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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(yùn)載火箭的推進(jìn)劑，在不久的將來，氫將成為飛機(jī)、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(diǎn)在零度以下，冰點(diǎn)在零度以下，沸點(diǎn)時(shí)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(gè)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(shí)，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(diǎn)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(xiàn)。
1898年，詹姆斯德瓦爾爵士首次實(shí)現(xiàn)了氫液化，該工藝?yán)锰妓衔锖鸵簯B(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(jiān)實(shí)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(dú)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?yàn)檫@種循環(huán)的裝置簡單、運(yùn)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(shí)進(jìn)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(shí)，必須借助外部冷源（如液化氮）進(jìn)行預(yù)冷，只有壓力高達(dá)10-15MPa時(shí)，溫度降至50-70K時(shí)進(jìn)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(gè)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(shí)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(yuǎn)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(jī)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(jī)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(gè)理念進(jìn)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(zhǔn)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?duì)柺┧氐臍湟夯瘡S，是目前使用改良預(yù)冷卻克勞德循環(huán)后的一個(gè)例子，該廠自1992年開始運(yùn)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(shí)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(shí)，生產(chǎn)正常氫的液化率可達(dá)25％（100L／h），生產(chǎn)液態(tài)仲氫（仲氫濃度大于95％）時(shí)，液化率將下降30％，即每小時(shí)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(jī)研制試驗(yàn)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(jìn)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(jìn)了液化空氣集團(tuán)的氦制冷氫液化機(jī)，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(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)的部件，可靠性強(qiáng)，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(xiǎn)，運(yùn)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(diǎn)來說，帶膨脹機(jī)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(shí)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(jìn)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(shí)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(jī)，尤其是透平膨脹機(jī)的研制方面成果甚少，而林德公司在中小型氦透平膨脹機(jī)研制方面，具有很強(qiáng)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(yùn)行平穩(wěn)、可靠，運(yùn)行控制實(shí)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(shí)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(jìn)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(jī)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(dá)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(jià)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(yùn)等環(huán)節(jié)已進(jìn)入規(guī)模化應(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(jìn)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(jī)構(gòu)的努力推動下，已基本掌握了氦制冷機(jī)循環(huán)預(yù)冷型大型氫液化器設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵技術(shù)。
未來，將逐步向民用、商用化進(jìn)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(jìn)行項(xiàng)目示范，尤其生產(chǎn)運(yùn)營過程中的安全是第一要素，也是這個(gè)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(yùn)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(shí)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(yùn)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(dá) 1000公里甚至更高的續(xù)航里程。
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