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液氢的储存与运输

来源:富氢水杯 编辑:James&Ani 时间:2019-08-07 08:46:06

我国早就关注液氢储存[13~16]。液氢通常储存在绝热的密封储罐内。储罐分为大型站用储罐,中型运输储罐和车用储罐。

(1)大型站用储罐

大型站用储罐基本构建图见图19-10。实际使用中,储罐的外形可以是球形,也可以是柱形。

大型站用储罐基本构建图

图19-10大型站用储罐基本构建图

美国DOE在内华达州的航天试验基地建有一个1893m3的大型液氢球罐;法国圭亚那火箭发射场使用5个360m3的卧式可移动液氢储罐,由美国char生产;俄罗斯JSC生产多种规格的储罐1400m3(球罐)和250m3(卧式储罐),并向中国出口国100m3运输车。

(2)中型运输储罐

运输用液氢储罐与固定式大型站用储罐结构类似。

我国已经可以制造300m3可移动式液氢储罐[17],由张家港中集圣达因低温装备有限公司制造,一次可储运氢气20余吨。中国自行设计制造的大型卧式可移动液氢储罐集中在海南文昌火箭发射场及配套液氢工厂,有5个300m3液氢罐为中集圣达因生产,还有2个300m3和1个120m3分别为南京航天晨光和四川空分集团提供。

(3)车用液氢储罐

车用液氢储罐不仅仅由储存液氢的功能,同时具备将液氢气化,为车辆提供氢气的功能,因此结构要比单纯储存液氢的储罐要复杂得多。

典型的车用液氢储罐见图19-11

车用液氢储罐图

图19-11车用液氢储罐图

液氢运输

(1)利用液氢储罐运输

液氢生产厂至用户较远时,一般可以把液氢装在专用低温绝热罐内,再将液氢储罐放在卡车、机车或船舶上运输。

利用低温铁路槽车长距离运输液氢是一种既能满足较大地输氢量又是比较快速、经济的运氢方法。这种铁路槽车常用水平放置的囻筒形低温绝热槽懽,其储存液氢的容量可以达到100m3。特殊大容量的铁路槽车甚至可运输120~200m3的液氢。图19-12是液氢低温汽车槽罐车。

液氢低温汽车槽罐车

图19-12液氢低温汽车槽罐车

在美国,NASA还建造有输送液氢用的大型驳船。驳船上装载有容量很大的储存液氢的容器。这种驳船可以把液氢通过海路从路易斯安娜州运送到佛罗里达州的肯尼迪空间发射中心。驳船上的低温绝热罐的液氢储存容量可达1000m3左右。

显然,这种大容量液氢的海上运输要比陆上的铁路或高速公路上运输来得经济,同时也更加安全。图19-13展示输送液氢的大重驳。

输送液氢的大型船只

图19-13输送液氢的大型船只

日本军工企业川崎重工利用在LNG船的设计和建造的丰富经验,以此为基础,研发液化氢储存系统,计划建造两艘装载量为2500m3的液氢运输船,其运输量可供3.5万辆燃料电池车使用1年。2500m3液氢运输船采用两个1250m3的真空绝热C型独立液货舱,并将氢罐的蒸发率控制在0.09%左右。到2030年扩大业努规模时,该公司将举拓展规模,拟建造2艘16万立方米规模的运输船,采用B型独立液货舱。

(2)液氢的管道输送

液氢一般采用车船或船舶运输也可用专门的液氢管道输送,由于液氢是一种低温(-250°℃)的液体,其储存的容器及输液管道都需有高度的绝热性能绝热构造并会有一定的冷量损耗,因此管道容器的绝热结构就比较复杂。液氢管道一般只适用于短距离输送。目前,液氢输送管道主要用在火箭发射场内。

在空间飞行器发射场内,常需从液氢生产场所或大型储氢容器罐输液氢给发动机,此时就必须借助于液氢管道来进行输配。这里介绍的是美国肯尼迪航天中心用于输送液氢的真空多层绝热管路。美国航天飞机液氢加注量1432m3。液氢由液氢库输送到400m外的发射点39A发射场的254mm真空多层绝热管路,其技术特性如下:反射屏铝箔厚度0.00001mm、20层,隔热材料为玻璃纤维纸,厚度0.00016mm。管路分段制造,每节管段长13.7m,在现场以焊接连接。每节管段夹层中装有5A分子筛吸附剂和氧化钯吸氢剂,单位真空夹层容积的5A分子筛量为4.33g/L。管路设计使用寿命为5年,在此期间内,输送液氢时的夹层真空度优于133×10-4Pa。39B发射场的254mm真空多层绝热液氢管路结构及技术特性与39A发射场的基本相同,其不同点是:反射屏材料为镀铝聚酯薄膜,厚度0.00001mm;真空夹层中装填的吸附剂是活性炭,单位夹层容积装入4116g/L;未采用一氧化钯吸氢剂。在液氢温度下,压力为133×10-4Pa,5A分子筛对氢(标准状态)的吸附容量可达160cm3/g以上,而活性炭可达200cm3/g。

影响夹层真空度的主要因素是残留的氦气、氖气。为此,在夹层抽真空过程中用干燥氮气多次吹洗置换。分析表明,夹层残留气体中主要是氢,其最高含量可达95%,其次为N2,O2,H2O,CO2,He。5A分子筛在低温低压下对水仍有极强的吸附能力,所以采用5A分子筛作为吸附剂以吸附氧化钯吸氢后放出的水。5A分子筛吸水量超过2%时,其吸附能力将明显下降。

我国科技工作者[18讨论了液氢在长距离管道输送中存在着最佳流速,并分析了实际液氢输送过程中的输送状态。一批中国文献[19-25]从20世纪80年代到现在不断探讨液氢管道的数学模拟、设计、冷却等。可见我国对液氢管道的关注度甚高。与我国液氢同行交流,得知我国也有类似用途的液氢管道,不过尚没有公开文献报道。

液氢加注系统

液氢储氢型加氢站是目前美国、欧洲和日本主要采用的加氢站模式。

普遍做法是液氢用罐车运输至加氢站转注至站内储懽,但转注过程中存在约10%的汽化损失;也有将液氢罐车放置在加氢站内直接利用的做法。

加注的方法:包括使用汽化器汽化后再压缩机加压后加注(卡克拉门托采用);使用液氢泵加压后汽化,不使用压缩机而直接加注(芝加哥等地采用);或是利用液氢储罐和车载氢罐之间的压差或液氢泵压送得方法直接加注液氢。

在氢医学应用方面,可以考虑采用钢瓶氢气提供给大型医院使用,小瓶装的可以提供给家庭物理富氢水杯使用,就是把氢气注入富氢水杯、富氢水机产生氢水,当然也可添加装置直接给运动员、登山人员补充氢气。

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