中國氫能源網-中國氫能源信息的前沿

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將氫氣輸送給用戶（系列講座4）

發佈時間：2009-12-08 文章來源：《太陽能》 瀏覽次數：1033

氫氣輸送是氫能利用的重要環節。一般而言,氫氣生產廠和用戶會有一定的距離, 這就存在氫氣輸送的需求。按照氫在輸運時所處狀態的不同, 可以分為氣氫輸送、液氫輸送和固氫輸送。其中前兩者是目前正在大規模使用的兩種方式。根據氫的輸送距離、用氫要求及用戶的分佈情況, 氣氫可以用管網, 或通過高壓容器裝在車、船等運輸工具上進行輸送。管網輸送一般適用於用量大的場合, 而車、船運輸則適合於量小、用戶比較分散的場合。液氫、固氫輸運方法一般是採用車船輸送。

一、氣氫輸送

氫氣的密度特別小,為了提高輸送能力,一般將氫氣加壓,使體積大大縮小,然後裝在高壓容器中,用牽引卡車或船舶進行較長距離的輸送。在技術上,這種運輸方法已經相當成熟。我國常用的高壓管式拖車一般裝8根高壓儲氣管。其中高壓儲氣管直徑0.6m,長11m,工作壓力20MPa,工作溫度為-40~60 ℃單只鋼瓶水容積為2.25m³ ,重量2730kg。連同附件,這種車總重26030kg,裝氫氣285kg,輸送氫氣的效率只有1.1%。

可見, 由於常規的高壓儲氫容器的本身重量很重, 而氫氣的密度又很小, 所以裝運的氫氣重量只佔總運輸重量的1~2%左右。它只適用於將製氫廠的氫氣輸送到距離不太遠而同時需用氫氣量不很大的用戶。按照每月運送氫252000m³, 距離130公里計, 目前氫的運送成本約為0.22元/m³ 。

對於大量、長距離的氣氫輸送, 可以考慮用管道。氫氣的長距離管道輸送已有60餘年的歷史。最早的長距離氫氣輸送管道1938年在德國魯爾建成,其總長達208公里, 輸氫管直徑在0.15~0.30m之間, 額定的輸氫壓力約為2.5MPa, 連接18個生產廠和用戶, 從未發生任何事故。歐洲大約有1500公里輸氫管。世界最長的輸氫管道建在法國和比利時之間,長約400公里。目前使用的輸氫管線一般為鋼管, 運行壓力為1~2MPa, 直徑0.25~0.30m。

經過管道輸送氫是最有效的長距離輸送方法,值得一提的是輸送過程中的氫損失問題。有報導認為管道輸送過程中的氫損失率是同樣距離輸電過程能量損失率(約7.5~8%)的一倍。而美國普林斯頓大學的奧格登(Ogden)等人提出, 通過氫氣管網進行長距離能量輸送的成本比通過輸電線送電的成本要低得多。

以美國為例, 我們來比較氫氣管道和天然氣管道。管線長度美國現有氫氣管道720公里, 而天然氣管道卻有208萬公里, 兩者相差將近1萬倍管道造價美國氫氣管道的造價為31~94萬美元公里, 而天然氣管道的造價僅為12.5~ 50萬美元公里, 氫氣管道的造價是天然氣管道造價的2倍多；輸氣成本：由於氣體在管道中輸送能量的大小, 取決於輸送氣體的體積和流速。氫氣在管道中的流速大約是天然氣的2.8倍, 但是同體積氫氣的能量密度僅為天然氣的1/3。因此用同一管道輸送相同能量的氫氣和天然氣, 用於壓送氫氣的泵站壓縮機功率要比壓送天然氣的壓縮機功率大很多, 導致氫氣的輸送成本比天然氣輸送成本高。

能否利用現存天然氣管道輸送氫氣呢如果能, 則對氫能的發展大有好處。實際上現有的天然氣管道就可用於輸送氫氣和天然氣的混合氣體, 也可經過改造輸送純氫氣, 這主要取決於鋼管材質中的含碳量, 低碳鋼更適合輸送純氫。天然氣管道壓力比較低（一般0.4MPa左右）, 可以使用價格較低的塑料管, 如聚氯乙烯(PVC)和新型高密度聚乙烯管。但是, 這些塑料管道不能用於輸氫。全世界許多主要城市都建有這樣的管道, 最初它們是為傳輸城市煤氣到普通家庭而建立的。城市煤氣含有約50%的氫和5%的CO, 最早的城市煤氣管道大約出現在1800年。

二、液氫的輸送

當液氫生產廠離用戶較遠時, 可以把液氫裝在專用低溫絕熱槽罐內, 放在卡車、機車、船舶或者飛機上運輸。這是一種既能滿足較大輸氫量又比較快速、經濟的運氫方法。

液氫槽車是關鍵設備,常用水平放置的圓筒形低溫絕熱槽罐。汽車用液氫儲罐儲存液氫的容量可達100m³,鐵路用特殊大容量的槽車甚至可運輸120~200m ³的液氫。據文獻報導,俄羅斯的液氫儲罐容量從25m³~1437m ³不等。其中25m ³的液氫儲罐自重約19噸,可儲液氫1.75噸,儲氫重量百分比為9.2%,儲罐每天蒸發損失為1.2%；1437m³的液氫儲罐自重約360噸,可儲液氫100.59噸,儲氫重量百分比為27.9%,儲罐每天蒸發損失為0.13%。可見液氫儲存密度和損失率與儲氫罐的容積有較大的關係,大儲氫罐的儲氫效果要比小儲氫罐好。

液氫可用船運輸, 這和運輸液化天然氣（LNG）相似, 不過需要更好的絕熱材料, 使液氫在長距離運輸過程中保持液態。美國宇航局(NASA)還建造了輸送液氫的大型專用駁船。駁船上裝載有容量很大的液氫儲存容器。這種駁船可以通過海路把液氫從路易斯安娜州運送到佛羅里達州的肯尼迪空間發射中心。駁船上低溫絕熱罐的液氫儲存容量可達1000m³左右。顯然, 這種大容量的液氫海上運輸要比陸上的鐵路或高速公路運輸更經濟, 同時也更安全。日本、德國、加拿大都有類似的報導。

1990 年,德國材料研究所宣布,液氫和液化石油氣（LPG）、液化天然氣(LNG)一樣安全,並允許向德國港口運輸液氫。

液氫空運要優於海運, 因為液氫的重量輕, 有利減少運費, 而運輸時間短液氫揮發也少。

在特別的場合,液氫也可用專門的液氫管道輸送,由於液氫是一種低溫(-253 ℃ )的液體,其儲存的容器及輸送液氫的管道都需有高度的絕熱性能。即便如此,還會有一定的冷量損耗,所以管道容器的絕熱結構就比較複雜。液氫管道一般只適用於短距離輸送。

在空間飛行器發射場內, 常需從液氫生產場所或大型儲氫容器罐輸送液氫給發動機, 此時最好藉助於液氫管道來進行輸配。據介紹, 美國肯尼迪航天中心就採用真空多層絕熱管路輸送液氫。美國航天飛機液氫加註量為1432m³, 液氫由液氫庫輸送到400m外的發射點。39A發射場的液氫管道是254mm真空多層絕熱管路, 用20層極薄的鋁箔構成反射屏, 隔熱材料為多層薄玻璃纖維紙。管路分節製造,每節管段長13.7m, 在現場焊接連接。每節管段夾層中裝有分子篩吸附劑和氧化把吸氫劑, 管路設計使用壽命為5年。39B發射場的254mm真空多層絕熱液氫管路結構及技術特性與39A發射場的基本相同, 其不同點是反射屏材料為鍍鋁聚醋薄膜, 真空夾層中裝填的吸附劑是活性炭, 未採用氧化把吸氫劑。在液氫溫度下, 壓力為133*10-4Pa, 分子篩對氫的吸附容量可達160mL(標準狀態)/g以上,而活性炭可達200mL(標準狀態)/g。影響夾層真空度的主要因素是殘留的氦氣和氖氣。為此, 在夾層抽真空過程中用乾燥氮氣多次進行吹洗置換。分析表明, 夾層殘留氣體中主要是氫, 其最高含量可達95%,其次為N2、O2、H2O、CO2和He。分子篩在低溫低壓下對水仍有極強的吸附能力, 所以採用分子篩作為吸附劑以吸附氧化把吸氫後放出的水。分子篩吸水量超過2%時, 其吸附能力將明顯下降。

三、固氫輸送

用儲氫材料儲存與輸送氫比較簡單, 即用儲氫合金儲存氫氣, 然後運輸裝有儲氫合金的容器。固氫有以下優點：（1）體積儲氫密度高；（2）容器工作條件溫和, 不需要高壓容器和隔熱容器；（3）系統安全性好, 沒有爆炸危險。最大的缺點是運輸效率太低（不到1%）。

固氫輸送裝置應該重量輕、儲氫能力大。如日本大阪氫工業研究所的多管式大氣熱交換型固氫裝置, 用672kg鈦基儲氫合金, 可儲氫134m³, 儲氫率為1.78%, 氫壓3.3~3.5MPa。德國曼內斯曼公司、戴姆勒奔馳公司採用7根直徑0.114m管式內部隔離, 外部冷熱型固氫裝置, 用10噸欽基儲氫合金,儲氫2000m³, 儲氫率為1.78% , 氫壓5MPa。這裡的鈦基合金在放氫時, 需加熱較高的溫度。

由於儲氫合金價格高（通常幾十萬元/噸）, 放氫速度慢, 還要加熱, 所以用固氫輸送的情形並不多見。

四、如何提高輸氫效率

氫氣的輸送之所以效率低, 原因在於儲氫密度太低。目前各種輸送氫氣的方法實際是輸送儲存的氫。如果儲氫密度提高了, 輸送氫氣的效率自然也就提高。現在科學家大膽設想氫一電共同輸送, 可望大幅度提高能量輸送效率。該設想是在特大規模的太陽能發電中心, 人們首先利用光伏光電或太陽能熱發電獲得大量的電力, 再利用這些可再生能源獲得的清潔電力, 電解水製氫, 繼而液化氫氣得到液氫。利用多層同軸電纜, 同時輸送液氫和電。電纜中心輸送液氫, 同時利用液氫極低的溫度保持外層金屬處於超導狀態, 因為沒有電阻, 電流通過就不會發熱, 就能大規模輸送電, 也大大減少了輸電的損耗。同軸電纜的最外層是隔熱、絕緣的防護層。在我國西北沙漠發展太陽能電廠, 同時生產液氫和電, 然後輸送到我國東部沿海地區, 有專家預測這一設想一旦實現, 會大大改變我國的能源格局。

五、可能的氫氣輸送的其它途徑

有效地輸送氫氣有無更好的辦法呢？專家們已經設計並試驗了沒有氫氣的氫輸送系統即首先將氫轉化為某種液體形式, 如環己烷、甲醇、氨等, 然後將這些液體送到用戶, 就地制氫, 從而實現氫的高效輸送。當然要根據具體情況進行詳細技術經濟論證後, 才能決定是否採用。

氣體打壓需要的設備有空壓機、壓力表、氣壓計、毛刷、小桶及其它設備氣焊、管鉗等。氣體打壓時, 準備工作要充分, 還要準備一些閥門等備用。

氣體打壓需注意的問題有：

1 打壓前清場無關人員不要在現場；

2 輸氣管路應避免急彎,試驗開始時要及時通知所有人員；

3 壓力表等儀器要靈敏；

4 注意空壓機的工作。

為了確保打壓的安全性, 開始應進行氣壓預試驗。連接空壓機和管路系統, 注意壓力表的指針讀數, 壓力應緩慢上升, 升至0.15MPa穩定10分鐘。觀察壓力的變化, 如果壓力下降較快, 應馬上進行檢驗, 查找洩露點並用閥門將單路集熱器截斷, 在洩露處作上記號, 繼續觀察。當沒有出現較快下降時, 可以緩慢上升壓力到0.4MPa。氣體打壓試驗必須符合《工業金屬管道工程施工及驗收規範》(GB50235-97)的規定。嚴禁氣體打壓時現場無人看守。

空壓機停止工作, 修復洩露點後, 再進行打壓。一般情況下, 用氣壓合格後, 系統基本不會出現問題。系統需要運行, 可以直接充入防凍液, 進行液體打壓, 要求10分鐘內壓力降不大於0.02MPa, 然後降至工作壓力檢查, 壓力應不降漏。充人液體時要有防止真空管冷熱衝擊的措施。氣壓檢測和水壓檢測的對比情況如表2所示。

	氣壓檢測	水壓檢測
適用季節	四季，特別適用於冬季	冬季要注意防凍
所用設備	空壓機	壓力泵，壓力表，水源，管路
方便程度	快速，簡便，如果有滲漏可以較快進行維修	有時引水管線較長，有滲漏要洩壓，放水進行維修
可靠性	較高	高

從實際應用看, 氣壓試驗的效果明顯、簡單可靠, 可以解決冬季管道用水打壓凍裂的難題, 保證工程按時完工在非冬季的承壓工程中也可使用氣壓試驗, 能有效避免液體洩露可能對用戶造成的損失。