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液氫的生產(chǎn)及應(yīng)用
氫是一種理想的清潔能源。當(dāng)前主要用作運載火箭的推進劑,在不久的將來,氫將成為飛機、汽車甚至家用燃料。以下是小編為大家整理的液氫的生產(chǎn)及應(yīng)用,僅供參考,希望能夠幫助大家。
液氫的生產(chǎn)
把氫氣高壓制冷得到液態(tài)氫。
1、 在高壓下冷凍氫氣以獲得液態(tài)氫。
2、 液氫,俗稱液氫,是氫氣冷卻后得到的液體。
3、 液態(tài)氫需要保持在非常低的溫度下,在爾灣大約是零下攝氏度。
4、 它通常被用作火箭發(fā)射的燃料。
5、 液氫的密度約為每立方米千克(歐文下),密度很小。
6、 沸點在零度以下,冰點在零度以下,沸點時每立方厘米的密度,是重要的高能低溫液體火箭燃料。
液氫技術(shù)發(fā)展史
1、第一個氫液化系統(tǒng)
1845年,英國物理學(xué)家、化學(xué)家——邁克爾法拉第發(fā)表了一篇關(guān)于氣體液化的論文。當(dāng)時,他的研究方法能夠通過使用醚和固體二氧化碳,將制冷溫度下降到-110°C,而沸點低于該溫度的氣體,包括氫氣,被稱之為"永久氣體"?梢哉f,這一發(fā)現(xiàn)對人類化學(xué)研究做出突出貢獻。
1898年,詹姆斯德瓦爾爵士首次實現(xiàn)了氫液化,該工藝利用碳水化合物和液態(tài)空氣在180bar前冷卻壓縮氫氣,該系統(tǒng)與林德用于空氣液化的系統(tǒng)類似,為后來的氫液化技術(shù)發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。
2、氫液化系統(tǒng)理論
1895年,由德國的卡爾馮林德和威廉漢普森分別獨立提出并發(fā)明了一種簡單的液化循環(huán)來液化空氣,所以也叫林德(或漢普遜)循環(huán),即“節(jié)流循環(huán)”。節(jié)流循環(huán)是人類工業(yè)史上最早采用的氣體液化循環(huán),因為這種循環(huán)的裝置簡單、運轉(zhuǎn)可靠,在小型氣體液化循環(huán)裝置中被廣泛采用。
然而,根據(jù)巴倫的解釋,由于氫的轉(zhuǎn)化溫度低,在低于80K時進行節(jié)流才有較明顯的制冷效應(yīng),林德-漢普森、林德雙壓力系統(tǒng)、級聯(lián)系統(tǒng)和海蘭德系統(tǒng)并不能用于液化氫,因此采用節(jié)流循環(huán)液化氫時,必須借助外部冷源(如液化氮)進行預(yù)冷,只有壓力高達10-15MPa時,溫度降至50-70K時進行節(jié)流,才能以較理想的液化率(24-25%)獲得液氫。
3、克勞德氫循環(huán)理論
在第一個林德-漢普森系統(tǒng)提出的幾年后,1902年,法國的喬治克勞德發(fā)明成功研制出了新的空氣液化工藝,首先實現(xiàn)了帶有活塞式膨脹引擎的空氣液化循環(huán),也叫“克勞德液化循環(huán)”,其溫度遠低于林德提出的等焓的膨脹產(chǎn)生的溫度。
該理論證明,在絕熱條件下,壓縮氣體經(jīng)膨脹機膨脹并對外作功,可獲得更大的溫降和冷量。因此,目前在氣體液化和分離設(shè)備中,帶膨脹機的液化循環(huán)的應(yīng)用最為廣泛。
4、克勞德預(yù)冷卻液化理論
Timmerhaus 和 Flynn 解釋,如果“克勞德液化循環(huán)”使用“液氮“用于預(yù)冷卻,與林德-漢普森循環(huán)相比,液化效率比預(yù)冷卻的方式將會提高到 50-70%,南迪和薩拉尼對兩個理念進行比較,發(fā)現(xiàn)預(yù)冷卻林德-漢普森周期的質(zhì)量曲線(FOM)低于標(biāo)準的預(yù)冷卻克勞德理論,正如南迪等人所解釋的那樣,克勞德循環(huán)是大多數(shù)其他傳統(tǒng)液化循環(huán)的基礎(chǔ)。
德國慕尼黑附近的因戈爾施塔特的氫液化廠,是目前使用改良預(yù)冷卻克勞德循環(huán)后的一個例子,該廠自1992年開始運行。
5、氦-制冷氫液化系統(tǒng)
正如南迪、薩蘭吉和巴倫的發(fā)現(xiàn),二次氦氣冷箱也可以用來液化氫,但該系統(tǒng)從未用于任何實際的大型工廠,這種循環(huán)用氦作為制冷工質(zhì),由氦制冷循環(huán)提供氫冷凝液化所需的冷量,被稱之為“氦-制冷氫液化系統(tǒng)”。
1966年,中國航天工業(yè)總公司101所建成投產(chǎn)的100L/h氫液化裝置,在氫氣壓力為1.3-1.5MPa,液氮蒸發(fā)溫度為66K左右時,生產(chǎn)正常氫的液化率可達25%(100L/h),生產(chǎn)液態(tài)仲氫(仲氫濃度大于95%)時,液化率將下降30%,即每小時生產(chǎn)70L液態(tài)仲氫。該裝置自1966年建成投產(chǎn)到80年代未退役之前,所生產(chǎn)的液氫基本上滿足了我國第一代氫一氧發(fā)動機研制試驗的需要。
1995 年,中國航天工業(yè)總公司101所從《瑞士林德公司》引進的300L/h氫液化裝置采用氦制冷氫液化循環(huán),后期又陸續(xù)引進了液化空氣集團的氦制冷氫液化機,保障了我國液氫作為燃料的航天器的燃料供應(yīng)。
關(guān)于氫液化循環(huán)技術(shù)的比較
從氫液化單位能耗來看,以液氮預(yù)冷帶膨脹機的液化循環(huán)最低,節(jié)流循環(huán)最高,氦制冷氫液化循環(huán)居中。節(jié)流循環(huán),雖然效率不高,但流程簡單,沒有在低溫下運轉(zhuǎn)的部件,可靠性強,所以在小型氫液化裝置中應(yīng)用較多。
氦制冷氫液化循環(huán),消除了處理高壓氫的危險,運轉(zhuǎn)安全可靠,但氦制冷系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜,故在氫液化當(dāng)中應(yīng)用不很多。所以,從熱力學(xué)觀點來說,帶膨脹機的循環(huán)效率最高,因此在大型氫液化裝置上得到廣泛采用。
事實上,氦制冷氫液化循環(huán)并不是最理想的,但航天工業(yè)總公司101所新近引進的300L/h氫液化裝置卻采用這種循環(huán),主要是由我國的環(huán)境條件決定的。每小時300L的液氫產(chǎn)量,就工業(yè)生產(chǎn)來說,屬于中小型裝置,我國在中小型氫液化所需的膨脹機,尤其是透平膨脹機的研制方面成果甚少,而林德公司在中小型氦透平膨脹機研制方面,具有很強的技術(shù)優(yōu)勢,其產(chǎn)品質(zhì)量可靠、效率高,用它構(gòu)成的氦制冷系統(tǒng),運行平穩(wěn)、可靠,運行控制實現(xiàn)全自動。所以,利用氦制冷系統(tǒng)組成的氫液化系統(tǒng),很適宜我國當(dāng)時氫液化技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。
也正是通過一年多的調(diào)試、試生產(chǎn),逐步證明了液化系統(tǒng)性能的安全性、可靠性和高效率。如果能夠把與其配套的氫氣生產(chǎn)、純化和液氮供應(yīng)等系統(tǒng)更加完善一些,這套裝置不失為一套較理想的中小型氫液化裝置。
國內(nèi)外液氫生產(chǎn)狀況
無論是美國、歐洲、日本,還是中國,對液氫的需求最初都是隨著航天事業(yè)的發(fā)展而不斷進步的。
美國從50年代后期開始以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)液氫,所生產(chǎn)的液氫除供應(yīng)大型火箭發(fā)動機試研場和火箭發(fā)射基地外,還供應(yīng)大學(xué)、研究所、液氫氣泡室、食品工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)、玻璃工業(yè)等部門。美國的工業(yè)規(guī)模氫液化設(shè)備,都是1957年以后建成投產(chǎn)的,隨著美國宇航工業(yè)的需要,1965一1970年液氫生產(chǎn)達到了歷史最高水平,日產(chǎn)液氫約220t。歐洲、日本,雖然都有工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)裝置,但其生產(chǎn)規(guī)模、液氫產(chǎn)量,尤其是產(chǎn)品價格,根本無法與美國相比。
目前,在歐、美、日等地區(qū)和國家,液氫技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)相對成熟,液氫儲運等環(huán)節(jié)已進入規(guī);瘧(yīng)用階段,而我國由于液氫技術(shù)仍處于起步階段,氫液化系統(tǒng)核心設(shè)備仍然依賴進口,主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域,且產(chǎn)能較低、成本過高,民用領(lǐng)域應(yīng)用仍處于空白狀態(tài),僅在西昌、文昌航天101所有4臺液化系統(tǒng)。
但是,大型氫液化裝置及關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化研究,在中科院理化所等相關(guān)科研機構(gòu)的努力推動下,已基本掌握了氦制冷機循環(huán)預(yù)冷型大型氫液化器設(shè)計制造的關(guān)鍵技術(shù)。
未來,將逐步向民用、商用化進程轉(zhuǎn)變,但受液氫自身性質(zhì)、國家政策以及行業(yè)整體發(fā)展等多種因素的影響,液氫發(fā)展需要企業(yè)率先進行項目示范,尤其生產(chǎn)運營過程中的安全是第一要素,也是這個產(chǎn)業(yè)能否健康發(fā)展的重中之重。
液氫的應(yīng)用
目前階段液氫技術(shù)鏈,包括生產(chǎn)、儲存、運輸應(yīng)用。具體如下圖所示。關(guān)于全球液氫工廠的分布情況,液氫工廠主要在北美,美國和加拿大占很大一部分,約占全球液氫產(chǎn)量的83%左右,而日本占比只有9%我國當(dāng)前產(chǎn)能較低,氫液化設(shè)備被美國AP、普萊克斯,法國液空,德國林德等廠商壟斷。Air Products、Praxair 分列北美第一、二大液氫供應(yīng)商壟斷90%市場。
同時目前在美國等液氫廠的液氫儲存太多采用球形儲罐方式。另外,美國氫能在加州發(fā)展最快,主要得益于西部液氫站布局。再看國外代表性液氯儲蓄情況,左圖是NASA航天發(fā)射運輸液氯的公路槽車,容積75.5m,右圖是容積910m 液氯駁船。再看下圖,這是40英尺罐箱容積約40m。
氫能交通領(lǐng)域國外加氫站分布方面,美國、德國、日本1/3以上的加氫站為液氫儲供。液氫存儲有兩種技術(shù)路線,分別是氣氫加注和液氫加注。氣氫加注型加氫,早期加氫站路線的能耗為4-6kWh/kgH2,林德加氫站路線的能耗低至1kWh/kgLH2。液氫加注型加氫,直接加注液氫路線能耗幾乎為零。
液氫冷量還可為車上所用-車用空調(diào),冷藏車等。梅賽德斯奔馳Actros GenH2卡車將擁有高達 1000公里甚至更高的續(xù)航里程。
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