有關液氫的生產及應用論文

液氫的生產及應用論文

O引言 氫是一種理想的清潔能源。當前主要用作運載火箭的推進劑，在不久的將來，氫將成為飛機、汽車甚至家用燃料。氫還是一種能量轉換和能量貯存的重要載體。氫作為燃料或作為能量載體，較好的使用和貯存方式之一是液氫。因此液氫的生產是氫能開發應用的重要環節之一。

本文著重討論液氫的生產問題。 氫氣的轉化溫度很低，最高為20.4K，所以只有將氫氣預冷卻到該溫度以下，再節流膨脹才能產生冷效應。這一特性對氫氣的液化過程會產生一定的困難。 氫分子由兩個氫原子組成，由於兩個原子核自旋方向不同，存在著正、仲兩種狀態。正氫（O-H2）的兩個原子核自旋方向相同，仲氫（p-H2）的兩個原子核自旋方向相反。正、仲態的平衡組成隨溫度而變，在不同溫度下處於正、仲平衡組成狀態的氫稱為平衡氫（e一H2）。表1列出了不同溫度時平衡氫中仲氫的濃度。 常溫時，含75％正氫和25％仲氫的平衡氫，稱為正常氫或標準氫（n-H2）。高溫時，正仲態的平衡組成不 變；低於常溫時，正一仲態的平衡組成將隨溫度而變。溫度降低，仲氫濃度增加。在液氫的標準沸點時，仲氫濃 度為99．8％。 在氫的液化過程中，如不進行正一仲催化轉化，則生產出的液氫為正常氫，液態正常氫會自發地發生IE 仲態轉化，最終達到相應溫度下的平衡氫，氫的正。仲轉化是一放熱反應，正常氫轉化成相同溫度下的平衡氫 所釋放的熱量見表2。由表2可見，液態正常氫轉化時放出的熱量超過氣化潛熱（447kl/kg）。由於這一原因， 即使將液態正常氫貯存在一個理想絕熱的`容器中，液氫同樣會發生氣化；在開始的24小時內，液氫大約要蒸 發損失18％，100小時後損失將超過40％。

不過這種自發轉化的速率是很緩慢的，為了獲得標準沸點下的平衡氫，即仲氫濃度為99．8％的液氫，在 氫的液化過程中，必需進行數級正。仲催化轉化。1 氫液化迴圈 由於氫的臨界溫度和轉化溫度低，汽化潛熱小，其理論最小液化功在所有氣體當中是最高的，所以液化 比較困難。在液化過程中進行正。仲氫催化轉化是一個放熱反應，反應溫度不同，所放熱量不同；使用不同的 催化劑，轉化效率也不相同。因此，在液化工藝流程當中使用何種催化劑，如何安排催化劑溫度級，對液氫生 產和貯存都是十分重要的。在液氫溫度下，除氦氣之外，所有其他氣體雜質均已固化，有可能堵塞液化系統管 路，尤其固氧阻塞節流部位，極易引起爆炸。所以，對原料氫必須進行嚴格純化。生產液氫一般可採用三種液化迴圈，即節流氫液化迴圈、帶膨脹機的氫液化迴圈和氦製冷氫液化迴圈。在這三種基本液化迴圈中，又派生出多種不同的液化迴圈，這裡僅從每種當中選擇一個加以簡要說明。

1 節流氫液化迴圈 節流迴圈是1895年由德國的林德和英國的漢普遜分別獨立提出的，所以也叫林德（或漢普遜）迴圈。節 流迴圈是工業上最早採用的氣體液化迴圈，因為這種迴圈的裝置簡單，運轉可靠，在小型氣體液化迴圈裝置 中被廣泛採用。由於氫的轉化溫度低，在低於80K時進行節流才有較明顯的製冷效應。因此，採用節流迴圈液化氫時，必須藉助外部冷源（如液氮）進行預冷。