CN115875938A - 一种绿电制氢储能冷量回收制取液化天然气的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种绿电制氢储能冷量回收制取液化天然气的装置及方法，包括绿电制氢储能单元、低温冷量回收单元、天然气预冷单元：利用绿电制取的氢气在所述单元中液化，从而将非连续的光电/风电能转换为氢能储存，连续输出的液氢进入低温冷量回收单元，与来自空分装置的氮气及天然气换热，将高、低品位冷量释放回收，获得液氮以及液化天然气分别送入贮槽，液氢气化后继续进入天然气预冷单元，与氮气及预处理后的天然气换热，复热氢气供入下游工艺，预处理天然气被预冷后经气液分离，对液相重组分进行回收或安全排放，气相则进入低温冷量回收单元继续液化。本发明极大提高绿色能源利用能效，具有良好的推广前景。
Description
技术领域
本发明涉及能源转化、冷量回收领域，具体涉及一种绿电制氢储能冷量回收制取液化天然气的装置及方法。
背景技术
在生态环境污染严重的背景下，优化能源结构改善大气环境是可持续发展战略的核心内容。天然气作为一种洁净环保的优质能源，在工业、发电、交通以及民用燃料等领域有着极广的应用空间，且在能源消费中所占比例呈稳定增长趋势。液化天然气（LNG）作为更有利于运输和存储的天然气形式，不仅可以取代地下管道远距离运输，节省资金，同时也可解决边远地区气田的开发与天然气的回收。目前的天然气液化工厂主要采用级联式天然气液化工艺流程、混合制冷剂天然气液化工艺流程、带膨胀机的天然气液化工艺流程，但仍存在工艺流程复杂、混合制冷剂配比难以获取、液化能耗高等问题。而对于天然气流量较小，例如需有BOG液化回收等场合，通常采用小型低温制冷机提供冷量，制冷效率偏低，导致单耗较高。因此如何有效的降低系统能耗是天然气液化工艺的主要改进方向和目标。
随着碳达峰碳中和目标日期的日益临近，可再生能源已成为能源供应系统中不可或缺的一部分，而利用可再生能源所制取的“绿氢”以其优越的环保特性将在“脱碳”过程中发挥关键作用。而以太阳能、风能为代表的可再生能源具有间歇性和波动性，为保证下游工艺生产的连续性，日渐成熟的液氢储能技术提供了重要的解决方法。然而液氢汽化再利用过程中释放的大量冷能却存并未得到合理的利用，造成冷量浪费和冷污染。利用多级换热匹配将液氢（~20K）冷量回收与液化天然气（~110K）制取过程耦合起来，能够精简天然气液化流程，有效降低LNG制取过程中的能耗和成本，极大提高绿色能源利用能效，减少低温液氢的气化冷污染，具有良好的环境效益和社会效益。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种绿电制氢储能冷量回收制取液化天然气的装置及方法，用于解决绿电制氢的不连续性、低温液氢能量利用率低、天然气液化工艺流程复杂以及液化能耗高的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术：一种绿电制氢储能冷量回收制取液化天然气的装置，它包括绿电制氢储能单元、低温冷量回收单元及天然气预冷单元，所述绿电制氢储能单元产生的冷能通过低温冷量回收单元回收，将回收后的低温冷量通过天然气预冷单元制造出液化天然气。
作为优选：所述绿电制氢储能单元由氢液化装置、液氢储罐、液氮储罐组成；该氢液化装置与液氮储罐及液氢储罐通过低温管道相连，将利用绿电制取的氢气与液氮换热预冷后，经自身膨胀制冷液化，并送入液氢储罐，完成光电/风电与氢能的转换。
作为优选：所述液氢储罐通过低温液氢泵依次与氢-氮换热器、氢气-天然气换热器连接，氢气-天然气换热器与液化天然气储罐相连，用于接收液化天然气，所述低温液氢泵、氢-氮换热器、氢气-天然气换热器、液化天然气储罐之间组成了低温冷量回收单元。
作为优选：所述天然气预冷单元由天然气预冷换热器、气液分离器、重烃集液罐、增压透平膨胀机膨胀端、增压透平膨胀机增压端、增压端后冷却器、空分装置组成；所述天然气预冷换热器设有三通道，分别为氢气通道、天然气通道、氮气通道，其中氢气通道的入口与氢气-天然气换热器氢气通道的出口相连，氢气出口则接入下游工艺管道，天然气通道的入口即为预处理后的原料天然气，出口与气液分离器的入口相连，气液分离器的气相出口连接至氢气-天然气换热器的天然气通道入口，液相出口与重烃集液罐连接，所述空分装置通过氮气管道与增压透平膨胀机增压端、增压端后冷却器，以及天然气预冷换热器氮气通道的入口依次相连，氮气通道出口则依次连接增压透平膨胀机膨胀端及氢气-天然气换热器氮气通道的入口。
一种绿电制氢储能冷量回收制取液化天然气的装置的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：在氢液化装置中，将利用绿电制取的氢气与来自液氮储罐的液氮换热预冷后，经自身膨胀制冷液化，并送入液氢储罐，完成光电/风电与氢能的转换；
步骤2：将步骤1液氢储罐中的液氢经低温液氢泵加压后依次送入氢-氮换热器、氢气-天然气换热器、天然气预冷换热器复热后送入下游工艺管网；
步骤3：来自空分装置的氮气经增压透平膨胀机增压端增压，并经增压端后冷却器冷却后进入天然气预冷换热器预冷，再进入增压透平膨胀机膨胀端膨胀制冷后依次送入氢气-天然气换热器、氢-氮换热器，与液氢换热液化后储存在液氮储罐中，可供步骤1使用；
步骤4：经过预处理的原料天然气送入天然气预冷换热器预冷后部分被液化，进入气液分离器分离后，液相重组分送入重烃集液罐进行后续回收或安全排放，气相轻组分则送入氢气-天然气换热器，与液氢换热液化后作为产品送入液化天然气储罐。
作为优选：所述步骤2中的低温液氢泵可采用活塞式或离心式结构。
作为优选：所述步骤2中的氢-氮换热器、氢气-天然气换热器、天然气预冷换热器可为板翅式、管壳式、绕管式结构中的一种或几种组合。
作为优选：所述步骤2和步骤3中的液氢储罐、液氮储罐、液化天然气储罐可采用低温贮槽或杜瓦罐型式。
本发明具有的有益效果如下：
通过液氢储能的形式，有效解决可再生能源间歇性与下游工艺用气连续性间的矛盾，通过换热匹配优化回收液氢气化冷量用于制取液氮以及液化天然气，能够精简天然气液化流程，有效降低LNG制取过程中的能耗和成本，极大提高绿色能源利用能效；同时，在LNG 生产阶段，还可分离出 C2、C3、C4等多种化工原料，具有良好的推广前景。
附图说明
图1是本发明的示意图。
图2是图1的变形图。
具体实施方式
为使本发明需解决的技术问题、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
下面将结合附图对本发明作详细的介绍：如图1所示，一种绿电制氢储能冷量回收制取液化天然气的装置，它包括绿电制氢储能单元、低温冷量回收单元及天然气预冷单元，所述绿电制氢储能单元产生的冷能通过低温冷量回收单元回收，将回收后的低温冷量通过天然气预冷单元制造出液化天然气。
所述绿电制氢储能单元由氢液化装置1、液氢储罐2、液氮储罐5组成；该氢液化装置1与液氮储罐5及液氢储罐2通过低温管道相连，将利用绿电制取的氢气与液氮换热预冷后，经自身膨胀制冷液化，并送入液氢储罐2，完成光电/风电与氢能的转换。
所述液氢储罐2通过低温液氢泵3依次与氢-氮换热器4、氢气-天然气换热器7连接，氢气-天然气换热器7与液化天然气储罐8相连，用于接收液化天然气，所述低温液氢泵3、氢-氮换热器4、氢气-天然气换热器7、液化天然气储罐8之间组成了低温冷量回收单元。
所述天然气预冷单元由天然气预冷换热器9、气液分离器11、重烃集液罐10、增压透平膨胀机膨胀端12、增压透平膨胀机增压端13、增压端后冷却器14、空分装置6组成；所述天然气预冷换热器9设有三通道，分别为氢气通道、天然气通道、氮气通道，其中氢气通道的入口与氢气-天然气换热器7氢气通道的出口相连，氢气出口则接入下游工艺管道，天然气通道的入口即为预处理后的原料天然气，出口与气液分离器11的入口相连，气液分离器11的气相出口连接至氢气-天然气换热器7的天然气通道入口，液相出口与重烃集液罐10连接，所述空分装置6通过氮气管道与增压透平膨胀机增压端13、增压端后冷却器14，以及天然气预冷换热器9氮气通道的入口依次相连，氮气通道出口则依次连接增压透平膨胀机膨胀端12及氢气-天然气换热器7氮气通道的入口。
一种绿电制氢储能冷量回收制取液化天然气的装置的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：在氢液化装置1中，将利用绿电制取的氢气与来自液氮储罐5的液氮换热预冷后，经自身膨胀制冷液化，并送入液氢储罐2，完成光电/风电与氢能的转换；
步骤2：将步骤1液氢储罐2中的液氢经低温液氢泵3加压后依次送入氢-氮换热器4、氢气-天然气换热器7、天然气预冷换热器9复热后送入下游工艺管网；
步骤3：来自空分装置6的氮气经增压透平膨胀机增压端13增压，并经增压端后冷却器14冷却后进入天然气预冷换热器9预冷，再进入增压透平膨胀机膨胀端12膨胀制冷后依次送入氢气-天然气换热器7、氢-氮换热器4，与液氢换热液化后储存在液氮储罐5中，可供步骤1使用；
步骤4：经过预处理的原料天然气送入天然气预冷换热器9预冷后部分被液化，进入气液分离器11分离后，液相重组分送入重烃集液罐10进行后续回收或安全排放，气相轻组分则送入氢气-天然气换热器7，与液氢换热液化后作为产品送入液化天然气储罐8。
所述步骤2中的低温液氢泵3可采用活塞式或离心式结构；
所述步骤2中的氢-氮换热器4、氢气-天然气换热器7、天然气预冷换热器9可为板翅式、管壳式、绕管式结构中的一种或几种组合；
所述步骤2和步骤3中的液氢储罐2、液氮储罐5、液化天然气储罐8可采用低温贮槽或杜瓦罐型式。
具体实施例
图1所示，一种绿电制氢冷量回收制取液化天然气的装置及方法，所述系统包括绿电制氢储能单元、低温冷量回收单元及天然气预冷单元；所述绿电制氢储能单元设有氢液化装置1、液氢储罐2、液氮储罐5；所述氢液化装置1通过与液氮储罐5及液氢储罐2通过低温管道相连，将利用绿电制取的氢气与液氮换热预冷后，经自身膨胀制冷液化，并送入液氢储罐2，完成光电/风电与氢能的转换；所述低温冷量回收单元设有低温液氢泵3、氢-氮换热器4、氢气-天然气换热器7、液化天然气储罐8；所述低温液氢泵3通过管道将液氢储罐2依次与氢-氮换热器4、氢气-天然气换热器7连接，液化天然气储罐8与氢气-天然气换热器7相连，用于接收液化天然气产品；所述天然气预冷单元设有天然气预冷换热器9、气液分离器11、重烃集液罐10、增压透平膨胀机膨胀端12、增压透平膨胀机增压端13、增压端后冷却器14、空分装置6；所述天然气预冷换热器9设有三通道，其中氢气通道的入口与氢气-天然气换热器7氢气通道的出口相连，氢气出口则接入下游工艺管道，天然气通道的入口即为预处理后的原料天然气，出口与气液分离器11的入口相连，气液分离器11的气相出口连接至氢气-天然气换热器7的天然气通道入口，液相出口与重烃集液罐10连接，所述空分装置6通过氮气管道与增压透平膨胀机增压端13、增压端后冷却器14，以及天然气预冷换热器9氮气通道的入口依次相连，氮气通道出口则依次连接增压透平膨胀机膨胀端12及氢气-天然气换热器7氮气通道的入口。
一种绿电制氢储能冷量回收制取液化天然气的装置及方法，所述工艺包括如下步骤：
步骤1：在氢液化装置1中，将利用绿电制取的氢气与来自液氮储罐5的液氮换热预冷后，经自身膨胀制冷液化，并送入液氢储罐2，完成光电/风电与氢能的转换；
步骤2：液氢储罐2中的液氢经低温液氢泵3加压后依次送入氢-氮换热器4、氢气-天然气换热器7、天然气预冷换热器9复热后送入下游工艺管网；
步骤3：来自空分装置6的氮气经增压透平膨胀机增压端13增压，并经增压端后冷却器14冷却后进入天然气预冷换热器9预冷，再进入增压透平膨胀机膨胀端12膨胀制冷后依次送入氢气-天然气换热器7、氢-氮换热器4，与液氢换热液化后储存在液氮储罐5中，可供步骤1使用；
步骤4：经过预处理的原料天然气送入天然气预冷换热器9预冷后部分被液化，进入气液分离器11分离后，液相重组分送入重烃集液罐10进行后续回收或安全排放，气相轻组分则送入氢气-天然气换热器7，与液氢换热液化后作为产品送入液化天然气储罐8。
具体的，来自空分装置的约0.5MPa，30℃的氮气，经透平膨胀机增压端13增压并冷却至约40℃后，进入天然气预冷换热器9预冷，预冷后氮气经透平膨胀机膨胀端12膨胀至约0.15MPa，然后依次送入氢气-天然气换热器7、氢-氮换热器4与液氢换热，充分回收液氢高品位冷量后液化，并送入液氮储罐5储存。来自天然气集气管的约2.5MPa，25℃的天然气经预处理后送入天然气预冷换热器9与氢气-天然气换热器7出口的低温氢气换热至约200K，天然气中部分重组分被冷凝，在气液分离器11中分离出的液相送入重烃集液罐10，气相则继续进入氢气-天然气换热器7与氢-氮换热器4出口的低温氢气换热，回收其低品位冷量后被液化为LNG，并送入液化天然气储罐8储存。在此工艺中，储存的液氢压缩至约5.5MPa后经过氢-氮换热器4、氢气-天然气换热器7以及天然气预冷换热器9回收冷量汽化复热后送入下游工艺管网。
本发明也可应用于天然气流量较小，例如BOG液化回收等场景，如图2所示。来自空分装置的氮气依次进入天然气预冷换热器、氢气-天然气换热器及氢-氮换热器，回收液氢高品位冷量后液化储存。天然气和液氢流路与此前描述一致。
本发明利用可再生能源发电制备的绿氢经储能单元液化储存，在光电或风电出现间断时，液氢通过汽化供入下游工艺。在~20K低温液氢汽化过程中，高、低品位的冷量则通过冷量回收及天然气预冷单元分别用于制取液氮和液化天然气。
Claims (8)
1.一种绿电制氢储能冷量回收制取液化天然气的装置，它包括绿电制氢储能单元、低温冷量回收单元及天然气预冷单元，其特征在于：所述绿电制氢储能单元产生的冷能通过低温冷量回收单元回收，将回收后的低温冷量通过天然气预冷单元制造出液化天然气。
2.根据权利要求1所述的绿电制氢储能冷量回收制取液化天然气的装置，其特征在于：所述绿电制氢储能单元由氢液化装置（1）、液氢储罐（2）、液氮储罐（5）组成；该氢液化装置（1）与液氮储罐（5）及液氢储罐（2）通过低温管道相连，将利用绿电制取的氢气与液氮换热预冷后，经自身膨胀制冷液化，并送入液氢储罐（2），完成光电/风电与氢能的转换。
3.根据权利要求2所述的绿电制氢储能冷量回收制取液化天然气的装置，其特征在于：所述液氢储罐（2）通低温液氢泵（3）依次与氢-氮换热器（4）、氢气-天然气换热器（7）连接，氢气-天然气换热器（7）与液化天然气储罐（8）相连，用于接收液化天然气，所述低温液氢泵（3）、氢-氮换热器（4）、氢气-天然气换热器（7）、液化天然气储罐（8）之间组成了低温冷量回收单元。
4.根据权利要求1所述的绿电制氢储能冷量回收制取液化天然气的装置，其特征在于：所述天然气预冷单元由天然气预冷换热器（9）、气液分离器（11）、重烃集液罐（10）、增压透平膨胀机膨胀端（12）、增压透平膨胀机增压端（13）、增压端后冷却器（14）、空分装置（6）组成；所述天然气预冷换热器（9）设有三通道，分别为氢气通道、天然气通道、氮气通道，其中氢气通道的入口与氢气-天然气换热器（7）氢气通道的出口相连，氢气出口则接入下游工艺管道，天然气通道的入口即为预处理后的原料天然气，出口与气液分离器（11）的入口相连，气液分离器（11）的气相出口连接至氢气-天然气换热器（7）的天然气通道入口，液相出口与重烃集液罐（10）连接，所述空分装置（6）通过氮气管道与增压透平膨胀机增压端（13）、增压端后冷却器（14），以及天然气预冷换热器（9）氮气通道的入口依次相连，氮气通道出口则依次连接增压透平膨胀机膨胀端（12）及氢气-天然气换热器（7）氮气通道的入口。
5.一种绿电制氢储能冷量回收制取液化天然气的装置的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤1：在氢液化装置（1）中，将利用绿电制取的氢气与来自液氮储罐（5）的液氮换热预冷后，经自身膨胀制冷液化，并送入液氢储罐（2），完成光电/风电与氢能的转换；
步骤2：将步骤1液氢储罐（2）中的液氢经低温液氢泵（3）加压后依次送入氢-氮换热器（4）、氢气-天然气换热器（7）、天然气预冷换热器（9）复热后送入下游工艺管网；
步骤3：来自空分装置（6）的氮气经增压透平膨胀机增压端（13）增压，并经增压端后冷却器（14）冷却后进入天然气预冷换热器（9）预冷，再进入增压透平膨胀机膨胀端（12）膨胀制冷后依次送入氢气-天然气换热器（7）、氢-氮换热器（4），与液氢换热液化后储存在液氮储罐（5）中，可供步骤1使用；
步骤4：经过预处理的原料天然气送入天然气预冷换热器（9）预冷后部分被液化，进入气液分离器（11）分离后，液相重组分送入重烃集液罐（10）进行后续回收或安全排放，气相轻组分则送入氢气-天然气换热器（7），与液氢换热液化后作为产品送入液化天然气储罐（8）。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤2中的低温液氢泵（3）可采用活塞式或离心式结构。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤2中的氢-氮换热器（4）、氢气-天然气换热器（7）、天然气预冷换热器（9）可为板翅式、管壳式、绕管式结构中的一种或几种组合。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤2和步骤3中的液氢储罐（2）、液氮储罐（5）、液化天然气储罐（8）可采用低温贮槽或杜瓦罐型式。
Priority Applications (1)
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| CN202211082226.1A CN115875938A (zh) | 2022-09-06 | 2022-09-06 | 一种绿电制氢储能冷量回收制取液化天然气的装置及方法 |
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| CN (1) | CN115875938A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118980271A (zh) * | 2024-10-18 | 2024-11-19 | 浙江浙能航天氢能技术有限公司 | 一种具有二级冷量回收功能的预冷装置及其自动化温度控制方法 |
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2022
- 2022-09-06 CN CN202211082226.1A patent/CN115875938A/zh active Pending
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