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液态氢：液化、储存、运输和安全研究进展

创作时间:

作者:

@小白创作中心

液态氢：液化、储存、运输和安全研究进展

引用

来源

https://ner.jgvogel.cn/c1420915.shtml

随着全球对清洁能源的需求日益增长，氢能源作为一种零碳排放的清洁能源，其重要性日益凸显。液态氢作为氢能源的一种重要储存和运输形式，具有高能量密度和高纯度等优点。本文将为您详细介绍液态氢的技术特点、液化方法以及安全标准，帮助您全面了解这一前沿能源技术。

氢能源与液态氢的重要性

氢能源在未来的能源系统中发挥着重要作用，有助于减少温室气体排放和建立零碳社会。氢气可以以多种形式储存，包括压缩气体、液态氢、氢化物、吸附氢和重整燃料。其中，液态氢具有高重量和体积氢密度和氢纯度高等优点。

然而，液态氢由于对长储存期、长运输距离和经济性能的需求越来越受到关注。本文综述了液态氢的特点、液化技术、储存运输方法以及处理液态氢的安全标准。

氢气的物理性质

氢是最简单的物质（一个质子，一个电子，没有中子），无毒，没有颜色、气味或味道。此外，在环境条件下（温度和压力分别为 20 °C 和 1 个大气压），氢分子极小（范德华半径为 120 pm），比空气轻约 14 倍，为 2.016 g/mol，并且具有高扩散速率（0.61 cm2/s）和浮力。

图1显示了液氢的基本供应链，包括制氢、液化、运输、分配和利用。氢气可以从各种一次能源中生产，包括传统化石燃料、可再生能源和剩余能源（热能和电能）。这种转化可以通过电化学（电解）、热化学（气化、热解、蒸汽重整和化学循环）[16]和生物过程（发酵、生物光解和微生物电解）[17]进行。然后将产生的氢气液化，然后装载运输。有多种运输选择，例如海运油轮、卡车和铁路油轮。运输包括长途国际运输和国内配送。

图 1.液氢基础供应链，涵盖制氢、液化、运输、储氢、运输、利用等环节。

液态氢的储存与运输

在这些储氢系统中，液态氢在重量和体积氢密度、高氢纯度和低压储存的可能性方面都被认为很有前途。液态氢最初于1898年生产，1950年代初将其用作火箭燃料。随着对航空航天和其他应用的需求不断增加，液态氢的产量也在增加。此外，包括基于燃料电池的发电机和车辆在内的各种氢应用的快速增长，对大规模的高纯度氢气的需求，可以通过液态氢的储存和运输来提供。此外，考虑到经济性、能量密度和技术问题，液态氢被认为是促进对基于流动性的氢的需求的最可行的储存和分配方法。

液态氢的液化技术

由于氢气是一种永久性气体（一种不能液化的气体，除非在非常低的温度下），因此它不能仅通过在 1 个大气压下压缩来液化。为了液化氢气，应将其冷却至临界温度（-240°C），然后将其储存在低于沸腾温度（-253°C，1个大气压）的真空绝热容器中。通过低温冷却，氢气的体积减少了 1/848，从而实现了显着有效的氢气储存。

目前全球液态氢产量约为355吨/天，最大的液化厂产量高达34吨/天。1898年，苏格兰的詹姆斯·杜瓦爵士（Sir James Dewar）使用容量为0.24 L/h的小型液化装置对氢气进行了初步液化[65]，这比预冷的汉普森-林德循环在实验室规模的液化系统中进行测试早了几年[64]。杜瓦瓶最初将气态氢加压至18 MPa，然后使用石炭酸和液态空气预冷至-250°C的温度。这种液化系统与目前用于空气液化的Hampson-Linde循环相对相似[64]。1900 年左右开发了其他几种液化工艺，包括 Claude、预冷 Claude 和氦气制冷系统。1957 年，为了满足化学和航空航天工业的需求，开发了一个相对较大的氢液化装置，该装置将利用预冷的 Claude 系统。在该系统中，氢气最初使用液氮预冷至大约 -193 #xB0 的温度;C，然后使用氢气冷藏，直到形成液态氢。

主要液化技术

林德工艺

Hampson-Linde（或Joule-Thomson膨胀）过程被认为是最基本和最简单的液化过程。在这个过程中，环境条件下的氢气被压缩，然后通过热交换冷却。随后，这种压缩和冷却气体的等焓焦耳-汤姆逊膨胀通过节流阀进行。由于该系统依靠焦耳-汤姆逊效应进行液化，因此通常需要高压氢气[67]。一部分压缩气体变成液体，而其余部分（仍为气态）则被再循环回去进行后续冷却过程。该工艺适用于可以在室温下通过膨胀冷却的气体，例如氮气。然而，氢气，如氦气，在室温下膨胀过程中会升温。因此，为了在膨胀后冷却氢气，必须首先将氢气冷却至其逆温温度（-73°C，1bar）或更低[68]。液氮（沸腾温度为-195°C，1bar）可用于预冷氢气。需要注意的是，逆温受压力的强烈影响;因此，压力调节对于促进充分的预冷至关重要。

图5显示了Linde-Sankey氢液化过程的示意图[56]。气态氢气在随后的热交换器中被压缩和冷却，以便使用压缩和液氮进行冷却。当压缩氢的温度低于其反转温度后，进行焦耳-汤姆逊膨胀，结果，一部分氢液化。然后将剩余的气态氢气再循环并与新的气态氢气进料混合。

图5.用于液氢生产的Linde-Sankey工艺的基本示意图。

克劳德过程

1902年，乔治·克劳德（Georges Claude）成功开发了一种使用往复式膨胀机液化空气的粗制工艺。该过程结合了膨胀引擎和焦耳-汤姆逊膨胀效应。等睿扩展导致系统的简单性;然而，它存在能源效率低的问题。在克劳德工艺中引入膨胀发动机可以在等焓膨胀之前产生较低的温度（如林德工艺所采用的那样）。此外，由于膨胀发动机成为主要的制冷源，因此使用液氮进行冷却并不是必需的。然而，Timmerhaus和Flynn在他们的研究中提到，当额外使用液氮进行预冷时，可以提高50-70%的运动效率。

图6显示了Claude氢液化过程的示意图[69]。压缩的气态氢气通过几个系列的热交换器进行冷却，其中在热交换器之间安装一个膨胀发动机。一部分压缩气体被送入膨胀发动机，用于冷却剩余的气体。从理论上讲，采用等温压缩和等焓膨胀。膨胀发动机实际上不能用于冷凝，因为液化物质可能会损坏该膨胀发动机。使用这种膨胀发动机，一部分高压氢气被膨胀以产生较低温度的氢气。然后，在低温下与冷氢混合，然后与热交换器中的高压氢（HE2）进行热交换。

图6.Claude氢液化工艺的基本示意图

柯林斯流程

柯林斯工艺最初是为氦液化而开发的[71]。图7显示了Collins过程的示意图[56]。柯林斯过程因其与克劳德过程的相似性而被称为改进的克劳德过程。气态氢气被压缩，然后被送入几个热交换器，然后通过焦耳-汤姆逊膨胀阀膨胀。膨胀后，氢气的压力降低，一部分氢气冷凝，而剩余的气态氢气以逆流模式流回热交换器。必须进行冷却，直到温度达到或低于逆温。在冷却方面，采用了两个在不同工作温度下工作的绝热膨胀发动机。

图7.柯林斯氢液化工艺基本示意图。

氦布雷顿循环

图8显示了氦布雷顿循环氢液化的示意图[67]。几种可能的结构包括简单的氦布雷顿循环、使用液氮预冷的氦布雷顿循环和两步氦布雷顿循环。布雷顿循环通常用于发电厂的喷气发动机或燃气轮机。在布雷顿制冷系统中，氦气和氢气通常用作制冷剂。氦气主要用作制冷剂，而不是液化剂，被冷却到低于氢气温度的温度[72]。在具有液氮预冷的系统中，液氮用于额外提供冷热;因此，可以减少压缩机的工作量。

图8.氢液化布雷顿循环基本示意图：（a）简单氦布雷顿循环;（b）液氮预冷的氦布雷顿循环，以及（c）两步氦布雷顿循环。