一种氢气压缩余热高效回收的装置及方法

1.本发明属于工业氢气压缩及热能回收利用领域，更具体地说，涉及一种氢气压缩余热高效回收的装置及方法。


背景技术：

2.面对未来传统化石燃料能源逐渐消耗殆尽和全球环境不断恶化的问题，各国都在积极寻找新的清洁能源。氢能由于储量丰富、环保性能好并且具有一定的经济性而越来越受到世界各国的重视。为了促进氢能的发展，完善氢能基础设施必不可少，氢气压缩机是氢能储存过程中的核心设备之一。
3.在产生压缩氢气的过程中，氢气压缩机要消耗大量的电能，在通用的氢气压缩机中，用于增加氢气势能所消耗的电能，约占总耗电量的45％，其余电能均转化为热能而耗散，因此，氢气压缩机的电能有效利用率低。除了少量热量通过氢气压缩机本体散发外，大部分的热量都通过风冷或者水冷的方式排放到空气中，造成了能源的浪费。对氢气压缩过程中的热能回收再利用是提高氢气压缩机能耗效率的重要手段。因此，对氢气压缩机余热的回收具有很高的价值，理论上氢气压缩机损失的热量中有94％是可以被回收的。例如，氢气压缩机的排气温度通常在160℃，在氢气压缩机余热回收过程中通常使用热交换装置对余热进行回收，热交换装置将热量从热流体传递到冷流体中，实现热量交换。
4.专利201810579212.8利用带有高温余热的气体中的热量产生高压氢气发电。高温高压氢气与工质的混合气进入膨胀机膨胀做功，带动发电机发电，膨胀机排放的混合气体中的热量经冷却后直接排放到环境中，造成了热量的浪费。专利201810378714.4利用高温气体的余热产生的高压氢气推动膨胀机做功并带动发电机发电和吸氢，使用金属氢化物吸氢和放氢，放氢的速率容易受到影响，会影响余热的利用效率。
5.现在热交换机的技术相对成熟，如涡流热膜换热器的传热系数为6000-8000w/m2℃，最高可达10000w/m2℃，耐热温度可达400℃，可承受很高的压力，换热速度快，完全可以应用在热压缩氢气的余热回收上。与传统的氢气压缩机相比，若采用热交换装置进行余热回收，能够提高氢气压缩系统的能量利用率。
6.因此，需要设计一种氢气压缩余热高效回收的装置及方法，以有效的解决氢气压缩能量利用效率低和余热回收的不足的情况。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提出了一种氢气压缩余热高效回收的装置及方法，其具体技术方案如下：
8.一种氢气压缩余热高效回收的装置，包括主压缩装置、热交换装置、储气装置、膨胀装置、副压缩装置、动力传输装置、增压装置、调压阀和止回阀，主压缩装置上设有氢气入口一和氢气出口一，氢气出口一通过氢气管路连接热交换装置上的氢气入口二，热交换装置上的氢气出口二通过氢气管路连接储气装置；副压缩装置上设有氢气入口三和氢气出口
三，氢气出口三通过氢气管路连接储气装置，并且氢气出口三与储气装置之间的氢气管路上依次安装有调压阀和止回阀；热交换装置上还设有余热回收介质出口一和余热回收介质入口一，余热回收介质出口一通过余热回收介质管路连接膨胀装置上的余热回收介质入口二，膨胀装置上的余热回收介质出口二通过余热回收介质管路连接增压装置上的余热回收介质入口三，增压装置上的余热回收介质出口三通过余热回收介质管路连接余热回收介质入口一；膨胀装置上还连接有动力传输装置，动力传输装置为增压装置和副压缩装置提供驱动。
9.优选地，副压缩装置上的氢气出口三与调压阀之间能够继续连接下一级的氢气压缩余热回收装置，构成多级氢气压缩余热回收装置，并且多级氢气压缩余热回收装置共用一个储气装置；
10.上一级氢气压缩余热回收装置中的副压缩装置作为下一级氢气压缩余热回收装置中的主压缩装置使用，每一级氢气压缩余热回收装置中热交换装置的氢气出口二均通过氢气管路连接储气装置，最末级氢气压缩余热回收装置中副压缩装置上的氢气出口三再通过调压阀和止回阀连接储气装置。
11.优选地，主压缩装置、副压缩装置和储气装置均为具备氢气压缩和储存压缩氢气功能的装置。
12.优选地，热交换装置具有热能转移的功能，用于将输入热交换装置中的压缩氢气中的热能转移到余热回收介质中；
13.热量交换将压缩氢气中的热量转移到余热回收介质中，计算压缩氢气的平均比定压热容，根据公式
[0014][0015]
热压缩氢气热交换前后的温度分别是t1，t2，主压缩装置压缩氢气的质量流量是计算热压缩氢气中回收的热能，
[0016][0017]
优选地，膨胀装置用于将余热回收介质中的热能转化成驱动副压缩装置和增压装置的机械动力；
[0018]
η1表示转化为压缩氢气势能的效率，η2表示转化成热能的效率，主压缩装置工作一小时的总耗电量为qkw.h，计算主压缩装置输入的总功率转化成热量，用公式
[0019]q总
＝q kw.h
×
1h
×
3600kj/(kw.h)
[0020]
主压缩装置在工作过程中转化成的总热量
[0021]
q1＝q
总
×
η2[0022]
热回收率为
[0023][0024]
动力传输装置对从膨胀装置传输来的机械动力进行分配，分配给增压装置和副压缩装置的动力比为η4：η5，动力传输装置在传输动力过程中的能耗效率为η6，其中回收的热量中转化为副压缩装置的压缩氢气势能的部分是
[0025][0026]
优选地，增压装置用于对膨胀装置输出的余热回收介质加压；调压阀用于对副压缩装置输出的压缩氢气进行压力调节；止回阀用于防止压缩氢气回流。
[0027]
本发明还提供了利用上述一种氢气压缩余热高效回收的装置余热产生压缩氢气的方法，包括以下几个步骤：压缩、热交换、能量转化和气体储存；
[0028]
其中，压缩包括：
[0029]
压缩氢气：氢气进入主压缩装置以及副压缩装置进行压缩，氢气的压力升高，产生了所需的压缩氢气和压缩热；
[0030]
余热回收介质加压：余热回收介质进入增压装置加压，余热回收介质的压力升高，确保余热回收介质有足够的压力顺利的进入热交换装置，用以完成余热回收介质在热交换装置、膨胀装置、增压装置内循环；
[0031]
热交换：在热交换装置中热压缩氢气中的热能传递到余热回收介质中，使得输入储气装置的压缩氢气温度降低，输入膨胀装置的余热回收介质温度升高，完成热量交换；
[0032]
能量转化：在膨胀装置内，余热回收介质中的热能膨胀转化成机械动力，通过动力传输装置，为副压缩装置和增压装置提供所需的功率，热能转化为驱动副压缩装置和增压装置的机械动力；
[0033]
储存：经过热交换装置输出的压缩氢气输送至储气装置储存，副压缩装置输出的压缩氢气经调压阀调压后输送至储气装置储存。
[0034]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0035]
本发明引入了热交换装置、膨胀装置、动力传输装置和增压装置，利用膨胀装置将热压缩氢气中的热能转化成驱动副压缩装置和增压装置的机械动力，使用动力传输装置对从膨胀装置传输来的机械动力进行分配，回收再利用了热压缩氢气中的热能，实现了利用热压缩氢气中的余热产生压缩氢气，提高了氢气压缩中能源的利用率，驱动副压缩装置和增压装置的机械动力完全由余热回收的热能转化，提升了氢气压缩装置的性能。
[0036]
并且，在热回收的级数足够多的情况下，本发明可以将氢气压缩装置产生的总热量进行高效回收，转化为压缩氢气的势能。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0038]
图1为本发明实施例1提出的一种氢气压缩余热高效回收的装置的原理图。
[0039]
图2为本发明实施例2提出的一种氢气压缩三级余热回收的装置的原理图。
[0040]
图中：1-氢气管路，2-主压缩装置，3-热交换装置，3
’‑
二级热交换装置，3
”‑
三级热交换装置，4-储气装置，5-膨胀装置，5
’‑
二级膨胀装置，5
”‑
三级膨胀装置，6-动力传输装置，6
’‑
二级动力传输装置，6
”‑
三级动力传输装置，7-余热回收介质管路，7
’‑
二级余热回收介质管路，7
”‑
三级余热回收介质管路，8-增压装置，8
’‑
二级增压装置，8
”‑
三级增压装置，9-副压缩装置，9
’‑
二级副压缩装置，9
”‑
三级副压缩装置，10-调压阀，11-止回阀，12-氢气
入口一，13-氢气出口一，14-氢气入口二，15-氢气出口二，16-氢气入口三，17-氢气出口三，18-余热回收介质出口一，19-余热回收介质入口一，20-余热回收介质入口二，21-余热回收介质出口二，22-余热回收介质入口三，23-余热回收介质出口三。
具体实施方式
[0041]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0042]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0043]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0044]
实施例1：
[0045]
如图1所示，本发明一种氢气压缩余热高效回收的装置，包括主压缩装置2、热交换装置3、储气装置4、膨胀装置5、副压缩装置9、动力传输装置6、增压装置8、调压阀10和止回阀11。
[0046]
其中，主压缩装置2上设有氢气入口一12和氢气出口一13，氢气出口一13通过氢气管路1连接热交换装置3上的氢气入口二14，热交换装置3上的氢气出口二15通过氢气管路1连接储气装置4；副压缩装置9上设有氢气入口三16和氢气出口三17，氢气出口三17通过氢气管路1连接储气装置4，并且氢气出口三17与储气装置4之间的氢气管路1上依次安装有调压阀10和止回阀11。
[0047]
热交换装置3上还设有余热回收介质出口一18和余热回收介质入口一19，余热回收介质出口一18通过余热回收介质管路7连接膨胀装置5上的余热回收介质入口二20，膨胀装置5上的余热回收介质出口二21通过余热回收介质管路7连接增压装置8上的余热回收介质入口三22，增压装置8上的余热回收介质出口三23通过余热回收介质管路7连接余热回收介质入口一19。
[0048]
膨胀装置5上还连接有动力传输装置6，动力传输装置6为增压装置8和副压缩装置9提供驱动。
[0049]
在本实施例中，主压缩装置2、副压缩装置9和储气装置4均为具备氢气压缩和储存压缩氢气功能的装置。
[0050]
在本实施例中，热交换装置3具有热能转移的功能，具备将输入热交换装置3中的热压缩氢气中的热能传递到余热回收介质的功能，余热回收介质可以是氢气、二氧化碳、惰性气体或性质稳定的液体和气体。
[0051]
热量交换将压缩氢气中的热量转移到余热回收介质中，计算压缩氢气的平均比定压热容，根据公式
[0052][0053]
热压缩氢气热交换前后的温度分别是t1，t2，主压缩装置2压缩氢气的质量流量是计算热压缩氢气中回收的热能，
[0054][0055]
在本实施例中，膨胀装置5用于将余热回收介质中的热能转化成驱动副压缩装置9压缩氢气和增压装置8加压余热回收介质的机械动力。
[0056]
η1表示转化为压缩氢气势能的效率，η2表示转化成热能的效率，主压缩装置工作一小时的总耗电量为qkw.h，计算主压缩装置输入的总功率转化成热量，用公式
[0057]q总
＝q kw.h
×
1h
×
3600kj/(kw.h)
[0058]
主压缩装置在工作过程中转化成的总热量
[0059]
q1＝q
总
×
η2[0060]
热回收率为
[0061][0062]
动力传输装置6对从膨胀装置5传输来的机械动力进行分配，分配给增压装置8和副压缩装置9的动力比为η4：η5，动力传输装置6在传输动力过程中的能耗效率为η6，其中回收的热量中转化为副压缩装置9的压缩氢气势能的部分是
[0063][0064]
在本实施例中，增压装置8用于对膨胀装置5输出的余热回收介质加压，以确保余热回收介质有足够的压力顺利的进入到热交换装置3。
[0065]
在本实施例中，调压阀10用于对副压缩装置9输出的压缩氢气进行压力调节，止回阀11则用于防止压缩氢气回流。
[0066]
在本实施例中，动力传输装置6由轴和齿轮组成，可以把来自膨胀装置5的机械动力按比例分配到副压缩装置9和增压装置8。
[0067]
实施例2：
[0068]
为了进一步优化技术方案，副压缩装置9上的氢气出口三17与调压阀10之间能够继续连接下一级的氢气压缩余热回收装置，构成多级氢气压缩装置，并且多级氢气压缩余热回收装置共用一个储气装置4；
[0069]
上一级氢气压缩余热回收装置中的副压缩装置作为下一级氢气压缩余热回收装置中的主压缩装置使用，每一级氢气压缩余热回收装置中热交换装置的氢气出口二均通过氢气管路连接储气装置，最末级氢气压缩余热回收装置中副压缩装置上的氢气出口三再通过调压阀和止回阀连接储气装置。
[0070]
本发明实施例2即提供了一种在实施例1的基础上延伸出的三级余热回收产生压缩氢气的压缩装置，对副压缩装置9以及二级副压缩装置9’输出的压缩氢气中的热能进行回收，进一步提高氢气压缩机装置能量利用效率。
[0071]
在本实施例中，副压缩装置9(视作二级氢气压缩余热回收装置中的主压缩装置)
输出的压缩氢气流入二级热交换装置3’中，回收的热能通过二级膨胀装置5’转化成驱动二级副压缩装置9’产生压缩氢气和驱动二级增压装置8’对二级余热回收介质管路7’中的余热回收介质加压的机械动力，二级副压缩装置9’(视作三级氢气压缩余热回收装置中的主压缩装置)输出压缩氢气流入三级热交换装置3”中，回收的热能通过三级膨胀装置5”转化成驱动三级副压缩装置9”产生压缩氢气和驱动三级增压装置8”对三级余热回收介质管路7”中的余热回收介质加压的机械动力，三级副压缩装置9”输出的压缩氢气进入调压阀10进行压力调节，再通过止回阀11后输送至储气装置4中储存；
[0072]
在本实施例中，二级膨胀装置5’上还连接有为二级增压装置8’和二级副压缩装置9’提供驱动的二级动力传输装置6’；三级膨胀装置5”上还连接有为三级增压装置8”和三级副压缩装置9”提供驱动的三级动力传输装置6”。
[0073]
在本实施例中，热交换装置3、二级热交换装置3’、三级热交换装置3”都通过氢气管路1与储气装置4连接，经过热交换后的压缩氢气通过氢气管路1输送至储气装置4中储存。
[0074]
采用此装置及方法后，可将压缩氢气的余热有效回收，并利用回收的余热继续产生所需的压缩氢气，能够将氢气压缩装置的能耗利用效率提高。以此类推，可以继续增加余热回收的等级，以最大程度的回收热压缩氢气中的热能，提高热回收的效率，实现能源利用的最大化，以达到节能减排的目的。
[0075]
一级热回收回收的热量其中转化成压缩氢气势能的热量为其中转化成压缩氢气势能的热量为
[0076]
二级热回收回收的热量其中转化成压缩氢气势能的热量为q3×
η6×
η5×
η1；
[0077]
三级热回收回收的热量q4＝q3×
η6×
η5×
η2×
η3,其中转化成压缩氢气势能的热量为q4×
η6×
η5×
η1；
[0078]
当热回收的级数足够多时，可以回收的热量转化为压缩氢气势能的总热量为
[0079][0080]
当n
→
∞时，总回收的热量为
[0081][0082]
利用本发明一级或多级氢气压缩余热高效回收的装置余热产生压缩氢气的方法，包括以下几个步骤：压缩、热交换、能量转化和气体储存；
[0083]
其中，压缩包括：
[0084]
压缩氢气：氢气进入主压缩装置以及副压缩装置进行压缩，氢气的压力升高，产生了所需的压缩氢气和压缩热；
[0085]
余热回收介质加压：余热回收介质进入增压装置加压，余热回收介质的压力升高，确保余热回收介质有足够的压力顺利的进入热交换装置，用以完成余热回收介质在热交换装置、膨胀装置、增压装置内循环；
[0086]
热交换：在热交换装置中热压缩氢气中的热能传递到余热回收介质中，使得输入储气装置的压缩氢气温度降低，输入膨胀装置的余热回收介质温度升高，完成热量交换；
[0087]
能量转化：在膨胀装置内，余热回收介质中的热能膨胀转化成机械动力，通过动力传输装置，为副压缩装置和增压装置提供所需的功率，热能转化为驱动副压缩装置和增压装置的机械动力；
[0088]
储存：经过热交换装置输出的压缩氢气输送至储气装置储存，副压缩装置输出的压缩氢气经调压阀调压后输送至储气装置储存。
[0089]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0090]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种氢气压缩余热高效回收的装置，其特征在于，包括主压缩装置、热交换装置、储气装置、膨胀装置、副压缩装置、动力传输装置、增压装置、调压阀和止回阀，主压缩装置上设有氢气入口一和氢气出口一，氢气出口一通过氢气管路连接热交换装置上的氢气入口二，热交换装置上的氢气出口二通过氢气管路连接储气装置；副压缩装置上设有氢气入口三和氢气出口三，氢气出口三通过氢气管路连接储气装置，并且氢气出口三与储气装置之间的氢气管路上依次安装有调压阀和止回阀；热交换装置上还设有余热回收介质出口一和余热回收介质入口一，余热回收介质出口一通过余热回收介质管路连接膨胀装置上的余热回收介质入口二，膨胀装置上的余热回收介质出口二通过余热回收介质管路连接增压装置上的余热回收介质入口三，增压装置上的余热回收介质出口三通过余热回收介质管路连接余热回收介质入口一；膨胀装置上还连接有动力传输装置，动力传输装置为增压装置和副压缩装置提供驱动。2.根据权利要求1所述的一种氢气压缩余热高效回收的装置，其特征在于，副压缩装置上的氢气出口三与调压阀之间能够继续连接下一级的氢气压缩余热回收装置，构成多级氢气压缩余热回收装置，并且多级氢气压缩余热回收装置共用一个储气装置；上一级氢气压缩余热回收装置中的副压缩装置作为下一级氢气压缩余热回收装置中的主压缩装置使用，每一级氢气压缩余热回收装置中热交换装置的氢气出口二均通过氢气管路连接储气装置，最末级氢气压缩余热回收装置中副压缩装置上的氢气出口三再通过调压阀和止回阀连接储气装置。3.根据权利要求1或2所述的一种氢气压缩余热高效回收的装置，其特征在于，主压缩装置、副压缩装置和储气装置均为具备氢气压缩和储存压缩氢气功能的装置。4.根据权利要求1或2所述的一种氢气压缩余热高效回收的装置，其特征在于，热交换装置具有热能转移的功能，用于将输入热交换装置中的压缩氢气中的热能转移到余热回收介质中；热量交换将压缩氢气中的热量转移到余热回收介质中，计算压缩氢气的平均比定压热容，根据公式热压缩氢气热交换前后的温度分别是t1，t2，主压缩装置压缩氢气的质量流量是计算热压缩氢气中回收的热能，5.根据权利要求1或2所述的一种氢气压缩余热高效回收的装置，其特征在于，膨胀装置用于将余热回收介质中的热能转化成驱动副压缩装置和增压装置的机械动力；η1表示转化为压缩氢气势能的效率，η2表示转化成热能的效率，主压缩装置工作一小时的总耗电量为q kw.h，计算主压缩装置输入的总功率转化成热量，用公式q
总
＝o km.h
×
1h
×
3600kj/(kw.h)主压缩装置在工作过程中转化成的总热量q1＝q
总
×
η2热回收率为
动力传输装置对从膨胀装置传输来的机械动力进行分配，分配给增压装置和副压缩装置的动力比为η4：η5，动力传输装置在传输动力过程中的能耗效率为η6，其中回收的热量中转化为副压缩装置的压缩氢气势能的部分是6.根据权利要求1或2所述的一种氢气压缩余热高效回收的装置，其特征在于，增压装置用于对膨胀装置输出的余热回收介质加压；调压阀用于对副压缩装置输出的压缩氢气进行压力调节；止回阀用于防止压缩氢气回流。7.利用权利要求1-6任意一项所述的一种氢气压缩余热高效回收的装置余热产生压缩氢气的方法，其特征在于，包括以下几个步骤：压缩、热交换、能量转化和气体储存；其中，压缩包括：压缩氢气：氢气进入主压缩装置以及副压缩装置进行压缩，氢气的压力升高，产生了所需的压缩氢气和压缩热；余热回收介质加压：余热回收介质进入增压装置加压，余热回收介质的压力升高，确保余热回收介质有足够的压力顺利的进入热交换装置，用以完成余热回收介质在热交换装置、膨胀装置、增压装置内循环；热交换：在热交换装置中热压缩氢气中的热能传递到余热回收介质中，使得输入储气装置的压缩氢气温度降低，输入膨胀装置的余热回收介质温度升高，完成热量交换；能量转化：在膨胀装置内，余热回收介质中的热能膨胀转化成机械动力，通过动力传输装置，为副压缩装置和增压装置提供所需的功率，热能转化为驱动副压缩装置和增压装置的机械动力；储存：经过热交换装置输出的压缩氢气输送至储气装置储存，副压缩装置输出的压缩氢气经调压阀调压后输送至储气装置储存。

技术总结
本发明公开了一种氢气压缩余热高效回收的装置及方法，包括主压缩装置、热交换装置、储气装置、膨胀装置、副压缩装置、动力传输装置、增压装置、调压阀和止回阀。热交换装置将压缩氢气中的热能传递到余热回收介质并将降温后压缩氢气输送至储气装置中；同时，经过热交换后的余热回收介质输送到膨胀装置并转化为驱动副压缩装置和增压装置提供所需的机械动力，持续进行余热回收介质的循环及副压缩装置中的氢气压缩。本发明利用热交换装置和膨胀装置，对热压缩氢气中的热能进行回收，实现了利用压缩氢气中的余热生产压缩氢气，进一步提高了氢气压缩装置的性能。了氢气压缩装置的性能。了氢气压缩装置的性能。


技术研发人员：贾冠伟 安永伟 闫双杰 冀守虎 王琨 支前程 刘典 路超 王泽茹
受保护的技术使用者：河南大学
技术研发日：2023.03.18
技术公布日：2023/6/14