液氢的生产及应用

时间：2023-09-12 10:05:47 芊喜理工毕业论文我要投稿

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液氢的生产及应用

　　氢是一种理想的清洁能源。当前主要用作运载火箭的推进剂，在不久的将来，氢将成为飞机、汽车甚至家用燃料。以下是小编为大家整理的液氢的生产及应用，仅供参考，希望能够帮助大家。

　　液氢的生产

　　把氢气高压制冷得到液态氢。

　　1、在高压下冷冻氢气以获得液态氢。

　　2、液氢，俗称液氢，是氢气冷却后得到的液体。

　　3、液态氢需要保持在非常低的温度下，在尔湾大约是零下摄氏度。

　　4、它通常被用作火箭发射的燃料。

　　5、液氢的密度约为每立方米千克(欧文下)，密度很小。

　　6、沸点在零度以下，冰点在零度以下，沸点时每立方厘米的密度，是重要的高能低温液体火箭燃料。

　　液氢技术发展史

　　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论

　　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。

　　国内外液氢生产状况

　　无论是美国、欧洲、日本，还是中国，对液氢的需求最初都是随着航天事业的发展而不断进步的。

　　美国从50年代后期开始以工业规模生产液氢，所生产的液氢除供应大型火箭发动机试研场和火箭发射基地外，还供应大学、研究所、液氢气泡室、食品工业、化学工业、半导体工业、玻璃工业等部门。美国的工业规模氢液化设备，都是1957年以后建成投产的，随着美国宇航工业的需要，1965一1970年液氢生产达到了历史最高水平，日产液氢约220t。欧洲、日本，虽然都有工业规模生产装置，但其生产规模、液氢产量，尤其是产品价格，根本无法与美国相比。

　　目前，在欧、美、日等地区和国家，液氢技术的发展已经相对成熟，液氢储运等环节已进入规模化应用阶段，而我国由于液氢技术仍处于起步阶段，氢液化系统核心设备仍然依赖进口，主要应用于航天领域，且产能较低、成本过高，民用领域应用仍处于空白状态，仅在西昌、文昌航天101所有4台液化系统。

　　但是，大型氢液化装置及关键设备的国产化研究，在中科院理化所等相关科研机构的努力推动下，已基本掌握了氦制冷机循环预冷型大型氢液化器设计制造的关键技术。

　　未来，将逐步向民用、商用化进程转变，但受液氢自身性质、国家政策以及行业整体发展等多种因素的影响，液氢发展需要企业率先进行项目示范，尤其生产运营过程中的安全是第一要素，也是这个产业能否健康发展的重中之重。

　　液氢的应用

　　目前阶段液氢技术链，包括生产、储存、运输应用。具体如下图所示。关于全球液氢工厂的分布情况，液氢工厂主要在北美，美国和加拿大占很大一部分，约占全球液氢产量的83%左右，而日本占比只有9%我国当前产能较低，氢液化设备被美国AP、普莱克斯，法国液空，德国林德等厂商垄断。Air Products、Praxair 分列北美第一、二大液氢供应商垄断90%市场。

　　同时目前在美国等液氢厂的液氢储存太多采用球形储罐方式。另外，美国氢能在加州发展最快，主要得益于西部液氢站布局。再看国外代表性液氯储蓄情况，左图是NASA航天发射运输液氯的公路槽车，容积75.5m，右图是容积910m 液氯驳船。再看下图，这是40英尺罐箱容积约40m。

　　氢能交通领域国外加氢站分布方面，美国、德国、日本1/3以上的加氢站为液氢储供。液氢存储有两种技术路线，分别是气氢加注和液氢加注。气氢加注型加氢，早期加氢站路线的能耗为4-6kWh/kgH2，林德加氢站路线的能耗低至1kWh/kgLH2。液氢加注型加氢，直接加注液氢路线能耗几乎为零。

　　液氢冷量还可为车上所用-车用空调，冷藏车等。梅赛德斯奔驰Actros GenH2卡车将拥有高达 1000公里甚至更高的续航里程。

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