СПОСОБ ПОВТОРНОГО СЖИЖЕНИЯ ОТПАРНОГО ГАЗА, ОБРАЗУЮЩЕГОСЯ В РЕЗЕРВУАРАХ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ЖИДКОГО ВОДОРОДА
METHOD OF RE-LIQUEFYING BOIL-OFF GAS GENERATED IN STORAGE TANKS OF LIQUID HYDROGEN

Область техники
[0001]
Настоящее изобретение относится к способу повторного сжижения отпарного газа, образующегося в резервуарах жидкого водорода на судах, транспортирующих сжиженный водород или им подобных.
Уровень техники
[0002]
Водород традиционно и широко используется как сырье, восстанавливающий агент и т.п.в различных областях техники, таких как химическая промышленность, нефтепереработка, производство чугуна и стали и т.д. Вместе с этим не так давно в глобальном масштабе была принята политика сокращения выбросов углекислого газа, при том, что цены на горючие полезные ископаемые, такие как нефть, постоянно растут. В связи с этим в последние годы в различных отраслях промышленности существует тенденция к использованию водорода в качестве топлива или источника энергии. В частности, планируется использовать водород в качестве топлива для двигателей автомобилей или турбин электрогенераторов. Традиционно водород получают посредством парового риформинга углеводородов, электролизом воды или иным подобным образом. Вместе с тем водород также может быть получен посредством системы для производства водорода, использующей для этого в качестве основного исходного материала низкосортные угли, такие как лигнит или аналогичные ему.
[0003]
При этом, если в процессе производства в качестве основного исходного материала используется, например, низкосортный уголь, то систему для производства водорода располагают, как правило, вблизи места добычи низкосортного угля. С другой стороны, рынок потребления водорода в основном связан с населенными территориями, например, городами или зонами населенных пунктов, которые, как правило, достаточно удалены от мест добычи низкосортного угля. Таким образом, возникает необходимость транспортировки водорода, полученного из системы для производства водорода к району его сбыта.
[0004]
В целом, когда транспортировку водорода к району сбыта осуществляют морским путем, водород, выработанный в системе для производства водорода, охлаждают до состояния жидкости на установках сжижения, при этом хранение осуществляют в резервуарах-хранилищах жидкого водорода, например, таком, как описан в JP 2005-241232 А. Это обеспечивает удобную транспортировку жидкого водорода к району сбыта. Таким образом, для перевозки жидкого водорода морским путем используют, как правило, суда, транспортирующие жидкий водород, оборудованные емкостями для сохранения жидкого водорода и поддержания в нем очень низкой температуры.
Краткое описание изобретения
Задачи изобретения
[0005]
При периодической перевозке жидкого водорода к району сбыта посредством судна для транспортировки жидкого водорода, на первом этапе жидкий водород, хранящийся в резервуаре-хранилище, перемещают в емкость для жидкого водорода на судне для транспортировки жидкого водорода, который находится в порту (далее именуемый «порт отгрузки») близ места, где расположена установка для сжижения водорода или резервуар-хранилище жидкого водорода. Затем судно для транспортировки жидкого водорода пересекает море или океан и приходит в другой порт (далее именуемый «порт назначения»), расположенный близ района сбыта водорода. Далее, жидкий водород, хранящийся в емкости жидкого водорода на судне для транспортировки жидкого водорода, перемещают в другой резервуар-хранилище жидкого водорода, находящийся вблизи порта назначения. После этого, находящееся в порту назначения судно для транспортировки жидкого водорода, у которого в емкости для жидкого водорода все еще находится некоторый объем (например, несколько процентов от объема емкости жидкого водорода) жидкого водорода, необходимого для поддержания в емкости для жидкого водорода низкой температуры, возвращается в порт отгрузки.
[0006]
В порту отгрузки жидкий водород, хранящийся в резервуаре-хранилище жидкого водорода близ порта отгрузки, вновь загружают в емкость жидкого водорода судна для транспортировки жидкого водорода. В этом случае температура емкости жидкого водорода на судне для транспортировки жидкого водорода повышается за счет передачи тепла окружающей емкость жидкого водорода среды емкости жидкого водорода при переходе судна, транспортирующего жидкий водород из порта назначения к порту отгрузки или время стоянки судна, транспортирующего жидкий водород, в порту отгрузки. В частности, температура верхней части емкости жидкого водорода превышала температуру точки росы жидкого водорода. Вследствие этого, при поступлении жидкого водорода из резервуара-хранилища жидкого водорода в емкость жидкого водорода за счет разницы температур внутри емкости жидкого водорода и подаваемого жидкого водорода жидкий водород частично испаряется, в результате чего образуется отпарной газ. Таким образом, отпарной газ необходимо подвергать технологической обработке.
[0007]
Решение данной проблемы может заключаться в смешении отпарного газа, образовавшегося в емкости для хранения жидкого водорода судна, транспортирующего жидкий водород, с газообразным водородом - сырьем, поступающим из системы производства водорода на установку сжижения, и последующего повторного сжижения в установке сжижения водорода целях его дальнейшего использования. При этом отпарной газ образуется в значительных количествах за короткий срок, поскольку судно, транспортирующее жидкий водород находится на стоянке в порту в течение незначительного промежутка времени - одного или нескольких дней. Таким образом, если образовавшийся в больших количествах отпарной газ использовать просто как сырье в установке сжижения, объем исходного материала, подаваемого на установку сжижения, на некоторое время резко увеличивается. В результате это может привести к возникновению неполадок в работе установки сжижения водорода, поскольку при ее проектировании исходили из того, что газообразное водородное сырье будет подаваться с постоянным расходом. Аналогичные проблемы могут возникать и в тех случаях, когда отпарной газ образуется в любых других емкостях для жидкого водорода, которыми оборудованы средства его доставки, а не только на судах, предназначенных для перевозки жидкого водорода.
[0008]
Настоящее изобретение, которое было предложено для решения вышеописанной проблемы, имеет целью предоставить способ и устройство, посредством которых можно было бы смешивать большие количества отпарного газа с газообразным водородом, поступающим из системы производства водорода в качестве исходного материала установки сжижения, а также производить повторное сжижение отпарного газа с целью его дальнейшего использования в жидком виде без причинения помех при эксплуатации установки сжижения водорода; при этом отпарной газ образуется в течение короткого промежутка времени в емкости для перевозки жидкого водорода приспособленного для этого транспортного средства, например, в емкости жидкого водорода судна, транспортирующего жидкий водород или ином аналогичном.
Способы и средства решения задачи
[0009]
В соответствии с настоящим изобретением, предложенном для достижения указанной выше цели, повторно сжижаемый отпарной газ, образовавшийся в первичной емкости жидкого водорода, сначала примешивают к жидкому водороду, находящемуся во вторичной емкости или к жидкому водороду в резервуаре-хранилище, таким образом, чтобы, по меньшей мере, часть отпарного газа была сжижена за счет криогенной тепловой энергии жидкого водорода. Затем, оставшуюся во вторичной емкости жидкого водорода несжиженную часть отпарного газа и образовавшийся парообразный водород подают в аппарат сжижения водорода для получения его в жидком агрегатном состоянии, при этом аппарат сжижения водорода, помимо блока получения сжиженного газа, включает секцию цикла охлаждения, в которой циркулирующий водород выполняет функцию хладагента. Таким образом, при помощи аппарата сжижения водорода оставшуюся несжиженную часть отпарного газа и парообразный водород преобразуют в жидкую форму.
[0010]
В соответствии с настоящим изобретением, при повторном сжижении отпарного газа предпочтительно, чтобы температура жидкого водорода во вторичной емкости жидкого водорода была ниже температуры насыщения или точки кипения жидкого водорода. Примером отпарного газа, который может быть подвергнут повторному сжижению в соответствии с настоящим изобретением является газ, образовавшийся в емкости жидкого водорода судна, транспортирующего жидкий водород.
Преимущества изобретения
[0011]
В соответствии с настоящим изобретением, отпарной газ, образовавшийся в первичной емкости жидкого водорода, например, емкости жидкого водорода судна, транспортирующего жидкий водород, примешивают к жидкому водороду, находящемуся во вторичной емкости жидкого водорода, таким образом, чтобы, по меньшей мере, часть отпарного газа была сжижена за счет криогенной тепловой энергии жидкого водорода. При этом оставшийся во вторичной емкости жидкого водорода несжиженный водород подается в аппарат сжижения вместе с парообразным водородом, образовавшимся в результате испарения жидкого водорода во вторичной емкости жидкого водорода, где происходит повторное сжижение.
[0012]
Таким образом, когда пустая первичная емкость жидкого водорода заполняется жидким водородом, в ней, поскольку температура внутри емкости повысилась, происходит образование большого количества отпарного газа. Когда образовавшийся вышеописанным способом отпарной газ примешивается к жидкому водороду вторичной емкости жидкого водорода по меньшей мере часть отпарного газа, а, как правило, большая его часть, сжижается. В результате удается избежать того, что отпарной газ в большом количестве в короткий промежуток времени подается в аппарат получения жидкого водорода. Конкретно, даже если в первичной емкости жидкого водорода в течение короткого промежутка времени образуется большое количество отпарного газа, его производство во вторичной емкости в целом выравнивается и, таким образом, расход отпарного газа, подаваемого в аппарат сжижения водорода, то есть коэффициент заполнения аппарата, усредняется. Соответственно, становится возможным повторное сжижение отпарного газа в аппарате получения жидкого водорода и, следовательно, повторное использование жидкого водорода в нем без каких-либо нарушений производственного процесса.
Краткое описание чертежей
[0013]
На Фиг. 1 представлена схема аппарата для получения жидкого водорода, используемого в способе повторного сжижения отпарного газа в соответствии с настоящим изобретением.
Наилучшее техническое выполнение изобретения
[0014]
Ниже подробно описан вариант реализации настоящего изобретения со ссылками на прилагаемый чертеж.
Как показано на Фиг. 1, согласно варианту реализации настоящего изобретения, аппарат для получения жидкого водорода HS оснащен секцией цикла охлаждения R, в которой в качестве хладагента циркулирует водород (далее - «циркулирующий водород») и блок получения жидкого водорода Р, в котором посредством охлаждения сжатого газообразного водорода (далее - «сырьевой водород»), используемого в качестве исходного материала, при помощи секции цикла охлаждения R и последующего адиабатического расширения получают жидкий водород.
[0015]
В секцию цикла охлаждения R включен контур циркуляции водорода 1, имеющий кольцевую форму, через который циркулирующий водород поступает в систему. С точки зрения взаимного расположения, приведенного на Фиг. 1, поток циркулирующего водорода в контуре 1 движется по часовой стрелке. Для удобства, сторона впуска и сторона выпуска, в отношении направления движения циркулирующего водорода, дальше будут обозначаться просто «впуск» и «выпуск», соответственно. Контур циркуляции водорода 1 включает компрессор 2, охладитель циркулирующего водорода 3, расположенный на стороне выпуска компрессора 2 и турбину дросселирования 4, расположенную на выпуске холодильника циркулирующего водорода 3.
[0016]
Компрессор 2, в качестве которого может быть использована компрессионная машина с электрическим приводом, адиабатически сжимает циркулирующий водород, находящийся при нормальном давлении (например, 0,1 МПа) и нормальной температуре (например, 300 К) до состояния высокого давления (например, 2 МРа, абс.) и температуры (например, 780 K). В охладителе циркулирующего водорода 3, в качестве которого может быть использован, например, теплообменник с водой низкой температуры в качестве охлаждающей среды, происходит охлаждение циркулирующего водорода высокого давления и температуры, при этом его температура приводится к нормальной, а давление остается высоким. Таким образом, прежде чем поступить в турбину дросселирования, циркулирующий под высоким давлением и нормальной температуре водород охлаждается в первом и втором теплообменнике Е1 и Е2 как это будет подробно описано ниже; при этом температура циркулирующего водорода достигает очень низких значений (например, 40 K) при неизменном давлении. Турбина дросселирования 4, в качестве которой может быть использована турбина для преобразования энергии давления или кинетической энергии газа под высоким давлением в механическую энергию и последующим выводом механической энергии наружу, приводится в действие циркулирующим водородом с высоким давлением и очень низкой температурой; при этом давление и температура циркулирующего водорода снижается и по меньшей мере часть его переходит в жидкое состояние. Таким образом, циркулирующий водород достигает состояния нормального давления и сверхнизкой температуры (например, 20 K). В другом варианте, вместо турбины дросселирования 4 возможно использование детандера, например, клапана Джоуля-Томсона или подобного, в котором происходит адиабатическое расширение циркулирующего водорода.
[0017]
Помимо этого, контур циркуляции водорода 1 оборудован первым и вторым низкотемпературными теплообменными элементами 5 и 6, которые расположены на выпуске турбины дросселирования и впуске компрессора 2. Более того, контур циркуляции водорода 1 оборудован первым и вторым высокотемпературными теплообменными элементами 7 и 8, которые расположены на выпуске охладителя циркулирующего водорода 3 и впуске турбины дросселирования 4. Первый низкотемпературный теплообменный элемент 5 и первый высокотемпературный теплообменный элемент 7 расположены таким образом, что между ними происходит взаимный обмен теплом. Второй низкотемпературный теплообменный элемент 6 и второй высокотемпературный теплообменный элемент 8 расположены таким образом, что между ними происходит взаимный обмен теплом. Первый низкотемпературный теплообменный элемент 5 и первый высокотемпературный теплообменный элемент 7 являются составной частью первого теплообменника Е1, второй низкотемпературный теплообменный элемент 6 и второй высокотемпературный теплообменный элемент 8 представляют составную часть второго теплообменника Е2, подробно описанных ниже.
[0018]
Блок получения жидкого водорода Р включает линию подачи сырьевого водорода 11, по которой он под высоким давлением (например, 2 МПа, абс.) и нормальной температуре поступает из источника подачи сырьевого водорода 10. К выпускному концу линии 11 (справа относительно направления движения потока сырьевого водорода на схеме взаимного расположения узлов, изображенной на Фиг. 1) присоединен клапан Джоуля-Томсона 12. Кроме того на линии сырьевого водорода 11, последовательно, относительно направления движения потока - от стороны впуска к стороне выпуска, расположены первый и второй охлаждающие элементы 13 и 14. Первый и второй охлаждающие элементы 13 и 14 понижают температуру сырьевого водорода, поступающего под высоким давлением и при нормальной температуре, до очень низкой (например, 40 К) с практически сохраненным высоким давлением. В клапане Джоуля-Томсона 12 происходит адиабатическое расширение потока сырьевого водорода, находящегося под высоким давлением и очень низкой температурой, таким образом, что его температура и давление понижаются. В результате, по меньшей мере часть сырьевого водорода переходит в жидкую фазу с образованием жидкого водорода. В другом варианте, для сжижения сырьевого водорода может быть использован расширительный клапан, отличный от клапана Джоуля-Томсона 12. Первый охлаждающий элемент 13 может являться составной частью первого теплообменника Е1, второй охлаждающий элемент 14 - составной частью второго теплообменника Е2, подробно описанных ниже.
[0019]
В аппарате получения жидкого водорода HS первый и второй теплообменники Е1 и Е2 расположены между секцией цикла охлаждения R и блоком получения жидкого водорода Р, и включает первый низкотемпературный теплообменный элемент 5, первый высокотемпературный теплообменный элемент 7 и первый охлаждающий элемент сырьевого водорода 13. Второй теплообменник Е2 включает второй низкотемпературный теплообменный элемент 6, второй высокотемпературный теплообменный элемент 8, а также второй охлаждающий элемент сырьевого водорода 14. В первом и втором теплообменниках Е1 и Е2, циркулирующий водород, который поступает по линии 1 со стороны выпуска турбины дросселирования 4 и впуска компрессора 2, охлаждает циркулирующий водород, поступающий по линии 1, расположенной на выпуске охладителя циркулирующего водорода 3 и впуске турбины дросселирования 4; после чего циркулирующий водород подают на охлаждение потока сырьевого водорода, поступающего по линии 11.
[0020]
В аппарате согласно варианту, приведенному на Фиг. 1, теплообменники Е1 и Е2 располагают между секцией цикла охлаждения R и блоком получения жидкого водорода Р. При этом, количество устанавливаемых теплообменников не ограничивается двумя и, следовательно, возможно использование трех или более аппаратов (например, трех, четырех, пяти…). Иными словами, предпочтительное число устанавливаемых теплообменников может быть определено в зависимости от площади поверхности теплопередачи и других теплофизических свойств каждого теплообменника.
[0021]
В дальнейшем будет описано, как могут быть изменены термодинамические состояния циркулирующего или сырьевого водорода, поступающих в секцию цикла охлаждения R или блок получения жидкого водорода Р. Сначала будет описано изменение состояния циркулирующего водорода, поступающего от турбины дросселирования 4 на компрессор 2 по линии 1. Водород, циркулирующий в состоянии нормального давления (например, 0,1 МПа, абс.) и сверхнизкой температуры (например, 20 K), поступивший от турбины дросселирования 4 и по меньшей мере частично сжиженный, проходя через второй низкотемпературный теплообменный элемент 6, охлаждает поток циркулирующего водорода, который подается через второй высокотемпературный теплообменный элемент 8, и поток сырьевого водорода, поступающего через второй охлаждающий элемент 14. В результате температура циркулирующего водорода, поступающего со второго низкотемпературного теплообменного элемента 6 (второй теплообменник Е2) и находящегося под нормальным давлением, незначительно повышается (например, до 80 К). В этом случае, при проходе через второй низкотемпературный теплообменный элемент 6, сжиженная часть циркулирующего водорода испаряется.
[0022]
Циркулирующий водород, поступивший со второго низкотемпературного теплообменного элемента 6 (второй теплообменник Е2), охлаждает поток циркулирующего водорода, проходящего через первый высокотемпературный теплообменный элемент 7 и, при проходе через первый низкотемпературный теплообменный элемент 5, - поток сырьевого водорода из первого охлаждающего элемента 13. В результате температура циркулирующего водорода, поступающего с первого низкотемпературного теплообменного элемента 5 (первый теплообменник Е1) и находящегося под нормальным давлением, повышается до нормальной (например, до 300 К). Далее циркулирующий водород в состоянии нормального давления и нормальной температуры поступает в компрессор 2, где адиабатически сжимается и переходит в состояние, характеризующееся высоким давлением (например, 2 МПа, абс.) и высокой температурой (например, 780 К). [0023]
Далее будет описано изменение состояния циркулирующего водорода, поступающего от компрессора 3 на турбину дросселирования 4 по линии 1. Газообразный циркулирующий водород в состоянии высокого давления и высокой температуры после сжатия в компрессоре 2 охлаждают сначала в охладителе 3, в результате чего он переходит в состояние, характеризующееся нормальной температурой (например, 300 К) и высоким давлением. Затем циркулирующий водород в состоянии высокого давления и нормальной температуры охлаждается потоком циркулирующего водорода при проходе через первый низкотемпературный теплообменный элемент 5, а после прохода через первый высокотемпературный теплообменный элемент 7 его температура значительно понижается (например, до 80 К). Циркулирующий водород с высоким давлением и очень низкой температурой после прохождения первого высокотемпературного теплообменного элемента 7 (первый теплообменник Е1) охлаждается за счет потока циркулирующего газа из второго низкотемпературного теплообменного элемента 6 таким образом, что после прохода через второй высокотемпературный теплообменный элемент 8 он приобретает еще более низкую температуру (например, 40 К). Далее циркулирующий водород в состоянии высокого давления и очень низкой температуры поступает в турбину дросселирования 4. Там циркулирующий водород расширяется и переходит в состояние нормального давления (например, 0,1 МПа, абс.) и сверхнизкой температуры (например, 20 K), при этом, по крайней мере, часть циркулирующего водорода сжижается.
[0024]
В дополнение ниже будет дано описание изменения состояния сырьевого водорода, поступающего из источника подачи сырья 10 на клапан Джоуля-Томсона 12 по линии 11. Сырьевой водород в состоянии высокого давления (например, 2 МПа, абс.) и нормальной температуры (например, 300 К), подаваемый из источника сырья 10, охлаждается потоком циркулирующего водорода при проходе через первый низкотемпературный теплообменный элемент 5 так, что после прохода через первый охлаждающий элемент 13 его температура значительно понижается (например, до 80 К). Сырьевой водород с высоким давлением и очень низкой температурой после прохождения первого охлаждающего элемента 13 (первый теплообменник Е1) охлаждается за счет потока циркулирующего водорода из второго низкотемпературного теплообменного элемента 6 таким образом, что после прохода через второй высокотемпературный теплообменный элемент 14 он приобретает еще более низкую температуру (например, 40 К).
[0025]
Затем сырьевой водород с высоким давлением и при очень низкой температуре расширяется в результате эффекта Джоуля-Томсона при проходе через клапан 12, при этом давление сырьевого водорода снижается до нормального (например, 0,1 МПа, абс), а температура понижается до сверхнизкой (например, 20 К), в результате чего по меньшей мере, часть сырьевого водорода сжижается. Сжиженный сырьевой водород, т.е. жидкий водород как продукт аппарата получения жидкого водорода HS, поступает на хранение в резервуар-хранилище жидкого водорода 15. Жидкий водород, хранящийся в резервуаре-хранилище жидкого водорода 15, удобно перегружать в емкость жидкого водорода судна, транспортирующего жидкий водород 16, находящегося в порту (порту отгрузки) близ места расположения аппарата HS.
[0026]
Термодинамические состояния циркулирующего или сырьевого водорода в соответствующих точках секции цикла охлаждения R или блока получения жидкого водорода Р сведены в Таблицу 1. Точки изменения термодинамического состояния обозначены на Фиг. 1 буквами от «а» до «k». Буква «G» обозначает газовое состояние, буква «L» - состояние жидкой фазы.
[0027]
Ниже дано описание способа или системы согласно настоящему изобретению для повторного сжижения отпарного газа, который образуется в результате наполнения жидким водородом емкости жидкого водорода судне, транспортирующем жидкий водород 16 (далее - «емкость жидкого водорода судна»). После того, как транспортирующее жидкий водород судно 16, в емкости жидкого водорода которого (т.е. первичном резервуаре) находится некоторый объем жидкого водорода (например, несколько процентов от объема емкости жидкого водорода), необходимый для поддержания в емкости низкой температуры, достигает порта отгрузки, близ которого находится резервуар-хранилище жидкого водорода 15, и становится на стоянку, жидкий водород, находящийся в резервуаре-хранилище жидкого водорода 15, подают в емкость жидкого водорода судна, транспортирующего жидкий водород. При этом, как правило, известно, что транспортирующее жидкий водород судно 16 будет находиться в порту ограниченный период времени - один или несколько дней. В этом случае также известно, что температура емкости жидкого водорода судна, в частности, температура верхней части емкости жидкого водорода, превысит температуру насыщения или точки кипения (20, 28 К) жидкого водорода вследствие того, что во время стоянки или перехода судна, транспортирующего жидкий водород по маршруту тепло окружающей среды будет передаваться емкости жидкого водорода.
[0028]
В результате, жидкий водород, загружаемый в емкость жидкого водорода судна (первичный резервуар жидкого водорода), из-за разницы температур частично перейдет в паровую фазу с образованием за короткий промежуток времени значительного количества отпарного газа. Как правило, на начало загрузки жидкого водорода температура отпарного газа, образовавшегося в емкости жидкого водорода судна, составляет 50-80 К. Затем, по мере наполнения емкости жидкого водорода судна жидким водородом, емкость жидкого водорода охлаждается. Поскольку температура емкости жидкого водорода будет постепенно понижаться, будет понижаться и температура отпарного газа, достигая значения в диапазоне 20-50 К, т.е. примерно той температуры, при которой газообразный водород начинает сжижаться.
[0029]
В соответствии со способом повторного сжижения, описываемом в настоящем изобретении, отпарной газ с температурой в диапазоне 20-80 К, который выкачивают из емкости жидкого водорода судна (первичного резервуара жидкого водорода), примешивают к жидкому водороду, находящемуся во вторичных резервуарах жидкого водорода или резервуарах-хранилищах жидкого водорода 19 и 20 через линию 17 подачи отпарного газа посредством газодувки 18. Периферийную поверхность линии 17 подачи отпарного газа теплоизолируют таким образом, чтобы предотвратить или снизить рост температуры отпарного газа в результате передачи тепла окружающей среды (теплоизолирующие материалы на чертеже не показаны). Газодувка 18 развивает давление нагнетания, достаточное для подачи отпарного газа в среду жидкого водорода в точке близ донной части вторичных резервуаров жидкого водорода 19 и 20. Вместо газодувки 18 может быть использован компрессор. Если отпарной газ находится под достаточно высоким давлением, газодувка 18 может быть исключена.
[0030]
Вторичные резервуары жидкого водорода 19 и 20 представляют собой установленные на земле сферические или цилиндрические сосуды большого объема (например, от нескольких сотен до нескольких тысяч кубических метров). Вторичные резервуары 19 и 20 обеспечивают удобный прием и хранение жидкого водорода с температурой ниже температуры насыщения или точки кипения (20, 28 K при нормальном давлении) и поступающего из различных источников, а также обеспечивают удобную подачу жидкого водорода на различные объекты, оборудование или транспортные средства, потребляющие жидкий водород. Периферийные поверхности вторичных резервуаров жидкого водорода 19 и 20 теплоизолируют таким образом, чтобы предотвратить или снизить рост температуры отпарного газа в результате передачи тепла окружающей среды (теплоизолирующие материалы на чертеже не показаны). Поскольку жидкий водород удобен для перемещения в и из описанных выше вторичных резервуаров жидкого водорода 19 и 20, в каждом из них всегда хранят жидкий водород, имеющий температуру ниже температуры насыщения или точки кипения жидкого водорода. Несмотря на то, что система в соответствии с вариантом изобретения, изображенном на Фиг. 1 обеспечена двумя вторичными резервуарами жидкого водорода, их количество данным числом не ограничивается. То есть количество вторичных резервуаров жидкого водорода может быть больше или меньше двух.
[0031]
По меньшей мере, часть (т.е. весь или часть) отпарного газа, примешиваемого к жидкому водороду во вторичных резервуарах 19 и 20 жидкого водорода, повторно сжижается за счет криогенной тепловой энергии жидкого водорода, температура которого ниже температуры насыщения или точки его кипения. Таким образом, если часть отпарного газа не сжижена, она выводится из вторичных резервуаров жидкого водорода 19 и 20 и поступает в аппарат получения жидкого водорода HS вместе с парообразным водородом, образовавшимся в результате испарения жидкого водорода во вторичных резервуарах жидкого водорода 19 и 20, как это описано ниже. При этом, поскольку отпарной газ примешивают к жидкому водороду в резервуарах 19 и 20, количество тепла жидкого водорода в них немного увеличивается и объем парообразного водорода соответствующим образом возрастает.
[0032]
Для того, чтобы выпустить отпарной газ и парообразный водород, образовавшиеся во вторичных резервуарах жидкого водорода 19 и 20 и направить их в аппарат получения жидкого водорода HS, предусмотрен нагнетательный канал 21 парообразного водорода, который подключен к верхней части каждого резервуара-хранилища жидкого водорода 19 и 20 и впускной части, связанной с первым охлаждающим элементом 13, линии 11 сырьевого водорода. Кроме того, в нагнетательном канале парообразного водорода 21 установлен дополнительный компрессор 22. Дополнительный компрессор 22 сжимает отпарной газ или парообразный водород, которые при нормальном давлении выпускаются из вторичных резервуаров жидкого водорода 19 и 20, таким образом, чтобы давление было равным или выше давления сырьевого водорода (например, 2 МПа, абс), после чего отпарной газ или парообразный водород подают в линию 11 в точке впуска, связанной с первым охлаждающим элементом 13. Отпарной газ или парообразный водород, подаваемый в линию 11, смешивают с сырьевым водородом, после чего сжижают с получением жидкого водорода. Поскольку отпарной газ, парообразный водород и сырьевой водород как химическое вещество представляют собой газообразный водород, их смешивание происходит полностью и однородно, различить их в принципе невозможно.
[0033]
В способе или системе повторного сжижения отпарного газа согласно настоящему изобретению по меньшей мере часть, а как правило - большая часть отпарного газа, образовавшегося в емкости жидкого водорода судна (первичная емкость жидкий водород), сжижается под воздействием жидкого водорода во вторичных резервуарах жидкого водорода 19 и 20, при этом температура жидкого водорода ниже, температура насыщения или точка кипения жидкого водорода. В результате, даже если внутри емкости жидкого водорода судна отпарной газ образуется в больших количествах в короткий промежуток времени, большая его часть повторно сжижается под воздействием жидкого водорода во вторичных резервуарах жидкого водорода 19 и 20. Соответственно, удается избежать того, чтобы отпарной газ подавался в аппарат получения жидкого водорода HS в большом количестве в короткий промежуток времени. Таким образом, даже если внутри емкости жидкого водорода судна отпарной газ образуется в больших количествах в короткий промежуток времени, его расход при подаче в аппарат получения жидкого водорода HS, то есть коэффициент заполнения аппарата, существенно не увеличивается и количество протекающего газа становится равномерным или усредненным. Следовательно, становится возможным повторное сжижение отпарного газа с помощью жидкого водорода, получаемого в аппарате получения жидкого водорода HS и повторно использовать его как жидкий водород без каких-либо нарушений производственного процесса.
Промышленная применимость
[0034]
Таким образом, способ повторного сжижения отпарного газа жидкого водорода в соответствии с настоящим изобретением целесообразен для обработки газа, образующегося в резервуаре жидкого водорода. В частности, способ в соответствии с настоящим изобретением эффективен для повторного сжижения отпарного газа, в случае, когда емкость жидкого водорода судна заполнена жидким водородом, который транспортируется в район сбыта грузовым судном, перевозящим жидкий водород.
Расшифровка позиционных обозначений
[0035]
HS - аппарат для получения жидкого водорода, R - секция цикла охлаждения, Р - блок получения жидкого водорода, Е1 - первый теплообменник, Е2 - второй теплообменник, 1 - линия циркуляции водорода, 2 - компрессор, 3 - охладитель циркулирующего водорода, 4 - турбина дросселирования, 5 - первый низкотемпературный теплообменный элемент, 6 - второй низкотемпературный теплообменный элемент, 7 - первый высокотемпературный теплообменный элемент, 8 - второй высокотемпературный теплообменный элемент, 10 - источник подачи сырьевого водорода, 11 - линия сырьевого водорода, 12 - клапан Джоуля-Томсона, 13 - первый охлаждающий элемент сырьевого водорода, 14 - второй охлаждающий элемент сырьевого водорода, 15 - резервуар-хранилище жидкого водорода, 16 - судно для транспортировки жидкого водорода, 17 - линия подачи отпарного газа, 18 - газодувка, 19 - вторичный резервуар жидкого водорода, 20 - вторичный резервуар жидкого водорода, 21 - нагнетательный канал парообразного водорода, 22 - дополнительный компрессор.