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低温罐现状及存在问题
浏览: 发布日期:2020-04-08
    前言

    自18世纪以来,储氢是氢能发展已经成为全人类社会重要方面。低温液化储氢由于其储氢密度大、能量密度高等特点,具有很大的优势。首先分析了三种主流储氢方式的优缺点与发展现状,,从被动绝热与主动绝热两个方面介绍了当前已广泛应用,以及新发展的绝热技术,指出其各自不足与未来的发展方向。另外还从低温容器设计的角度,对低温液氢容器的结构设计例如低温储罐和、选材以及安全性保障等方面进行了描述。

    目前有两个重要问题制约着氢能发展,一是氢的制取,二是氢的储存。

    对于氢的储存,目前获得广泛关注的储氢技术主要有高压储氢、低温液态储氢以及金属氢化物储氢。当然也不乏一些新的储氢技术,主要是一些新型的储氢材料,包括有机溶液储氢以及纳米碳管储氢等,其在实验室研究中具有一定的优越性能,表现出巨大潜力。但由于难以批量生产、成本过高、脱氢效率低等原因,目前距大规模的工业应用还有一定距离,我公司也可以低温储罐抽真空设备

    液氧技术

    高压储氢是常温下将气态的氢压缩至高压状态而储存在气罐中。高压储氢气罐为普通的钢制储氢气罐,其设计制造技术成熟,成本相对较低,对压缩机的压力要求低,能耗也相应较低,但其气罐质量很大,单位储氢密度小,储氢效率低。随着氢能开始在汽车燃料电池中取得应用,对储氢罐的储氢密度与储氢效率提出了更高要求,普通的钢制储氢气罐不再适用,轻质高压储氢容器成为研究重点,做这一行业应该清楚低温储罐真空为多少正常。

    轻质高压储氢容器多为金属内胆纤维缠绕复合材料储氢罐,目前已是较成熟的技术,则是研究的热点,在丰田2014年年底上市的氢燃料电池汽车上,应用了储氢技术,目前国内也有许多企业完成了高压氢燃料电池汽车储氢罐的研发,低温储罐真空度标准应当清楚

    低温液态储氢是先将氢气液化,然后储存在低温绝热容器中。由于液氢密度为,是标况下氢气密度的近850倍,即使将氢气压缩至15MPa,甚至35、70MPa,其单位体积的储存量也比不上液态储存。单从储能密度上考虑,我司是专业的低温储罐厂家,低温液态储氢是一种十分理想的方式。

    但由于液氢的沸点极低,与环境温差极大,对容器的绝热要求很高,且液化过程耗能极大。因此对于大量、远距离的储运,采用低温液态的方式才可能体现出优势。目前液氢主要作为低温推进剂用于航天中,而对于以液氢为动力的汽车与无人机的液氢贮箱也有一些研究,但到目前为止还没有实质性的进展。金属氢化物储氢是采用某些金属或合金与氢气形成化合物,而对形成的氢化物加热又会释放出氢气,从而实现对氢的储存与释放。这种方式安全性好、氢气纯度高、单位体积储氢密度高,但单位质量储氢密度低、吸放氢气速率较低。该项技术目前存在两大关键问题,一是在大规模应用中提高储氢材料的储氢量,二是降低材料成本并节约贵重金属。

    目前来看,金属氢化物储氢还处在实验研究阶段。表1总结归纳了以上三种主要储氢方式的优缺点以及目前主要的应用。

    横向对比三种主要的储氢技术,高压储氢目前发展最为成熟,应用也最为广泛,但在储氢密度及安全性方面存在瓶颈;金属氢化物储氢技术则表现出巨大潜力,但目前还处在研究阶段;低温液态储氢技术具有单位质量和单位体积储氢密度大的绝对优势,但目前储存成本过高,主要体现在液化过程耗能大,以及对储氢容器的绝热性能要求极高两个方面,目前低温液氢技术多用于航天,但也越来越有向民用发展的趋势。  本文将着重探讨低温液化储氢技术的发展及其主要的技术手段,包括低温绝热技术与低温储罐设计,指出目前存在的问题与未来的发展趋势。

    低温隔热

    低温绝热技术是低温工程中的一项重要技术,也是实现低温液体储存的核心技术手段,按照是否有外界主动提供能量可分为被动绝热和主动绝热两大方式。被动绝热技术已广泛运用于各种低温设备中;而主动绝热技术由于需外界的能量输入,虽能达到更好的绝热效果,甚至做到零蒸发存储(Zeroboil-off,ZBO),但也势必带来一些问题,如需要其他的附加设备而增加整套装置的体积与重量,制冷机效率低、能耗大、得不偿失,成本高、经济性差,拥有专业的人员制作低温液体储罐的结构图。

    被动技能

    被动绝热技术不依靠外界能量输入来实现热量的转移,而是通过物理结构设计,来减少热量的漏入而减少冷损。一种明显的思路是通过增加热阻来减少漏热,如传统的堆积绝热、真空绝热等。此外,一种新型的变密度多层绝热技术也是类似的基本思路来减少漏热,制作低温储罐应当严格的遵守低温储罐国家真空标准

    主动技能

    主动绝热技术是通过以耗能为代价来主动实现热量转移,常见的手段是采用制冷机来主动提供冷量,与外界的漏热平衡,从而实现更高水平的绝热效果。主动技术常用在一些闪蒸气再液化流程中,如LNG船的再液化流程及核磁共振仪中液氦的再液化等。航天技术·23·低温技术Cryogenics第6期中主动绝热技术常用来提供低温液体推进剂的零蒸发储存,在被动绝热基础上,通过制冷机主动耗能提供冷量来进行热量转移,实现低温液体零蒸发,真正是行内人看一眼低温液体储罐安全阀就能分辨出来型号。

    此技术最早20世纪末提出,为实现火星探测而需低温推进剂长期在轨储存。目前这项技术在地面上已能实现液氧及液氢的ZBO储存,但在空间中受限于低温制冷机的效率问题,液氢在轨阶段还没取得突破,但也能大大减少其蒸发量。

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