液態氫氣生產、應用

氫是一種理想的清潔能源。當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。氫還是一種能量轉換和能量貯存的重要載體。氫作 為燃料或作為能量載體，較好的使用和貯存方式之一是液氫。因此液氫的生產是氫能開發應用的重要環節之一。
氫氣的轉化溫度很低，最高為20.4K，所以隻有將氫氣預冷卻到該溫度以下，再節流膨脹才能產生冷效應。這一特性對氫氣的液化過程會產生一定的困難。
    氫分子由兩個氫原子組成，由於兩個原子核自旋方向不同，存在著正、仲兩種狀態。正氫（O-H2）的兩個原子核自旋方向相同，仲氫（p-H2）的兩個原子核自旋方向相反。正、仲態的平衡組成隨溫度而變，在不同溫度下處於正、仲平衡組成狀態的氫稱為平衡氫（e一H2）。表1列出了不同溫度時平衡氫中仲氫的濃度。
    常溫時，含75％正氫和25％仲氫的平衡氫，稱為正常氫或標準氫（n-H2）。 高溫時，正仲態的平衡組成不 變；低於常溫時，正一仲態的平衡組成將隨溫度而變。溫度降低，仲氫濃度增加。在液氫的標準沸點時，仲氫濃度為 99．8％。 在氫的液化過程中，如不進行正一仲催化轉化，則生產出的液氫為正常氫，液態正常氫會自發地發生IE 仲態轉化，最終達到相應溫度下的平衡 氫，氫的正。仲轉化是一放熱反應，正常氫轉化成相同溫度下的平衡氫 所釋放的熱量見表2。由表2可見，液態正常氫轉化時放出的熱量超過氣化潛熱 （447kl/kg）。由於這一原因， 即使將液態正常氫貯存在一個理想絕熱的容器中，液氫同樣會發生氣化；在開始的24小時內，液氫大約要蒸 發損失 18％，100小時後損失將超過40％。 不過這種自發轉化的速率是很緩慢的，為了獲得標準沸點下的平衡氫，即仲氫濃度為99．8％的液氫，在氫的液化 過程中，必需進行數級正。仲催化轉化。
1、氫液化循環
   由於氫的臨界溫度和轉化溫度低，汽化潛熱小，其理論最小液化功在所有氣體當中是最高的，所以液化 比較困難。在液化過程中進行正。仲氫催化轉化是一個放熱 反應，反應溫度不同，所放熱量不同；使用不同的 催化劑，轉化效率也不相同。因此，在液化工藝流程當中使用何種催化劑，如何安排催化劑溫度級，對液氫生  產和貯存都是十分重要的。在液氫溫度下，除氦氣之外，所有其他氣體雜質均已固化，有可能堵塞液化係統管 路，尤其固氧阻塞節流部位，極易引起爆炸。所以， 對原料氫必須進行嚴格純化。生產液氫一般可采用三種液化循環，即節流氫液化循環、帶膨脹機的氫液化循環和氦製冷氫液化循環。在這三種基本液化循環中，又派 生出多種不同的液化循環，這裏僅從每種當中選擇一個加以簡要說明。
 節流氫液化循環
  節流循環是1895年由德國的林德和英國的漢普遜分別獨立提出的，所以也叫林德（或漢普遜）循環。節 流循環是工業上最早采用的氣體液化循環，因為這種循 環的裝置簡單，運轉可靠，在小型氣體液化循環裝置 中被廣泛采用。由於氫的轉化溫度低，在低於80K時進行節流才有較明顯的製冷效應。因此，采用節流循環 液化氫時，必須借助外部冷源（如液氮）進行預冷。實際上，隻有壓力高達10-15MPa，溫度降至50-70K時進行節流，才能以較理想的液化率 （24-25％）獲得液氫。節流氫液化循環流程：氣氫經壓機壓縮後，經高溫換熱器1、液氮槽：、主換熱器亞換熱降溫，節流後進入液氫槽N，部分被液化的氫 積存在液氫槽內，未液化的低壓氫氣返流複熱後回壓機。航天工業總公司101所於1966年建成投產的100L／h氫液化裝置的流程與上述流程的不同之處有 兩點：一是為了降低液氮槽內的液氮蒸發溫度，在氮蒸汽管道上設置了真空泵乙二是在液氮槽內和液氫槽內 設置了兩個裝有四氧化三鐵催化劑的正一仲氫轉化器。 在氫氣壓力為13-15MPa，液氮蒸發溫度為66K左右 時，生產正常氫的液化率可達25％（100L／h），生產液態仲氫（仲氫濃度大於95％）時， 液化率將下降30％，即 每小時生產70L液態仲氫。該裝置自1966年建成投產到80年代未退役之前，所生產的液氫基本上滿足了我國第一代氫一氧發動 機 研製試驗的需要。 1.2 帶膨脹機的氫液化循環
   1902 年法國的克勞特首先實現了帶有活塞式膨脹機的空氣液化循環，所以帶膨脹機的液化循環也叫克 勞特液化循環。理論證明：在絕熱條件下，壓縮氣體經膨脹機膨脹 並對外作功，可獲得更大的溫降和冷量。因此，目前在氣體液化和分離設備中，帶膨脹機的液化循環的應用最為廣泛。膨脹機分兩種：活塞式膨脹機和透平膨脹機。 中高壓係統采用活塞式膨脹機，低壓液化係統則采用透平膨脹機。美國日產30噸液氫裝置采用帶透平膨脹機的大型氫液化循環。該流程由壓力為4MPa和帶透平 膨脹機的雙壓氫製冷循環組成，並采用常壓（0.1MPa）液氮（80K）和負壓（0.013MPa）液氮（65K）兩級預冷。在這一循環中，大部分冷量由 液氮和冷氮氣提供，65K以下的冷量由中壓（0.7MPa）循環氫係統中的透平膨脹機和高壓（4.5MPa）循環氫係統中的兩級節流提供。 原料氫在整個 液化過程中，在6個溫度級進行正。仲催化轉化，最後可獲得仲氫濃度大於95％的液氫。
1.3、氦製冷氫液化循環
這種循環用氦作為製冷工質，由氦製冷循環提供氫冷凝液化所需的冷量。航天工業總公司101所1995 年從《瑞士林德公司》引進的300L／h氫液化裝置采用氦製冷氫液化循環。
（1） 氦製冷循環 氦製冷循環是一個封閉循環，氣體氦經單級螺杆式壓縮機2，增壓到約1.3MPa；通過粗油分離器3，將大部分油分離出去；氦氣在水冷熱交換器 4中被冷卻；氦中的微量殘油由殘油清除器6和活性炭除油器8徹底清除。幹淨的壓縮氦氣進入冷箱內的第一熱交換器10，在此被降溫至97K。通過液氮冷卻的 第二熱交換器 11、低溫吸附器13和第三熱交換器15，氦氣進一步降溫到52K。利用兩台串聯工作的透平膨脹機14和21獲 得低溫冷量。從透平膨脹機 21出來的溫度為25K（20K）、壓力為0.13MPa的氦氣，通過處於氫浴23內、包圍著最後一級正。仲氫轉化器的冷凝盤管。從冷凝盤管出來的回流 氦，以次流過熱交換器22、19、16、15、和11的低壓 通道，冷卻高壓氦和原料氫。複溫後的氦氣被壓機吸人再壓縮，進行下一循環。
（2） 氫循環來自純化裝置、壓力大於1.1MPa的氫氣，通過熱交換器10和11被冷卻到79K。以此溫度，通過兩個低 溫純化器9中的一個（一個工作的同時另 一個再生），氫中的微量雜質將被吸附。離開純化器以後，氫氣進入 沉浸在液氮槽中的第一正一仲氫轉化器12。離開該轉化器時，溫度約為79K，仲氫濃度為 48％左右。 在其後的熱交換器和轉化器中，氫進一步降溫並逐級進行正。仲氫轉化，最後獲得仲氫濃度）95％的液 態氫国产传媒在线。
1.4各種氫液化循環的比較
從氫液化單位能耗來看，以液氮預冷帶膨脹機的液化循環最低，節流循環最高，氦製冷氫液化循環居中。 如以有液氮預冷帶膨脹機的循環作為比較基礎，節流循環 單位能耗要高50％，氦製冷氫液化循環高25％。所以，從熱力學觀點來說，帶膨脹機的循環效率最高，因而在大型氫液化裝置上被廣泛采用。節流循環，雖然 效 率不高，但流程簡單，沒有在低溫下運轉的部件，運行可靠，所以在小型氫液化裝置中應用較多。氦製冷氫液 化循環消除了處理的危險，運轉安全可 靠，但氦製冷係統設備複雜，故在氫液化當中應用不很多。 根據以上比較，氦製冷氫液化循環並不是最理想的，但航天工業總公司101所新近引進的 300L／h氫液 化裝置卻采用這種循環，這主要是由我國的具體條件決定的。每小時300L的液氫產量，就工業生產來說，屬於中小型裝置。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製方麵，成果甚少而《瑞士林德公司》在中小型氦透平膨脹機研製方麵，具有很強技術優勢，其国产传媒在线質量可靠、效率高。 用它構成的氦製冷係統，運行平穩、可靠，運行控製實現全自動。所以利用這種氦製冷係統組成的氫液化係統，對我國目前的技術 發展狀況是完全適宜的。通過一 年多的調試、試生產證明，液化係統性能可靠、運行穩定、效率高。如能把與其配套的氫氣生產、純化和液氮供應等係統更加完善一些，這套裝置不失為一套較理想 的中小型氫液化裝置。
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国产传媒在线規格和技術指標

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容器規格	容器尺寸 (cm)	平均重量 (kg)	閥門/螺紋出口	充裝量
40L氫氣鋼瓶，綠色	22×140	51	QF-30 螺紋W21.8-14L	13.5MPa/5.4Nm3

成分		純氫	高純氫氣	超純氫氣	單位
氫氣	≥	99.99%	99.999%	99.9999%	%V
氧（氬）	≤	5	1	0.2	ppmv
氮氣	≤	60	5	0.1	ppmv
一氧化碳	≤	5	1	0.1	ppmv
二氧化碳	≤	5	1	0.1	ppmv
甲烷	≤	10	1	0.2	ppmv
水份	≤	30	3	1.0	ppmv

国产传媒在线說明

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氫氣的應用

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注意事項

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