储氢技术与材料
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1.6 氢气的运输

氢气输送也是氢能系统中的关键之一,它与氢的储存技术密不可分。按照运输时氢气所处的状态不同,可以分为气氢(GH2)输送、液氢(LH2)输送和固氢(SH2)输送,目前大规模使用的是气氢输送和液氢输送。

1.6.1 气氢(GH2)输送

根据氢气的输送距离、用氢要求和用户的分布情况,气氢可以用管网输送,也可以用储氢容器装在车、船等运输工具上进行输送,气瓶和管道的材质一般使用钢材。高压钢瓶或钢罐装的氢气通常用卡车或船舶等交通运输工具运至用户,储氢质量只占运输质量的1%~2%,此法不太经济,适合于用户数量比较分散的场合。管道输送适合于短距离、用量较大、用户集中、使用连续而稳定的地区。

虽然氢气有其独特的物理性质和化学性质,但它的储存和输运所需的技术条件却与储存和输运天然气的技术大致相同,因此,氢气可以利用现有的输送天然气和煤气的管道,稍加改造,就可用于输氢。但要注意的是,氢气的发热量为10.05MJ/m3,约为天然气的1/3,要输送相同能量,需加粗管道或提高压力,同时还需要采取措施预防氢脆所带来的腐蚀问题。与天然气管道输送相比,氢气的管道输送成本要高出50%,主要原因是压缩含能量相同的氢气所需要的能量是天然气的3.5倍。经过压力电解槽或天然气重整中的PSA工序,可获得压力为2~3MPa的氢气,最多可使压缩过程的成本为原来的1/6。

目前,全球用于输送氢气(工业用)的管道总长度已超过1000km,主要位于北美和欧洲(法国、德国、比利时)。操作压力一般为1~3MPa,输氢量310~8900kg/h。德国拥有210km输氢管道,直径0.25m,操作压力2MPa,输氢量8900kg/h;法国Air Liquide公司目前拥有从法国北部延伸到比利时的输氢管道400km;美国的输氢管道总长度达到了720km。

1.6.2 液氢(LH2)输送

运输液态氢气最大的优点是能量密度高(1辆拖车运载的液氢相当于20辆拖车运输的压缩氢气),适合于远距离运输(在不适合铺设管道的情况下)。但是由于液氢与环境之间存在很大的传热温差(氢气沸点20.38K,汽化潜热0.91kJ/mol),很容易导致液氢汽化,即使储存液氢的容器采用真空绝热措施,仍然使液氢难以长时间储存。若氢气产量达到450kg/h、储存时间为1天、运输距离超过160km,则采用液氢的方式运输成本最低,金属氢化物运输方式也很有竞争力。运输距离若达到1600km,液氢运输的成本为金属氢化物的1/5,为压缩氢气的1/8。

液氢可使用拖车(360~4300kg)或火车运输(2300~9100kg),蒸发速度为每天0.3%~0.6%。

目前,欧洲使用低温容器或拖车运输的液氢体积为41m3或53m3,温度为20K。更大体积的容器(300~600m3)仅用于太空计划。欧洲EQHHP计划和日本WENET计划正在设计容积为3600m3、2400m3、50000m3和100000m3的大型液氢海洋运输容器,液氢蒸发时间设计值需达到30~60天(即充入液氢30~60天后方产生蒸发损失)。未来的液氢输送方式还可能包括管道运输,尽管这需要管道具有良好的绝热性能。此外,未来的液氢输送管道还可以包含超导电线,液氢(20K)可以起到冷冻剂的作用,这样在输送液氢的同时,还可以无损耗地传输电力。

1.6.3 固氢(SH2)输送

用金属氢化物储氢桶(或罐)进行储氢可得到与液氢相同或更高的储氢密度,可用各种交通工具运输,安全而经济。

根据用途不同,固氢(SH2)输送主要可分为固定式和移动式两类。固定式储氢装置一般采用不锈钢列管结构,内装复合储氢材料。迄今为止,研制的最大容量的储氢容器是由德国制造的2000m3的TiMn2型多元合金氢储存装置。移动式储氢装置要兼顾储存与运输,因而要求储氢容器一方面要轻,而另一方面储氢量要大。日本使用LaNi5系合金,已开发出一种商用金属氢化物氢集装箱。该集装箱放置于一辆4.5t的卡车上,由6台储氢容器并联组成,每台储氢容器的储氢量为70m3。该容器的设计工作压力为5MPa,共输氢420m3。与高压钢瓶相比,采用这种集装箱输送氢不但使输送能力大为提高,而且降低了运输成本,并保证了安全。

目前,金属氢化物储氢主要用于交通工具的气源,其储氢性能还无法完全满足交通工具对气源的要求,新型储氢合金等储氢材料正在进行研究,有望在近几年内达到商业化应用技术水平。

虽然氢气输送与其他可燃气体如天然气、煤气等相似,但是,考虑到氢气的一些自身特性,在使用过程中需要注意以下问题。

①氢特别轻,与其他燃料相比,在运输和使用过程中单位能量所占的体积特别大,即使是液态氢也是如此。

②氢特别容易泄漏。以氢作燃料的汽车行驶试验证明,即使是真空密封的氢燃料箱,也存在泄漏的问题。因此对储氢容器和输氢管道、接头、阀门等都要采取特殊的密封措施。

③液氢的温度极低,只要有一滴掉在皮肤上就会造成严重的冻伤,因此,在运输和使用过程中应特别注意采取各种安全措施。