利用太阳能和液化天然气（LNG）冷能的集成氢液化系统的评估与优化

《Renewable Energy》：Assessment and Optimization of an Integrated Hydrogen Liquefaction System Utilizing Solar Energy and LNG Cold Energy

氢液化过程通过整合太阳能热泵、CO2-Kr逆布雷顿循环及有机朗肯循环，采用粒子群多目标优化算法协同优化能耗、效率与环境指标，实现SEC 5.28 kWh/kg，效率58.56%，环境指标16.77 mPts/kWh，投资回收期4.81年，太阳能预冷降低能耗27.57%。

　　

杨帆|王长顺|姜文全|乔艳|吕盈盈|宋文辉

辽宁石油化工大学石油工程学院，抚顺，113001，中国

摘要

先进的氢液化工艺作为实现全球氢运输的关键技术，有望重塑清洁能源供应链的格局。本文提出了一种新型自供电方案，将低温液化过程中产生的废热转化为稳定的电能。该系统整合了太阳能热泵、超临界二氧化碳和氪气混合工质布雷顿循环、有机朗肯循环以及液化天然气-氢气混合冷能利用技术。通过分阶段过程评估并结合粒子群多目标优化算法，对系统的特定能耗、熵效率及单位环境影响率进行了联合优化。优化结果表明：特定能耗为5.28 kWh/kg_LH2，熵效率提升至58.56%，单位环境影响率控制在16.77 mPts/kWh，性能系数为0.249。系统的折现回收期为4.81年。基于太阳能热存储的废热回收系统使特定能耗降低了27.57%。改进后的逆布雷顿循环显著提高了制冷剂冷能利用效率。这一自供电能源概念为后续研究中突破制冷循环能耗瓶颈提供了新途径。

引言

《2024年全球氢能报告》指出，各国政府对氢能的需求预计到2030年将达到1.15亿吨[1]。国际能源署在其《2050年净零排放情景报告》中强调，氢能及基于氢的燃料将成为不可或缺的解决方案，尤其是在直接电气化面临技术或经济障碍、可持续生物能源无法满足需求的领域[2]。这包括航运、航空以及钢铁和化工制造等重工业的应用。如此大规模的部署需要广泛的氢储存和运输基础设施。氢在常温条件下的体积能量密度约为3000 kWh/L，这对运输成本构成了重大挑战[3]。研究人员通常采用液化、吸附、压缩或燃料重整等方法进行氢储存和运输。在这些技术中，液态氢在体积密度、纯度和低压储存可行性方面具有显著优势。

氢液化是一个能耗较高的过程，主要由于其在标准大气压下的低温液化温度为20.1 K。这需要复杂的液化系统，其中制冷循环将冷能从制冷剂传递给氢气。1898年，詹姆斯·杜瓦通过使用酚类化合物和液态空气将气态氢冷却至23 K（18000 kPa），首次成功实现了氢液化[4]。传统的汉普森-林德（Hampson-Linde）工艺依赖于J-汤姆逊效应进行液化，需要高压压缩，对设备要求较高。相比之下，逆布雷顿循环具有更高的液化效率、更好的灵活性和更强的参数适应性。该方法在较低的操作压力下即可实现稳定的氢液化，因此在氢液化系统中得到广泛应用。氦（He）和氢通常被用作逆布雷顿制冷循环中的制冷剂。毕等人[5]开发了一种单级逆布雷顿循环，在波动后通过自我调节表现出较强的抗干扰能力。然而，高能耗仍然是氢液化应用的主要限制因素，而降低资本支出往往伴随着运营成本的上升。目前高质量氢液化厂的特定能耗（SEC）通常在11至13 kWh/kg_LH2之间。王等人[6]开发了一种两级逆布雷顿循环，与传统大规模氢液化工艺相比，SEC降低了40%，且性能系数低于两级克劳德（Claude）循环。瓦伦蒂等人[7]提出了一种四级逆布雷顿循环，针对氢冷却曲线进行了优化，实现了48%的熵效率（η_ex），系统能耗为18140 kJ/kg_LH2。罗等人[8]通过结构改进提升了逆布雷顿循环的性能，使SEC降至6.15 kWh/kg_LH2

进料氢的高温是氢液化系统高特定能耗的一个重要因素。预冷进料氢可以显著降低能耗。预冷循环工质的改进反映了研究人员在优化资源利用和降低能耗方面的努力。这一进展从最初依赖液氮进行初步冷却[10]，发展到采用混合制冷剂[11]，进一步发展为集成LNG冷能利用技术，该技术利用LNG蒸发过程中释放的大量冷能（约830 kJ/kg）来预冷氢[12]。然而，LNG的温度限制导致由于滑差不匹配而产生显著的熵损失。富氢天然气（HENG）代表了低碳能源转型的关键途径，有助于天然气产业链与氢能技术的深度融合。韩等人[13]提出HENG是一种有前景的减排方法，许多研究人员已经初步验证了这一途径的可行性[14]、[15]。值得注意的是，目前尚无研究探索用氢气混合LNG替代传统预冷剂。

近年来，随着LNG冷能产业链的成熟，预冷技术朝着冷能梯度和多系统集成方向发展[16]。杨等人[17]将双压ORC与LNG再气化过程和改良的级联逆布雷顿循环相结合。在最佳运行条件下，系统的SEC、性能系数（COP）和η_ex分别为6.61 kWh/kg_LH2、0.20和46.9%。边等人[18]在利用ORC发电的同时，采用氢作为热源。他们发现制冷阶段的对数平均温差（LMTD）与换热器效率相关，这突显了将ORC与逆布雷顿循环结合用于氢液化的潜力。然而，使用常温下的氢作为ORC热源会因循环的最高温度限制而限制发电能力。相比之下，乔等人[19]利用蒸汽甲烷重整制氢过程中的废热，结合超临界有机朗肯循环进行发电，这种方法显著提高了发电效率，使SEC相比无废热回收的过程降低了0.26 kWh/kg_LH2。

海等人[20]结合太阳能、LNG冷能和双压ORC进行发电，使氢液化系统的SEC降至7.9 kWh/kg_{LH2LH2，回收期为3年。}

然而，目前关于改进逆布雷顿循环的研究仍存在显著局限性。大多数研究集中在循环本身的参数优化上，如调整制冷剂组成或增加并行阶段，但这些方法的优化潜力已趋于饱和。此外，尽管LNG预冷被广泛采用，但低温换热器中的高熵损失问题仍然存在。我们之前提出的LNG和混合制冷剂协同预冷方案虽然有效降低了熵损失，但也面临成本增加的挑战[23]。总之，现有研究方法主要集中在单一性能目标的局部优化上，未能系统地阐明包括热力学性能、投资成本和环境影响在内的多个关键维度之间的内在权衡关系。这些多维权衡对于实际工程系统的设计和优化至关重要。

因此，为解决上述研究空白，本研究提出了一种基于太阳能辅助热泵循环的自给自足氢液化系统。在预冷阶段，采用LNG-氢气混合预冷方法来减少低温换热器中的高熵损失。在低温阶段，引入了一种新型逆布雷顿循环配置，以提高制冷剂的冷能利用效率。除了对整个过程进行基础能源分析外，本研究还引入了单位环境影响指标（b_p）来量化系统的环境性能，并采用PSO算法进行多目标优化，从而协同提升了其热力学、经济和环境性能。此外，通过结合熵分析和经济评估，全面验证了系统在效率和可行性方面的优势。本研究旨在为未来高效、低碳氢液化工艺的发展提供新的技术路径和理论基础。

系统描述与建模

集成系统的详细流程图如图1所示。该系统包括LNG-H₂混合预冷循环、改良的逆布雷顿低温循环、太阳能辅助热泵热存储循环以及TMBC并行ORC废热回收循环。

在预冷循环中，流L2依次向ORC和逆布雷顿循环压缩机出口提供低温能量，随后进行直接膨胀发电。

过程假设

基于相关文献中验证的过程模型参数和工业规模生产单元的运行数据，使用Aspen HYSYS V11仿真平台和Peng-Robinson状态方程对所提出的系统进行了建模和分析。为了提高系统性能分析的准确性，在提出的流程中实施了适当的简化，并设置了以下基本假设：

(1)

系统运行

参数分析

本节研究了关键参数（包括逆布雷顿循环中压缩机2出口压力P₅、TMBC中的流量q_m,s1以及氪气质量分数x_kr）对系统性能的影响。

结论与未来工作

本研究提出并优化了一种集成氢液化系统，该系统结合了氢气混合LNG预冷、太阳能驱动的CO₂-Kr超临界布雷顿循环和有机朗肯循环。通过热泵循环回收、储存并将压缩机出口的高温废热转化为电能。为了全面评估其性能，引入了单位环境影响比率作为环境指标。

CRediT作者贡献声明

杨帆：撰写——初稿、软件、方法论、数据整理。乔艳：撰写——审阅与编辑、软件。吕盈盈：撰写——审阅与编辑、监督。王长顺：撰写——审阅与编辑、资源协调。姜文全：撰写——审阅与编辑、方法论。宋文辉：撰写——审阅与编辑、调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢中国辽宁省教育厅的科学研究项目（LJKMZ20220725）的支持。