進(jìn)行靜置，使氮氣與氫氣分層；

7、所述低溫氫氣儲罐分別與預(yù)冷混合氣儲罐頂部及液氫儲罐相連，用于接收預(yù)冷混合氣儲罐頂部的氫氣，并能夠?qū)錃馑腿胍簹鋬迌?nèi)；

8、所述低溫氮氣儲罐分別與預(yù)冷混合氣儲罐底部及液氫儲罐相連，用于接收預(yù)冷混合氣儲罐底部氮氣，并能夠?qū)⒌獨馑腿胍簹鋬迌?nèi)；

9、所述高速旋流分離器分別與預(yù)冷混合氣儲罐中部、低溫氫氣儲罐、低溫氮氣儲罐相連，用于接收預(yù)冷混合氣儲罐中部的混合氣，并將混合氣高速離心分離，分離后的氫氣送入低溫氫氣儲罐，分離后的氮氣送入低溫氮氣儲罐。

10、為了便于控制不同成分的進(jìn)液，所述進(jìn)液管線包括第一進(jìn)液管線、第二進(jìn)液管線、第三進(jìn)液管線，第一進(jìn)液管線上設(shè)置有預(yù)冷液閥門，第一進(jìn)液管線與預(yù)冷噴頭相連，第二進(jìn)液管線上設(shè)置有上進(jìn)液閥門，第二進(jìn)液管線延伸至液氫儲罐內(nèi)的頂端，第三進(jìn)液管線上設(shè)置有下進(jìn)液閥門，第三進(jìn)液管線延伸至液氫儲罐內(nèi)的底端。

11、為了便于實現(xiàn)氫氣與氮氣分離，在本發(fā)明一較佳實施例中，所述高速旋流分離器包括筒體、設(shè)置于筒體頂端的溢流口、設(shè)置于筒體底端的底流口以及設(shè)置于筒體側(cè)部的進(jìn)料口，所述筒體為錐形，其直徑從上至下逐漸減小，錐形筒體的傾斜角度范圍為72-86°。

12、進(jìn)一步地，所述進(jìn)料口內(nèi)安裝有拉瓦爾噴管，所述拉瓦爾噴管包括一體成型并依次相連的入口段、漸縮段、漸擴(kuò)段，所述入口段的直徑大于漸縮段的直徑，所述漸縮段的直徑自靠近入口段的一端向遠(yuǎn)離入口段的另一端逐漸減小，所述漸擴(kuò)段的直徑自靠近漸縮段的一端向遠(yuǎn)離漸縮段的另一端逐漸增大。

13、其中，所述入口段直徑為100-146mm，入口段長75-93mm，所述漸縮段長210-258mm，所述漸擴(kuò)段長210-268mm，漸擴(kuò)段靠近漸縮段的一端直徑為15-23mm，漸擴(kuò)段遠(yuǎn)離漸縮段的另一端直徑為19-32mm。

14、本發(fā)明還提供一種低溫儲罐預(yù)冷混合氣體高效回收方法，基于上述低溫儲罐預(yù)冷混合氣體高效回收裝置，包括如下步驟：

15、(1)首先將液氮通入預(yù)冷噴頭對液氫儲罐預(yù)冷，使液氫儲罐內(nèi)產(chǎn)生大量低溫氮氣；

16、(2)待液氫儲罐內(nèi)溫度降低到合適溫度，向液氫儲罐內(nèi)注入液氫，液氫儲罐內(nèi)已注入的部分液氫也會發(fā)生蒸發(fā)產(chǎn)生了大量低溫氫氣；

17、(3)將上述預(yù)冷混合氣抽入預(yù)冷混合氣儲罐中進(jìn)行1至2天的靜置，部分氫氣會在預(yù)冷混合氣儲罐上方積聚，部分氮氣會在預(yù)冷混合氣儲罐底部積聚；

18、(4)將預(yù)冷混合氣儲罐頂端的氫氣抽入低溫氫氣儲罐中，將預(yù)冷混合氣儲罐底端的氮氣抽入低溫氮氣儲罐中；而預(yù)冷混合氣儲罐中間區(qū)域的部分混合氣抽取至高速旋流分離器中；

19、(5)通過高速旋流分離器的高速離心作用，密度較低的氫氣從高速旋流分離器頂端抽入低溫氫氣儲罐內(nèi)，密度較高的氮氣則從高速旋流分離器底端抽入低溫氮氣儲罐內(nèi)；

20、(6)在下次預(yù)冷時，將低溫氫氣儲罐、低溫氮氣儲罐內(nèi)的回收氣體送入液氫儲罐內(nèi)，若回收后儲存的氣體溫度不足以進(jìn)行預(yù)冷則可直接當(dāng)作能源進(jìn)行回收處理。

21、本發(fā)明主要采用靜置分層與高速旋流分離結(jié)合的方式予以分級分離回收，先在混合氣低溫儲罐中進(jìn)行靜置，待氫氣與氮氣逐漸分層后，利用壓縮機將氫氣與氮氣分別從罐頂和罐底抽出，并注入各自的儲罐中備用；隨后對罐中殘余的混合氣利用高速旋流分離器進(jìn)行二次分離，離心分離后氫氣從分離器上出口排出，氮氣從分離器下出口排出，最終得到回收的低溫氮氣與低溫氫氣，其中在分離器進(jìn)料口處設(shè)有拉瓦爾噴管使混合氣進(jìn)一步降溫并加速，提高分離效率；對于回收后的低溫氣體也進(jìn)行了冷能的進(jìn)一步回收利用，即將回收后的氣體利用于后續(xù)的儲罐預(yù)冷環(huán)節(jié)，高效的利用了傳統(tǒng)方案浪費的能源。

22、綜上所述，本發(fā)明的有益效果是：

23、(1)本發(fā)明創(chuàng)新性的利用靜置分離對預(yù)冷混合氣體進(jìn)行初次分離，提高了混合氣體的分離效率，進(jìn)而達(dá)到節(jié)省設(shè)備成本、降低能耗、簡化操作的目的；

24、(2)本發(fā)采用高速旋流分離器對預(yù)冷混合氣體進(jìn)行二級分離，利用其分離效果好、安裝方便、體積小巧、低能耗、分離效果等優(yōu)點，使混合氣中的氮氣與氫氣高效分離；

25、(3)本發(fā)明無需添加吸附劑等化學(xué)藥劑進(jìn)行分離回收，裝置簡單，操作難度低，投資和運行費用低。

技術(shù)特征：

1.一種低溫儲罐預(yù)冷混合氣體高效回收裝置，其特征在于：包括進(jìn)液管線、液氫儲罐、預(yù)冷噴頭、預(yù)冷混合氣儲罐、低溫氫氣儲罐、低溫氮氣儲罐及高速旋流分離器；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫儲罐預(yù)冷混合氣體高效回收裝置，其特征在于：所述進(jìn)液管線包括第一進(jìn)液管線、第二進(jìn)液管線、第三進(jìn)液管線，第一進(jìn)液管線上設(shè)置有預(yù)冷液閥門，第一進(jìn)液管線與預(yù)冷噴頭相連，第二進(jìn)液管線上設(shè)置有上進(jìn)液閥門，第二進(jìn)液管線延伸至液氫儲罐內(nèi)的頂端，第三進(jìn)液管線上設(shè)置有下進(jìn)液閥門，第三進(jìn)液管線延伸至液氫儲罐內(nèi)的底端。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫儲罐預(yù)冷混合氣體高效回收裝置，其特征在于：所述高速旋流分離器包括筒體、設(shè)置于筒體頂端的溢流口、設(shè)置于筒體底端的底流口以及設(shè)置于筒體側(cè)部的進(jìn)料口，所述筒體為錐形，其直徑從上至下逐漸減小，錐形筒體的傾斜角度范圍為72-86°。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低溫儲罐預(yù)冷混合氣體高效回收裝置，其特征在于：所述進(jìn)料口內(nèi)安裝有拉瓦爾噴管，所述拉瓦爾噴管包括一體成型并依次相連的入口段、漸縮段、漸擴(kuò)段，所述入口段的直徑大于漸縮段的直徑，所述漸縮段的直徑自靠近入口段的一端向遠(yuǎn)離入口段的另一端逐漸減小，所述漸擴(kuò)段的直徑自靠近漸縮段的一端向遠(yuǎn)離漸縮段的另一端逐漸增大。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低溫儲罐預(yù)冷混合氣體高效回收裝置，其特征在于：所述入口段直徑為100-146mm，入口段長75-93mm，所述漸縮段長210-258mm，所述漸擴(kuò)段長210-268mm，漸擴(kuò)段靠近漸縮段的一端直徑為15-23mm，漸擴(kuò)段遠(yuǎn)離漸縮段的另一端直徑為19-32mm。

6.一種低溫儲罐預(yù)冷混合氣體高效回收方法，基于如權(quán)利要求1-5任一項所述的低溫儲罐預(yù)冷混合氣體高效回收裝置，其特征在于，包括如下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種低溫儲罐預(yù)冷混合氣體高效回收裝置及回收方法，包括相連的進(jìn)液管線、液氫儲罐、預(yù)冷噴頭、預(yù)冷混合氣儲罐、低溫氫氣儲罐、低溫氮氣儲罐及高速旋流分離器。本發(fā)明創(chuàng)新性地利用靜置分離對預(yù)冷混合氣體進(jìn)行初次分離，提高了混合氣體的分離效率，進(jìn)而達(dá)到節(jié)省設(shè)備成本、降低能耗、簡化操作的目的；本發(fā)采用高速旋流分離器對預(yù)冷混合氣體進(jìn)行二級分離，利用其分離效果好、安裝方便、體積小巧、低能耗、分離效果等優(yōu)點，使混合氣中的氮氣與氫氣高效分離；本發(fā)明無需添加吸附劑等化學(xué)藥劑進(jìn)行分離回收，裝置簡單，操作難度低，投資和運行費用低。

技術(shù)研發(fā)人員：邵東亮,李飛,余萌,李昊,饒永超,王樹立
受保護(hù)的技術(shù)使用者：江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26