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國(guó)內(nèi)外液氫發(fā)展調(diào)研

發(fā)布時(shí)間：

2021-04-01

1845年，英國(guó)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(guò)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"。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(lèi)似，為后來(lái)的氫液化技術(shù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)

　　一、液氫技術(shù)發(fā)展史

　　1. 首個(gè)氫液化系統(tǒng)出現(xiàn)

　　2. 氫液化系統(tǒng)理論發(fā)現(xiàn)

　　1895年，由德國(guó)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(jiǎn)單的液化循環(huán)來(lái)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(lèi)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(jiǎn)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(jí)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)理論發(fā)現(xiàn)

　　1902年，法國(guó)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(duì)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)冷卻液化理論發(fā)現(xiàn)

　　Timmerhaus 和Flynn 發(fā)現(xiàn)，如果“克勞德液化循環(huán)”使用“液氮“用于預(yù)冷，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(huì)提高到 50-70%，德國(guó)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(kāi)始運(yùn)行。

　　5. 氦-制冷氫液化系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)

　　南迪、薩蘭吉和巴倫的發(fā)現(xiàn)，二次氦氣冷箱也可以用來(lái)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)”。

　　二、氫液化循環(huán)技術(shù)的比較

　　從氫液化單位能耗來(lái)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(jiǎn)單，沒(méi)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(lái)說(shuō)，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。

　　三、國(guó)內(nèi)外液氫生產(chǎn)狀況

　　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(guó)從50年代后期開(kāi)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(dòng)機(jī)試研場(chǎng)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(mén)。

　　美國(guó)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(guó)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(wú)法與美國(guó)相比。

　　目前，在歐、美、日等地區(qū)和國(guó)家，液氫技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟，液氫儲(chǔ)運(yùn)等環(huán)節(jié)已進(jìn)入規(guī)模化應(yīng)用階段，而我國(guó)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(guò)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(tái)液化系統(tǒng)。

　　1966年，中國(guó)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(guó)第一代氫一氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)的需要。1995年，中國(guó)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)600L／h的氦制冷氫液化機(jī)，保障了我國(guó)液氫作為燃料的航天器的燃料供應(yīng)。

　　原創(chuàng) Focus Hydrogen Trend Analysis

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