在追求低碳转型与氢能经济的关键时刻，探索高效低耗的氢液化技术显得尤为重要。鉴于当前氢液化过程能耗高企，本文提出了一种基于氮气逆布雷顿循环的简化预冷方案，旨在作为传统高能耗混合工质预冷流程的替代方案。此流程设计精巧，成本效益显著，尤其契合中小型氢液化系统的需求，展现了其在能源转换效率与成本控制上的双重优势。
面对全球碳中和目标的紧迫性，氢能作为零排放的清洁能源，其大规模应用被视为减少温室气体排放的重要途径。然而，液氢制备过程中的高能耗瓶颈限制了氢能产业的快速发展。因此，创新氢液化技术，特别是优化预冷阶段，成为突破这一瓶颈的关键。在既往研究中，混合工质预冷循环因能利用温度滑移效应优化热交换效率而备受瞩目。Quack的设计通过丙烷预冷与氦氖混合物逆布雷顿循环的结合，实现了7—8kWh/kg的能耗水平。随后，Berstad团队引入混合工质预冷循环，进一步提升能效至6.15—6.51kWh/kg。Krasae-in则通过深入研究和优化，将混合工质流程的能耗降至5.91kWh/kg，进一步展示了技术进步的潜力。展望未来，提升氢液化系统性能的策略将围绕流程创新、设备性能强化、供应链整合以及新能源融入等多方面展开。通过不断优化液化流程，提升膨胀机、换热器等关键设备的能效，同时探索将可再生能源融入氢液化系统，有望实现氢液化过程能耗的显著降低，为氢能产业的可持续发展奠定坚实基础。
在现有的氢液化技术体系中，混合工质预冷循环结合多级逆布雷顿循环深冷液化的方法占据主流，此方法巧妙利用混合工质的温度滑移特性，有效缩小了冷热流体间的换热温差，从而减少了热交换过程中的能量损失，实现了能耗的显著降低。然而，混合工质的复杂构成不仅增加了系统设计与操作的复杂度，还对换热网络的设计与构建提出了严苛要求。此外，尽管液体膨胀机相较于节流阀在减少能量损耗方面展现出显著优势，能够回收液态工质的膨胀功以提升系统性能，但其技术成熟度，尤其是在液氢领域的应用，尚显不足，缺乏商业化产品支持，限制了其即时应用。
针对上述挑战，本研究创新性地提出了基于氮气逆布雷顿循环预冷与氦焦耳-布雷顿循环深冷液化的新型氢液化流程，该方案尤为适合中小型液化系统。通过引入氮气逆布雷顿循环替代复杂的混合工质预冷循环，本流程在保持能耗优势的同时，极大地简化了系统结构，增强了实用性与可操作性。本研究不仅详细阐述了该流程的具体构成，还利用MATLAB平台构建了流程计算模型，对不同预冷策略进行了全面对比与分析。最后，通过对运行压力的精细优化，进一步挖掘了本流程的性能潜力，为氢液化技术的未来发展提供了新的视角与可能。
图1 基于氨气逆布雷顿循环预冷的氢液化流程示意图
模拟方法：流程描述：
本文提出的基于氮气逆布雷顿循环预冷的氢液化流程如图1所示,主要包括预冷和深冷液化两大部分。在氮气逆布雷顿预冷循环中,作为制冷工质的氮气经两级膨胀产生冷量,最终将工质冷却至80K。氮气逆布雷顿循环预冷相比于直接液氮预冷,改善了冷热流体间温度匹配情况,减少氮气的损失;相比于混合工质预冷循环,系统的设计与运行更加简单,具有更高的实用性。
在深冷液化阶段,原料氢从80K进一步逐级冷却到20K,最后经节流产出液氢。低温制冷循环采用的是以氦为工质的级联式焦耳-布雷顿循环。
为便于分析,对上述氢液化流程进行一定程度简化,主要基于以下假设:
(1)流体在管道、换热器内的流动压降和漏热都忽略不计;
(2)膨胀机回收功可通过联轴布置直接补偿压缩机耗功,机械功传递效率假设为100%;
(3)正仲氢转化连续地在换热器内发生,且最终都能达到对应温度下的平衡浓度。
本文设计了一种创新的氢液化流程，该流程结合氮气逆布雷顿循环进行预冷，随后利用氦焦耳-布雷顿循环实现深冷液化，特别适用于中小型规模的氢液化系统。通过细致分析预冷及深冷液化两阶段的运行压力，我们发现：在预冷阶段，提升压缩机出口压力能显著降低整体能耗，这主要归因于流量减少的节能效应超越了压力升高带来的额外负担。然而，过度提升压力将加剧压缩负荷并增加设计复杂性，故需依据具体工况谨慎选定最佳运行压力。至于深冷液化阶段，优化结果显示，578.9kPa为最优压力点，此时压力增加虽导致流量减少，但鉴于氦气分子质量轻、压缩功耗大，压力对能耗的影响更为显著。
在预冷循环与深冷液化循环分别运行在3000kPa与578.9kPa的条件下，本流程的总能耗仅为8.33kWh/kg。值得注意的是，由于本研究中采用的压缩机与膨胀机等熵效率相对较低，并计入了正仲氢转化热的影响，导致计算能耗略高于部分文献报道。若剔除这些不利因素，系统能耗有望降至约6.5kWh/kg，并具备进一步优化的潜力。相较于能效卓越的混合工质预冷循环，本研究所采用的氮气逆布雷顿预冷循环以其结构简单、换热网络设计建造难度低及系统成本低廉等优势脱颖而出。因此，在能耗要求相对宽松、成本预算有限的中小型氢液化系统中，本流程展现出显著的优势与广泛的应用前景。
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