氢气输送（系列讲座4）

氢气输送是氢能利用的重要环节。一般而言,氢气生产厂和用户会有一定的距离, 这就存在氢气输送的需求。按照氢在输运时所处状态的不同, 可以分为气氢输送、液氢输送和固氢输送。其中前两者是目前正在大规模使用的两种方式。根据氢的输送距离、用氢要求及用户的分布情况, 气氢可以用管网, 或通过高压容器装在车、船等运输工具上进行输送。管网输送一般适用于用量大的场合, 而车、船运输则适合于量小、用户比较分散的场合。液氢、固氢输运方法一般是采用车船输送。

一、气氢输送

氢气的密度特别小, 为了提高输送能力, 一般将氢气加压, 使体积大大缩小, 然后装在高压容器中, 用牵引卡车或船舶进行较长距离的输送。在技术上, 这种运输方法已经相当成熟。我国常用的高压管式拖车一般装8根高压储气管。其中高压储气管直径0.6m, 长11m, 工作压力20MPa, 工作温度为-40~60℃ 单只钢瓶水容积为2.25m³ , 重量2730kg。连同附件, 这种车总重26030kg, 装氢气285kg, 输送氢气的效率只有1.1%。可见, 由于常规的高压储氢容器的本身重量很重, 而氢气的密度又很小, 所以装运的氢气重量只占总运输重量的1~2%左右。它只适用于将制氢厂的氢气输送到距离不太远而同时需用氢气量不很大的用户。按照每月运送氢252000m³, 距离130公里计, 目前氢的运送成本约为0.22元/m³ 。对于大量、长距离的气氢输送, 可以考虑用管道。氢气的长距离管道输送已有60余年的历史。最早的长距离氢气输送管道1938年在德国鲁尔建成,其总长达208公里, 输氢管直径在0.15~0.30m之间, 额定的输氢压力约为2.5MPa, 连接18个生产厂和用户, 从未发生任何事故。欧洲大约有1500公里输氢管。世界最长的输氢管道建在法国和比利时之间,长约400公里。目前使用的输氢管线一般为钢管, 运行压力为1~2MPa, 直径0.25~0.30m。经过管道输送氢是最有效的长距离输送方法,值得一提的是输送过程中的氢损失问题。有报道认为管道输送过程中的氢损失率是同样距离输电过程能量损失率(约7.5~8%)的一倍。而美国普林斯顿大学的奥格登(Ogden)等人提出, 通过氢气管网进行长距离能量输送的成本比通过输电线送电的成本要低得多。以美国为例, 我们来比较氢气管道和天然气管道。管线长度美国现有氢气管道720公里, 而天然气管道却有208万公里, 两者相差将近1万倍管道造价美国氢气管道的造价为31~94万美元公里, 而天然气管道的造价仅为12.5~50万美元公里, 氢气管道的造价是天然气管道造价的2倍多；输气成本：由于气体在管道中输送能量的大小, 取决于输送气体的体积和流速。氢气在管道中的流速大约是天然气的2.8倍, 但是同体积氢气的能量密度仅为天然气的1/3。因此用同一管道输送相同能量的氢气和天然气, 用于压送氢气的泵站压缩机功率要比压送天然气的压缩机功率大很多, 导致氢气的输送成本比天然气输送成本高。能否利用现存天然气管道输送氢气呢如果能, 则对氢能的发展大有好处。实际上现有的天然气管道就可用于输送氢气和天然气的混合气体, 也可经过改造输送纯氢气, 这主要取决于钢管材质中的含碳量, 低碳钢更适合输送纯氢。天然气管道压力比较低（一般0.4MPa左右）, 可以使用价格较低的塑料管, 如聚氯乙烯(PVC)和新型高密度聚乙烯管。但是, 这些塑料管道不能用于输氢。全世界许多主要城市都建有这样的管道, 最初它们是为传输城市煤气到普通家庭而建立的。城市煤气含有约50%的氢和5%的CO, 最早的城市煤气管道大约出现在1800年。

二、液氢的输送

当液氢生产厂离用户较远时, 可以把液氢装在专用低温绝热槽罐内, 放在卡车、机车、船舶或者飞机上运输。这是一种既能满足较大输氢量又比较快速、经济的运氢方法。液氢槽车是关键设备, 常用水平放置的圆筒形低温绝热槽罐。汽车用液氢储罐储存液氢的容量可达100m³, 铁路用特殊大容量的槽车甚至可运输120~200m³的液氢。据文献报道, 俄罗斯的液氢储罐容量从25m³~1437m³不等。其中25m³的液氢储罐自重约19吨, 可储液氢1.75吨, 储氢重量百分比为9.2%, 储罐每天蒸发损失为1.2%；1437m³的液氢储罐自重约360吨, 可储液氢100.59吨, 储氢重量百分比为27.9%, 储罐每天蒸发损失为0.13%。可见液氢储存密度和损失率与储氢罐的容积有较大的关系, 大储氢罐的储氢效果要比小储氢罐好。液氢可用船运输, 这和运输液化天然气（LNG）相似, 不过需要更好的绝热材料, 使液氢在长距离运输过程中保持液态。美国宇航局(NASA)还建造了输送液氢的大型专用驳船。驳船上装载有容量很大的液氢储存容器。这种驳船可以通过海路把液氢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。驳船上低温绝热罐的液氢储存容量可达1000m³左右。显然, 这种大容量的液氢海上运输要比陆上的铁路或高速公路运输更经济, 同时也更安全。日本、德国、加拿大都有类似的报道。1990年, 德国材料研究所宣布, 液氢和液化石油气（LPG）、液化天然气(LNG)一样安全, 并允许向德国港口运输液氢。运要优于海运, 因为液氢的重量轻, 有利减少运费, 而运输时间短液氢挥发也少。在特别的场合, 液氢也可用专门的液氢管道输送, 由于液氢是一种低温(-253℃) 的液体, 其储存的容器及输送液氢的管道都需有高度的绝热性能。即便如此, 还会有一定的冷量损耗, 所以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。

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送液氢给发动机, 此时最好借助于液氢管道来进行输配。据介绍, 美国肯尼迪航天中心就采用真空多层绝热管路输送液氢。美国航天飞机液氢加注量为1432m³, 液氢由液氢库输送到400m外的发射点。39A发射场的液氢管道是254mm真空多层绝热管路, 用20层极薄的铝箔构成反射屏, 隔热材料为多层薄玻璃纤维纸。管路分节制造,每节管段长13.7m, 在现场焊接连接。每节管段夹层中装有分子筛吸附剂和氧化把吸氢剂, 管路设计使用寿命为5年。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醋薄膜, 真空夹层中装填的吸附剂是活性炭, 未采用氧化把吸氢剂。在液氢温度下, 压力为133*10-4Pa, 分子筛对氢的吸附容量可达160mL(标准状态)/g以上,而活性炭可达200mL(标准状态)/g。影响夹层真空度的主要因素是残留的氦气和氖气。为此, 在夹层抽真空过程中用干燥氮气多次进行吹洗置换。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和He。分子筛在低温低压下对水仍有极强的吸附能力, 所以采用分子筛作为吸附剂以吸附氧化把吸氢后放出的水。分子筛吸水量超过2%时, 其吸附能力将明显下降。

三、固氢输送

用储氢材料储存与输送氢比较简单, 即用储氢合金储存氢气, 然后运输装有储氢合金的容器。固氢有以下优点：（1）体积储氢密度高；（2）容器工作条件温和, 不需要高压容器和隔热容器；（3）系统安全性好, 没有爆炸危险。最大的缺点是运输效率太低（不到1%）。固氢输送装置应该重量轻、储氢能力大。如日本大阪氢工业研究所的多管式大气热交换型固氢装置, 用672kg钛基储氢合金, 可储氢134m³, 储氢率为1.78%, 氢压3.3~3.5MPa。德国曼内斯曼公司、戴姆勒奔驰公司采用7根直径0.114m管式内部隔离, 外部冷热型固氢装置, 用10吨钦基储氢合金,储氢2000m³, 储氢率为1.78%, 氢压5MPa。这里的钛基合金在放氢时, 需加热较高的温度。由于储氢合金价格高（通常几十万元/吨）, 放氢速度慢, 还要加热, 所以用固氢输送的情形并不多见。

四、如何提高输氢效率

氢气的输送之所以效率低, 原因在于储氢密度太低。目前各种输送氢气的方法实际是输送储存的氢。如果储氢密度提高了, 输送氢气的效率自然也就提高。现在科学家大胆设想氢一电共同输送, 可望大幅度提高能量输送效率。该设想是在特大规模的太阳能发电中心, 人们首先利用光伏光电或太阳能热发电获得大量的电力, 再利用这些可再生能源获得的清洁电力, 电解水制氢, 继而液化氢气得到液氢。利用多层同轴电缆, 同时输送液氢和电。电缆中心输送液氢, 同时利用液氢极低的温度保持外层金属处于超导状态, 因为没有电阻, 电流通过就不会发热, 就能大规模输送电, 也大大减少了输电的损耗。同轴电缆的最外层是隔热、绝缘的防护层。在我国西北沙漠发展太阳能电厂, 同时生产液氢和电, 然后输送到我国东部沿海地区, 有专家预测这一设想一旦实现, 会大大改变我国的能源格局。

五、可能的氢气输送的其它途径

有效地输送氢气有无更好的办法呢？专家们已经设计并试验了没有氢气的氢输送系统即首先将氢转化为某种液体形式, 如环己烷、甲醇、氨等, 然后将这些液体送到用户, 就地制氢, 从而实现氢的高效输送。当然要根据具体情况进行详细技术经济论证后, 才能决定是否采用。 气体打压需要的设备有空压机、压力表、气压计、毛刷、小桶及其它设备气焊、管钳等。气体打压时, 准备工作要充分, 还要准备一些阀门等备用。 气体打压需注意的问题有：1 打压前清场无关人员不要在现场；2 输气管路应避免急弯, 试验开始时要及时通知所有人员；3 压力表等仪器要灵敏；4 注意空压机的工作。 为了确保打压的安全性, 开始应进行气压预试验。连接空压机和管路系统, 注意压力表的指针读数, 压力应缓慢上升, 升至0.15MPa稳定10分钟。观察压力的变化, 如果压力下降较快, 应马上进行检验, 查找泄露点并用阀门将单路集热器截断, 在泄露处作上记号, 继续观察。当没有出现较快下降时, 可以缓慢上升压力到0.4MPa。气体打压试验必须符合《工业金属管道工程施工及验收规范》(GB50235-97)的规定。严禁气体打压时现场无人看守。 空压机停止工作, 修复泄露点后, 再进行打压。一般情况下, 用气压合格后, 系统基本不会出现问题。系统需要运行, 可以直接充入防冻液, 进行液体打压, 要求10分钟内压力降不大于0.02MPa, 然后降至工作压力检查, 压力应不降漏。充人液体时要有防止真空管冷热冲击的措施。

从实际应用看, 气压试验的效果明显、简单可靠, 可以解决冬季管道用水打压冻裂的难题, 保证工程按时完工在非冬季的承压工程中也可使用气压试验, 能有效避免液体泄露可能对用户造成的损失。