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液氢
双击自动滚屏 发布者:zq1229 发布时间:2022/8/16 7:18:57 阅读:136次 【字体:
 

液氢

 

是由氢气经过降温而得到的液体,是一种无色、无味的高能低温液体燃料。一个大气压下的正常氢沸点为20.37 K(-252.78℃),凝固点为13.96 K(-259.19℃),密度为 70.85 kg/m³。但是,由于氢的临界温度和转化温度非常低,且汽化潜热小,所以液化起来比较困难,尤其在液化工艺流程当中如何使用催化剂,如何合理安排催化剂温度级,对液氢生产和贮存都是十分重要的关键点。
因此,液氢的生产成为氢能开发应用的重要环节之一。
事实上,人类关于液氢技术的研究,已经历经一个多世纪的发展。
液氢技术发展
1、第一个氢液化系统
1845年,英国物理学家、化学家——迈克尔•法拉第发表了一篇关于气体液化的论文。当时,他的研究方法能够通过使用醚和固体二氧化碳,将制冷温度下降到-110°C,而沸点低于该温度的气体,包括氢气,被称之为"永久气体"。可以说,这一发现对人类化学研究做出突出贡献。
1898年,詹姆斯•德瓦尔爵士首次实现了氢液化,该工艺利用碳水化合物和液态空气在180bar前冷却压缩氢气,该系统与林德用于空气液化的系统类似,为后来的氢液化技术发展奠定了坚实的基础。
2、氢液化系统理论
1895年,由德国的卡尔•冯•林德和威廉•汉普森分别独立提出并发明了一种简单的液化循环来液化空气,所以也叫林德(或汉普逊)循环,即“节流循环”。节流循环是人类工业史上最早采用的气体液化循环,因为这种循环的装置简单、运转可靠,在小型气体液化循环装置中被广泛采用。
然而,根据巴伦的解释,由于氢的转化温度低,在低于80K时进行节流才有较明显的制冷效应,林德-汉普森、林德双压力系统、级联系统和海兰德系统并不能用于液化氢,因此采用节流循环液化氢时,必须借助外部冷源(如液化氮)进行预冷,只有压力高达10-15MPa时,温度降至50-70K时进行节流,才能以较理想的液化率(24-25%)获得液氢。
3、克劳德氢循环理论
在第一个林德-汉普森系统提出的几年后,1902年,法国的乔治•克劳德发明成功研制出了新的空气液化工艺,首先实现了带有活塞式膨胀引擎的空气液化循环,也叫“克劳德液化循环”,其温度远低于林德提出的等焓的膨胀产生的温度。
该理论证明,在绝热条件下,压缩气体经膨胀机膨胀并对外作功,可获得更大的温降和冷量。因此,目前在气体液化和分离设备中,带膨胀机的液化循环的应用最为广泛。
4、克劳德预冷却液化理
Timmerhaus 和 Flynn 解释,如果“克劳德液化循环”使用“液氮“用于预冷却,与林德-汉普森循环相比,液化效率比预冷却的方式将会提高到 50-70%,南迪和萨拉尼对两个理念进行比较,发现预冷却林德-汉普森周期的质量曲线(FOM)低于标准的预冷却克劳德理论,正如南迪等人所解释的那样,克劳德循环是大多数其他传统液化循环的基础。
德国慕尼黑附近的因戈尔施塔特的氢液化厂,是目前使用改良预冷却克劳德循环后的一个例子,该厂自1992年开始运行。
5、氦-制冷氢液化系统
正如南迪、萨兰吉和巴伦的发现,二次氦气冷箱也可以用来液化氢,但该系统从未用于任何实际的大型工厂,这种循环用氦作为制冷工质,由氦制冷循环提供氢冷凝液化所需的冷量,被称之为“氦-制冷氢液化系统”。
1966年,中国航天工业总公司101所建成投产的100L/h氢液化装置,在氢气压力为1.3-1.5MPa,液氮蒸发温度为66K左右时,生产正常氢的液化率可达25%(100L/h),生产液态仲氢(仲氢浓度大于95%)时,液化率将下降30%,即每小时生产70L液态仲氢。该装置自1966年建成投产到80年代未退役之前,所生产的液氢基本上满足了我国第一代氢一氧发动机研制试验的需要。
1995 年,中国航天工业总公司101所从《瑞士林德公司》引进的300L/h氢液化装置采用氦制冷氢液化循环,后期又陆续引进了液化空气集团的氦制冷氢液化机,保障了我国液氢作为燃料的航天器的燃料供应。
关于氢液化循环技术的比较
从氢液化单位能耗来看,以液氮预冷带膨胀机的液化循环最低,节流循环最高,氦制冷氢液化循环居中。节流循环,虽然效率不高,但流程简单,没有在低温下运转的部件,可靠性强,所以在小型氢液化装置中应用较多。
氦制冷氢液化循环,消除了处理高压氢的危险,运转安全可靠,但氦制冷系统设备复杂,故在氢液化当中应用不很多。所以,从热力学观点来说,带膨胀机的循环效率最高,因此在大型氢液化装置上得到广泛采用。
事实上,氦制冷氢液化循环并不是最理想的,但航天工业总公司101所新近引进的300L/h氢液化装置却采用这种循环,主要是由我国的环境条件决定的。每小时300L的液氢产量,就工业生产来说,属于中小型装置,我国在中小型氢液化所需的膨胀机,尤其是透平膨胀机的研制方面成果甚少,而林德公司在中小型氦透平膨胀机研制方面,具有很强的技术优势,其产品质量可靠、效率高,用它构成的氦制冷系统,运行平稳、可靠,运行控制实现全自动。所以,利用氦制冷系统组成的氢液化系统,很适宜我国当时氢液化技术发展状态。
也正是通过一年多的调试、试生产,逐步证明了液化系统性能的安全性、可靠性和高效率。如果能够把与其配套的氢气生产、纯化和液氮供应等系统更加完善一些,这套装置不失为一套较理想的中小型氢液化装置。

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