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1、
氣氫儲(chǔ)存和液氫的生產(chǎn)、儲(chǔ)存方法
氫能源開(kāi)發(fā)及利用(三) 2
3 氫燃料的制取和儲(chǔ)存(續(xù))
3. 2 氫燃料的儲(chǔ)存
氫能作為一種清潔燃料,是非常理想的含能體二次能源。
它正以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)逐步走近人類(lèi)的生活。人們?cè)絹?lái)越多的
開(kāi)始談?wù)?“ 氫能時(shí)代 ” 的到來(lái)。到那時(shí),這種地
球上存在最多的元素,將從到處存在的化合物狀態(tài)轉(zhuǎn)變成遂
手可得的純氫狀態(tài)。其關(guān)鍵在于人們能找到一種簡(jiǎn)單、低成
本的儲(chǔ)存解決方案。
3. 2. 1 氣氫的儲(chǔ)存
2、
前文已提過(guò),氫能可以氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)儲(chǔ)存。其中氣
氫儲(chǔ)存最簡(jiǎn)單,因?yàn)槌?、常壓下,氫就呈氣態(tài),只是氣氫
體積太大,而且它本身又是一種易燃?xì)怏w,不允許泄漏。因
此,一般都把氫氣經(jīng)壓縮后裝在高壓容器中,儲(chǔ)氫的高壓容
器是一種特制的鋼瓶,其中加有壓力 25~30MPa 。這種傳統(tǒng)
的儲(chǔ)氫方案,現(xiàn)在主要在提高鋼瓶的質(zhì)量方面有不少改進(jìn)。
一是增加鋼瓶承壓能力, 例如,把壓力提高到 40MPa ;二是
減輕鋼瓶重量,采用一些輕而耐壓強(qiáng)度高的材料制作鋼瓶,
例如,采用高強(qiáng)度碳纖維合成材料制成的鋼瓶;三是在形狀
和容量
3、上加以改進(jìn),例如,采用大型長(zhǎng)管型鋼瓶等等。
但是,不管如何改進(jìn)儲(chǔ)氣氫的鋼瓶質(zhì)量,即使能把壓力
加到 150 個(gè)大氣壓,氫氣的質(zhì)量還不到鋼瓶質(zhì)量的 1% ,而
且還有爆炸危險(xiǎn)。可見(jiàn)氣氫的儲(chǔ)存至今還終究是一種效率較
低的解決方案。
3. 2. 2 液氫的生產(chǎn)與儲(chǔ)存
氫作為燃料或作為能量載體,較好的使用和貯存方式是
液氫。當(dāng)前主要用來(lái)作為運(yùn)載火箭的推進(jìn)劑。不論在美國(guó)、
歐洲還是日本對(duì)液氫的需求都是隨宇航事業(yè)的發(fā)展而增加。
美國(guó)從上世紀(jì) 50 年代后期開(kāi)始工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)液氫,除供應(yīng)
宇航需
4、要外,還提供食品、化工、半導(dǎo)體、玻璃等工業(yè)應(yīng)用
和提供大學(xué)、研究所等部門(mén)研究應(yīng)用。歐洲、日本也有工業(yè)
化規(guī)模生產(chǎn),但比美國(guó)規(guī)模都小,我國(guó)生產(chǎn)液氫情況就更差
一些,工藝流程比較落后,設(shè)備陳舊,生產(chǎn)規(guī)模也小。因而
液氫價(jià)格非常昂貴,應(yīng)用范圍很有限。
(1)液態(tài)平衡氫的制取
氫氣的轉(zhuǎn)化溫度很低,最高才 20.4K ,只有將氫氣預(yù)冷
到這個(gè)溫度以下,才可能使氫氣液化。而且液氫的汽化潛熱
很小,即使儲(chǔ)存在非常理想的絕熱容器里,液態(tài)正常氫都會(huì)
發(fā)生汽化。在開(kāi)始的 24 小時(shí)里,液氫大約要蒸發(fā)損失 18% ,
1
5、00 小時(shí)后損失將超過(guò) 40% ??梢?jiàn),必須要設(shè)法制取不易蒸
發(fā)損失的液態(tài)的平衡氫。那末什么是液態(tài)平衡氫?又如何制
???下面僅作一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹:
氫分子由兩個(gè)氫原子組成。由于原子核的自旋方向不同,
而分成正氫( O-H2 )和仲氫( P-H2 )兩種狀態(tài)。在不同溫
度下,正氫和仲氫平衡組成比例不同。常溫時(shí),含有 75% 正
氫和 25% 仲氫的平衡氫,稱(chēng)為正常氫或標(biāo)淮氫( N-H2 )。高
溫時(shí),正、仲態(tài)的平衡組成不變。低于常溫時(shí),正、仲態(tài)的平衡組成則隨溫度變化。溫度越低,仲氫的濃度越高,達(dá)到
6、
液氫標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)時(shí),仲氫濃度為 99.8% 。所以,氫在液化過(guò)程中如不進(jìn)行正 --仲態(tài)的催化轉(zhuǎn)化,則生產(chǎn)出來(lái)的液氫是正常氫。液態(tài)正常氫會(huì)自動(dòng)發(fā)生正 --仲態(tài)轉(zhuǎn)化,最終達(dá)到相應(yīng)溫
度下的平衡氫。也可以在氫的液化過(guò)程中,使用催化劑,就可以直接制取液態(tài)的平衡氫。
氫的正 --仲態(tài)轉(zhuǎn)化是個(gè)放熱反應(yīng),它取決于反應(yīng)的溫度和使用的催化劑。所處的溫度級(jí)不同,所放熱量不同;使用的催化劑不同,則轉(zhuǎn)化的效率不同。因此,生產(chǎn)液氫,關(guān)鍵要把握兩件事,一是使用何種催化劑,二是安排好催化劑的溫度級(jí)。
( 2)液化循環(huán)解決方案
7、
生產(chǎn)液態(tài)平衡氫,一般可采用三種液化循環(huán)的解決方案:
節(jié)流氫液化循環(huán)、帶膨脹機(jī)的氫液化循環(huán)和氦制冷氫液化循
環(huán)。
[ 1]節(jié)流氫液化循環(huán)
這是工業(yè)上最早采用的氣體液化循環(huán)方案。由于氫的轉(zhuǎn)
化溫度低, 在低于 80K 以下時(shí), 進(jìn)行節(jié)流才具有明顯制冷效應(yīng),所以氫氣液化, 事前要借助外部冷源, 如液氮進(jìn)行預(yù)冷,當(dāng)壓力達(dá)到 10~15MPa ,溫度降至 50~70K 時(shí)進(jìn)行節(jié)流,可以有較理想的液化率,例如 25% 的液化率,制得液氫。該循環(huán)的基本流程是氣氫經(jīng)壓縮, 再經(jīng)液氮冷卻降溫, 然后節(jié)流,流入液氫槽;未液化的低壓氣氫將循環(huán)
8、返回壓縮機(jī)。該液化
循環(huán)方案,對(duì)于生產(chǎn)液態(tài)正常氫, 液化率可達(dá) 25%(每小時(shí)、
每 100L 氣氫可生產(chǎn) 75L 液氫,即 75L/h ),而生產(chǎn)液態(tài)平衡氫,液化率降為 30% (即生產(chǎn)液氫 70L/h )。
[2]帶膨脹機(jī)的氫液化循環(huán)
這種循環(huán)是基于下述原理:在絕熱條件下,壓縮氣體經(jīng)膨脹機(jī)膨脹并對(duì)外作功,可獲得更大的降溫和冷量。目前在氣體液化和分離設(shè)備中,這種液化循環(huán)模式應(yīng)用最廣泛。膨脹機(jī)有兩種類(lèi)型:中、高壓液化系統(tǒng)采用活塞式膨脹機(jī);低壓液化系統(tǒng)則較多采用透平膨脹機(jī)。在該液化循環(huán)中,大部分冷量還是由液氮和冷氮?dú)馓峁慌蛎洐C(jī)是使氣氫得到更大冷量,一般能使其
9、溫度降到 65K 以下。
[3]氦制冷氫液化循環(huán)
這種循環(huán)是采用氦作為制冷的工質(zhì),由氦制冷的循環(huán)提供氫冷凝液化所需的冷量。這里存在兩個(gè)循環(huán):氦制冷循環(huán)和氫液化循環(huán)。
氦制冷循環(huán)是個(gè)封閉循環(huán),氣氦經(jīng)壓縮,去油,經(jīng)三個(gè)
熱交換器(其中一個(gè)熱交換器還經(jīng)液氮冷卻) ,溫度降到 52K ,
再經(jīng)串聯(lián)的膨脹機(jī),可降溫至 25K ,用它去冷卻在冷凝管盤(pán)
內(nèi)的氣氫,復(fù)溫后的回流氦氣被重新吸入,并重復(fù)新一輪循
環(huán)。
氫液化循環(huán)是氣氫經(jīng)純化裝置、熱交換器后,再經(jīng)液氮
冷卻、溫度可降到 79K ,再經(jīng)氦制冷,進(jìn)一步降溫。在這個(gè)
氫液化過(guò)程中, 利用催化劑進(jìn)行多級(jí)溫度下的正 --仲氫轉(zhuǎn)換,
最后獲得仲氫濃度合適的平衡氫產(chǎn)品。
(3)液氫的儲(chǔ)存
液氫的儲(chǔ)存要求很高, 前面已經(jīng)提到, 對(duì)于液態(tài)正常氫,
不論容器絕熱性能多高,都會(huì)自動(dòng)蒸發(fā)損失。對(duì)于液態(tài)平衡
氫,為了使液氫處于 25K 條件下, 也對(duì)容器絕熱性能要求很
高,液氫的儲(chǔ)存箱要都要采用絕好的絕熱裝置來(lái)隔熱,所以
體積往往很龐大,儲(chǔ)氫成本很高。