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航运业如何“氢”装上阵

2019-05-21 11:08
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经过多年发展,纯电动车的技术瓶颈日益凸显,续航?#32479;?#30005;速度成为制?#35745;?#19979;一步发展的最大障碍。各方在努力突破瓶颈困?#36710;?#21516;时,也在试图寻找其他替代能源。这时,一直存在于我们身边的“氢能”进入人们视野。据丰田数据显示,氢燃料电池汽车可实现充氢3分钟,续航超过500公里,甚至可超过柴油动力车。由此可见,新能源汽车市场定将在不久的将来迎来一场群雄逐“氢”的场面。同时,随着氢燃料电池汽车的进一步推广,无疑将会催生液氢运输船的市场需求。

目前,业界主要采用高压气瓶对氢气进行储存运输,该运输方式技术成熟,但储氢密度小、运输效?#23454;汀?#30456;比于高压储氢,液氢储氢密度高达71g/L,是氢能源储存中纯度最高、单位体积和质量下能量密度最大的储氢形式,也是未来氢能大规模运输所采用的主要方式。但是液氢运输方式增加了氢气液化深冷过程,对设备、工艺、能源的要求更高。那么,液氢散装运输船舶需要关注哪些风险控制措施呢?

据中国船级社武汉规范所工业技术部(研发部)主任范洪军介绍,液氢具有易泄漏、氢脆、易燃、易爆、超低温?#20219;?#38505;。如能充分分析研究这些危险,并提出可行的危险控制措施,液氢将可以作为一种安全燃料使用。

易漏

氢气的粘性低,渗?#24863;?#36739;高,这导致氢气不仅容易从焊缝、法兰、密封垫圈等处发生泄漏,而且泄漏不易?#29615;?#29616;控制较为困难。为此,可采用以下措施减少氢气泄漏的可能性:

(1)储罐、管?#39304;?#35774;备等尽可能采用全焊?#24863;?#28938;接,并做气体泄漏检验。

(2)采用双层管等手段围护泄漏。

(3)优化可燃气体探头的布置。

氢脆

由于氢的高渗?#24863;?#23548;致氢?#23376;?#28342;于金属合金中,氢在金属合金中聚合为氢分子,造成应力集中,超过金属的强?#29123;?#38480;,在钢内部形?#19978;感?#30340;裂纹,进而导致裂纹扩展及垮塌。一般高强度的钢、钛合金、铝合金?#23376;?#20135;生氢脆。氢脆现象与金属合金中的碳含量相关。纯的非合金铝具有较高的抗氢致脆断能力,316?#29123;?#30340;不锈钢、铜镍合金等可用于氢能源储存和运输领域,铜可用于低压设备。

易燃易爆

氢气的可燃极限范围、爆轰极限范围很宽?#28023;?#32780;且最小点燃能量非常低,这导致氢气极易燃烧,微小的静电火花液容易着火。因此储存和使用氢气的场所不仅要严禁烟火,还必须采取?#32454;?#30340;防静电措施。例如选用防爆型电气设备,设备接地,排除热表面?#21462;?/p>

火灾和爆炸

氢气燃烧的火焰不仅温度较高,而且在白天的可见度?#31995;停?#38590;于通过感光探测。氢气的燃烧速度较高,火焰的传播速度?#23777;歟?#26159;天然气火焰传播速度的8倍,这导致火焰比较难于扑灭,而且在封闭空间内引发爆炸的可能性很大。为此,建议:

(1)在人员防护方面,为了避免氢气火灾的火焰影响和UV(紫外线)辐射,配备消防员装备和防护设备。

(2)在灭火方面,在发生氢气火?#26234;?#20917;下,采用化学干粉灭火系统?#25237;?#27687;化碳灭火系?#22330;?#23545;于氢气火灾,应考虑提高二氧化碳的量,建议二氧化碳设计量应为受保护空间总体积的75%或以上。

超低温

液氢需要在-253℃的环境下储存和运输,为此,液氢储罐、管系、设备等除了需要抵抗氢脆外,尚需具?#24515;?#21463;超低温的能力。除此之外,还要考虑温度变化带来的材料膨胀和收缩。

从货物操作时的惰化角度来看,由于液氢为-253℃,在此温度下绝大多数气体会凝固成固体,不仅会堵塞阀门管道,液氢中混有固体氧气还有爆炸的风险。为了避免惰?#20113;?#20307;被冷凝和凝固,可通过两个步骤实现惰化操作。一是使用冷凝温度更低的惰?#20113;?#20307;氦气(冷凝温度为-269℃)进行惰化;二是先使用气态氢气将系统升温至-193℃以上,然后使用氮气(冷凝温度为-196℃)惰化。

未经绝热保护的液氢管道周围的空气会发生冷凝,由于空气中的氮气和氧气的冷凝温度不同,会导致氧气先冷凝,氮气后冷凝(氧气的冷凝温度为-183℃,氮气的冷凝温度为-196℃),在温?#35753;?#26377;降低到液氮的冷凝温度之前,冷凝层的主要成分为液氧,形成富氧环境,?#23376;?#24418;成可燃环?#22330;?#20026;此,应做好管道的绝热,避免空气冷凝形成富氧环?#22330;?/p>

当然,人员的低温防护也是需要重点考虑的方面。

快速蒸发

氢气的沸点?#25512;?#21270;?#27604;?#22343;?#31995;停?#33976;发速?#24335;峡歟?#28082;氢气化的体积膨胀是845倍,如果在某一固定体积内液氢完全气化,则体积内的压力会从0bar升高至1720bar。所以需要做好储罐和管路的绝热,并考虑一定的蓄压能力。

正氢和仲氢转化

在热平衡状态下,氢气由75%的正氢(ortho-hydrogen)和25%的仲氢(para-hydrogen)组成,液化后,正氢不稳定,会转化成更加稳定的仲氢,转化过程?#22836;?#22823;量的热量,导致液氢的蒸发率大幅提高,而没有催化剂的转化过程一般需要?#20013;?#20960;天的时间。因此在液化过程中,会通过催化剂使得成品液氢中的仲氢浓度达到95%左右,转化基本上可以完成,所以对于商品液氢来讲,可忽略这?#20013;?#24212;带来的蒸发率升高。

范洪军表示,氢能源的利用?#22836;?#23637;正如50多年前天然气燃料的需求带动了LNG运输船的发明。LNG海上运输的成功,可以使我们相信,通过国际工业界、政府、国?#39318;?#32455;、船级社等各方的共同努力,液氢的海上运输将成为现实。

此外,范洪军还补充道,若使液氢产业链成为现实,我们还需关注制氢、氢的液化、液氢陆上运输、液氢加注、液氢气化利用等各个环节。

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