基于氫化鎂(MgH2)固態(tài)運(yùn)輸?shù)募託湔炯夹g(shù)方案

1 概述

截至2022年5月，我國(guó)已累計(jì)建成加氫站超過(guò)250座，約占全球數(shù)量的40%，加氫站數(shù)量位居世界第一

。目前，國(guó)內(nèi)加氫站供氫方式主要采用高壓氣態(tài)運(yùn)輸，以氫氣長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸?shù)秸緝?nèi)。隨著氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，加氫站供氫方式日趨多樣化。本文對(duì)比分析氫的運(yùn)輸方式，分析氫化鎂(MgH

)性質(zhì)，從總平面布置、工藝流程、氫氣壓縮機(jī)的選擇、安全設(shè)計(jì)及管理方面探討了供氫方式采用MgH

固態(tài)運(yùn)輸?shù)募託湔炯夹g(shù)方案。

2 氫的運(yùn)輸方式及MgH2的物理性質(zhì)

2.1 氫的運(yùn)輸方式

隨著氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，加氫站供氫方式采用液態(tài)運(yùn)輸、固態(tài)運(yùn)輸、有機(jī)液體運(yùn)輸逐漸提上日程。氫運(yùn)輸方式技術(shù)比較見(jiàn)表1。

從表1可看出，氫氣長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，安全可靠，儲(chǔ)氫密度低，適合短距離運(yùn)輸。液氫槽罐車運(yùn)輸儲(chǔ)氫密度高，適合長(zhǎng)距離運(yùn)輸，但能耗較大且運(yùn)輸中液氫有損耗。固態(tài)運(yùn)輸采用MgH

固態(tài)運(yùn)輸，儲(chǔ)氫密度高，壓力低，無(wú)需隔熱，安全性好。有機(jī)液體運(yùn)輸常溫常壓，安全方便，儲(chǔ)氫密度高，但技術(shù)操作條件苛刻。

2.2 MgH2的性質(zhì)

MgH

由于氫含量高(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約7.6%)、儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、質(zhì)量輕和可逆性好，并且在干燥空氣中非常穩(wěn)定，運(yùn)輸很容易，被廣泛認(rèn)為是最具應(yīng)用前景的儲(chǔ)氫材料之一。MgH

在干燥空氣中安全穩(wěn)定，在通常的空氣中，會(huì)慢慢地吸收空氣中的水分而分解放出氫氣。MgH

可以通過(guò)水解和熱解兩種方式來(lái)制備氫氣。

氫化鎂和水反應(yīng)，生成氫氣和氫氧化鎂：

為適應(yīng)我國(guó)信息化建設(shè)需要，擴(kuò)大作者學(xué)(技)術(shù)交流渠道，本刊已經(jīng)進(jìn)入中國(guó)核心期刊《遴選數(shù)據(jù)庫(kù)》、已經(jīng)成為《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊(光盤版)》全文收錄期刊、《萬(wàn)方數(shù)據(jù)—數(shù)字化期刊群》入編期刊、《中文科技期刊數(shù)據(jù)庫(kù)》來(lái)源期刊、《書(shū)生數(shù)字期刊》入編期刊，中國(guó)報(bào)刊訂閱指南信息庫(kù)收錄期刊，《超星期刊域出版系統(tǒng)》全文收錄期刊，如作者不同意將文章編入上列數(shù)據(jù)庫(kù)，敬請(qǐng)作者來(lái)稿時(shí)聲明，并建議改投目前為數(shù)不多的至今仍未入網(wǎng)的期刊。

氫化鎂在常壓下加熱至289 ℃，會(huì)分解成鎂和氫氣(單位氫化鎂質(zhì)量吸熱量為2 630 J/g)：

3 加氫站技術(shù)方案分析

3.1 總平面布置

總平面布置見(jiàn)圖1。

采用文獻(xiàn)[27]Molish法對(duì)20%vol和72%vol紅棗白蘭地的致濁物進(jìn)行定性分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，20%vol未出現(xiàn)紫紅色環(huán)，72%vol出現(xiàn)紫紅色環(huán)。表明20%vol紅棗白蘭地致濁物中不含有糖類，72%vol紅棗白蘭地致濁物中可能含有糖類，與紅外光譜圖結(jié)果相吻合。

本文中額定流量指在標(biāo)準(zhǔn)狀況(0 ℃、101.325 kPa)下的流量。加氫站主要設(shè)備有：

導(dǎo)熱油爐橇1臺(tái)，進(jìn)口溫度385 ℃，出口溫度390 ℃，工作壓力1.32 MPa，額定熱功率600 kW。

在建設(shè)新工科這一宏偉藍(lán)圖之下，產(chǎn)教融合也具有了新的時(shí)代特征。從《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于深化產(chǎn)教融合的若干意見(jiàn)》中可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)。

氫氣壓縮機(jī)A，額定流量500 m

/h，進(jìn)口壓力0.1～0.2 MPa，出口壓力20.0 MPa。氫氣壓縮機(jī)B，額定流量500 m

/h，進(jìn)口壓力20.0 MPa，出口壓力45.0 MPa。

氫氣儲(chǔ)氣瓶組A，為地上固定式，1組共6個(gè)氫氣儲(chǔ)氣瓶。單瓶容積2.33 m

，總?cè)莘e14.0 m

，最高工作壓力20.0 MPa。氫氣儲(chǔ)氣瓶組B，為地上固定式，1組共9個(gè)氫氣儲(chǔ)氣瓶。單瓶容積1.0 m

，總?cè)莘e9 m

，最高工作壓力45.0 MPa。

江蘇 陳哲：《故事版》10月上的《尋車》寫(xiě)得很真實(shí)，讓我想起了以前做過(guò)的一件“缺德事”。那會(huì)兒我還在上大學(xué)，每個(gè)月只有五百塊的生活費(fèi)，有些不夠用，于是去做兼職，回家后才發(fā)現(xiàn)老板給的三張百元鈔票里有一張假鈔。我當(dāng)時(shí)氣不過(guò)，就想著怎么把它花掉，最后給了一個(gè)賣紅薯的老奶奶，她眼神不好，看都沒(méi)看就收下了。拿著紅薯走了沒(méi)幾步，我就后悔了，轉(zhuǎn)身回去要回了那張假鈔，我永遠(yuǎn)記得那個(gè)老奶奶笑著說(shuō)：“孩子，我都知道！”

換熱器1臺(tái)，冷卻水流量7 m

/h，冷卻水進(jìn)口壓力0.5 MPa，氫氣質(zhì)量流量3.6 kg/min，氫氣最高工作壓力45.0 MPa。

2017年12月底至2018年3月初，八宿縣郭慶鄉(xiāng)尼恰村恰頂自然村和拉交村持續(xù)發(fā)生牦牛死亡，3月4日接到報(bào)告后，于3月5日到病發(fā)地開(kāi)展調(diào)查診治。根據(jù)實(shí)地調(diào)查情況，截止3月6日，2個(gè)村累計(jì)發(fā)現(xiàn)具有明顯癥狀的病畜283頭、死亡213頭，發(fā)病率9.4%，病死率達(dá)75.27%。

加氫站的關(guān)鍵設(shè)備是氫氣壓縮機(jī)。加氫站用氫氣壓縮機(jī)主要有3種類型：隔膜式壓縮機(jī)、氫氣增壓泵(氣驅(qū)或液驅(qū))、離子液壓縮機(jī)。這3種壓縮機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)如下：

導(dǎo)熱油爐冷水機(jī)組1臺(tái)，制冷量150 kW，冷卻水流量20 m

/h，出水溫度7 ℃。

壓縮機(jī)A冷水機(jī)組、壓縮機(jī)B冷水機(jī)組，各1臺(tái)，制冷量35 kW，冷卻水流量6 m

/h，出水溫度15 ℃。

加氫機(jī)冷水機(jī)組，1臺(tái)，制冷量58 kW，冷卻水流量7 m

/h，出水溫度-10～0 ℃。

加氫機(jī)A、加氫機(jī)B，各1臺(tái)，額定質(zhì)量流量1.8 kg/min，最高工作壓力35.0 MPa。

我所理解的文藝作品“源于生活，又高于生活”，“高”在哪里？高在透過(guò)生活的層面去發(fā)現(xiàn)、去發(fā)掘、去探求，就像哥倫布發(fā)現(xiàn)新大陸，他人也可以發(fā)現(xiàn)，不過(guò)他先發(fā)現(xiàn)了，就隔那么一點(diǎn)兒；高在對(duì)生活篩選、精選、解析，特別是那種不可模仿的敏銳的獨(dú)特視覺(jué)，還有尷尬的竊視。

自熊彼特以來(lái)，技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)品市場(chǎng)勢(shì)力的關(guān)系一直是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。合作創(chuàng)新與產(chǎn)品市場(chǎng)勢(shì)力的關(guān)系成為該分支的最新拓展。學(xué)者們從各自的視角出發(fā)，在不同的分析框架下，得出了大相徑庭的結(jié)論。有一類靜態(tài)分析框架模型認(rèn)為，合作研發(fā)影響企業(yè)間生產(chǎn)成本的差距，從而改變產(chǎn)品市場(chǎng)結(jié)構(gòu)和企業(yè)產(chǎn)品市場(chǎng)勢(shì)力。利用這個(gè)框架分析的學(xué)者，可以在一個(gè)模型中同時(shí)考察合作創(chuàng)新的研發(fā)投資、產(chǎn)品市場(chǎng)勢(shì)力、利潤(rùn)以及社會(huì)福利績(jī)效，但是卻無(wú)法體現(xiàn)變量之間跨期的影響作用。為了彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，學(xué)者們引入了動(dòng)態(tài)模型，以期刻畫(huà)企業(yè)合作研發(fā)行為對(duì)長(zhǎng)期定價(jià)，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品市場(chǎng)勢(shì)力的影響機(jī)制。

(1)使用時(shí)間序列微觀數(shù)據(jù)來(lái)研究中國(guó)農(nóng)村收入不平等得到的結(jié)果更為精準(zhǔn)與可靠，研究結(jié)果表明1986—2003年間中國(guó)農(nóng)村地區(qū)收入不平等不斷擴(kuò)大，而2003—2014年呈不斷縮小的趨勢(shì)，但是目前的收入不平等仍然較大。通過(guò)基尼系數(shù)可知，目前的收入不平等仍處于收入差距較大的區(qū)間，并且高于國(guó)際警戒線，雖然開(kāi)始逐漸縮小，但是這個(gè)縮小的速率在降低，未來(lái)收入不平等下降可能趨于平緩，還需進(jìn)一步采取措施降低中國(guó)農(nóng)村地區(qū)的收入不平等。

氫氣緩沖罐1臺(tái)，容積為1 m

，最高工作壓力0.2 MPa。

氮?dú)馄拷M，為地上固定式，1組共9個(gè)氮?dú)馄?，單瓶容積40 L，總?cè)莘e360 L，最高工作壓力15.0 MPa。

氫氣增壓泵(氣驅(qū)或液驅(qū))采用傳統(tǒng)活塞結(jié)構(gòu)，但是活塞與缸體之間的密封采用高分子耐磨材料，不使用潤(rùn)滑油，也不會(huì)給氫氣帶來(lái)污染，同時(shí)采用活塞結(jié)構(gòu)相較于金屬膜片結(jié)構(gòu)不需要嚴(yán)密的壓差控制。增壓泵的單級(jí)壓縮比小，排氣壓力低，需另配液壓或氣壓驅(qū)動(dòng)單元，但可多級(jí)串并聯(lián)達(dá)到大排氣量，且進(jìn)氣壓力范圍較寬，允許壓縮比在一定范圍內(nèi)變化，可以直接啟動(dòng)，適合頻繁啟停。缺點(diǎn)是能耗較高。

3.2 工藝流程

工藝流程分為卸氫流程、增壓流程、加氫流程3部分，見(jiàn)圖2。導(dǎo)熱油爐橇中的循環(huán)泵需在80 ℃左右工作，由導(dǎo)熱油爐冷水機(jī)組提供冷卻水。

MgH

運(yùn)輸車上的MgH

在導(dǎo)熱油的加熱下開(kāi)始放出氫氣，通過(guò)氫氣壓縮機(jī)A升壓到用戶需要的壓力(設(shè)定為20 MPa)并儲(chǔ)存至氫氣儲(chǔ)氣瓶組A。當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到卸下的氫氣達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，自動(dòng)停止卸氫，完成整個(gè)卸氫流程。來(lái)自氫氣儲(chǔ)氣瓶組A的氫氣通過(guò)氫氣壓縮機(jī)B增壓至45 MPa并儲(chǔ)存至氫氣儲(chǔ)氣瓶組B。在氫氣壓縮機(jī)B前總管道上設(shè)置緊急切斷閥，用于緊急情況下對(duì)氣源的切斷，且氫氣壓縮機(jī)設(shè)置必要的聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。氫氣儲(chǔ)氣瓶組B中的氫氣由管道輸送至加氫機(jī)，經(jīng)加氫機(jī)加注到氫燃料電池汽車內(nèi)，當(dāng)氫氣儲(chǔ)氣瓶組B壓力較低時(shí)，可從氫氣壓縮機(jī)B經(jīng)加氫機(jī)加注到氫燃料電池汽車內(nèi)。加氫機(jī)上安裝壓力傳感器、過(guò)壓保護(hù)裝置、軟管拉斷保護(hù)裝置等。

3.3 氫氣壓縮機(jī)的選擇

順序控制柜1臺(tái)，額定流量1 200 m

/h，最高工作壓力45.0 MPa。

此加氫站設(shè)計(jì)規(guī)模為500 kg/d，占地90.0 m×55.0 m?？偲矫娌贾冒垂δ軇澐譃檎痉?、加氫罩棚、工藝裝置區(qū)、卸車區(qū)、輔助用房、消防泵房及消防水池。站房為單層建筑，設(shè)置有營(yíng)業(yè)室、辦公室、控制室、衛(wèi)生間等。加氫罩棚下設(shè)置2臺(tái)加氫機(jī)和1臺(tái)換熱器。將站房和加氫罩棚面向站外道路布置，方便車輛出入。工藝裝置區(qū)屬易燃易爆危險(xiǎn)場(chǎng)所，盡量避免外來(lái)人員進(jìn)入，同時(shí)考慮管線布置順暢，將工藝設(shè)備集中布置。從安全角度考慮，將卸車區(qū)放置于工藝裝置區(qū)內(nèi)。換熱箱布置在工藝裝置區(qū)緩沖罐西側(cè)，卸車區(qū)南側(cè)。卸車區(qū)設(shè)置1個(gè)MgH

運(yùn)輸車停車位。輔助用房為單層建筑，設(shè)置有發(fā)電機(jī)房、配電室等。MgH

運(yùn)輸車卸車端設(shè)置防火墻，作為圍墻的一部分。加氫站進(jìn)、出口分開(kāi)設(shè)置，面向進(jìn)、出口道路的側(cè)面開(kāi)放，其余側(cè)面設(shè)置高度2.5 m的不燃燒實(shí)體圍墻。

基于以上結(jié)論，得到以下幾點(diǎn)政策建議：一，加大對(duì)農(nóng)民培訓(xùn)力度，提高農(nóng)戶文化水平及技術(shù)素質(zhì)，適應(yīng)市場(chǎng)變化，促進(jìn)土地流轉(zhuǎn)。二，政策在宣傳推進(jìn)過(guò)程中要尊重農(nóng)民，保障農(nóng)民的各項(xiàng)權(quán)益。三，大力發(fā)展第二三產(chǎn)業(yè)，增強(qiáng)其吸收農(nóng)村剩余勞動(dòng)力能力，鼓勵(lì)農(nóng)民創(chuàng)業(yè)或進(jìn)城務(wù)工，提高農(nóng)民收入。

隔膜式壓縮機(jī)采用薄的金屬膜片將被壓縮氫氣與液壓油完全分離并實(shí)現(xiàn)氫氣壓縮。隔膜式壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力范圍大，單級(jí)壓縮比大，容積效率較高，但排氣量較小，對(duì)于多級(jí)(含2級(jí))壓縮的隔膜式壓縮機(jī)，壓縮機(jī)前后條件相對(duì)穩(wěn)定是保障壓縮機(jī)無(wú)故障平穩(wěn)運(yùn)行的基本要素，所以不能頻繁啟停，也不適用于帶載啟停。

換熱箱，冷卻水流量20 m

/h，冷卻水進(jìn)口壓力0.5 MPa，氫氣質(zhì)量流量40 kg/h，氫氣最高工作壓力0.2 MPa。

離子液壓縮機(jī)是采用一種近零蒸氣壓的液體作為工質(zhì)和潤(rùn)滑介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)氫氣的無(wú)污染壓縮。離子液壓縮機(jī)可以通過(guò)設(shè)置多級(jí)氣缸，實(shí)現(xiàn)合理的壓縮比和較寬的壓縮范圍。液壓驅(qū)動(dòng)也提高了系統(tǒng)整體的安全性，并且整個(gè)壓縮系統(tǒng)的壓縮效率比傳統(tǒng)壓縮機(jī)高約25%。缺點(diǎn)是成本較高。

加氫站用氫氣壓縮機(jī)安全設(shè)計(jì)有防爆設(shè)計(jì)、安全閥、泄漏自檢、各類報(bào)警保護(hù)超限停機(jī)等。氫氣壓縮機(jī)的安全保護(hù)裝置設(shè)置應(yīng)符合GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》(2021年版)。

目前分區(qū)的方法很多，常用的主要有經(jīng)驗(yàn)定性法、指標(biāo)法、類型法、重疊法、聚類分析法等。本研究采用定性分析與定量分析相結(jié)合的方法，前者選用經(jīng)驗(yàn)定型法，后者采用聚類分析法。

加氫站用氫氣壓縮機(jī)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)模、排量要求、氣源特點(diǎn)、吸氣及排氣壓力、成本等因素綜合選取合適的類型。結(jié)合本設(shè)計(jì)方案特點(diǎn)，選擇隔膜式壓縮機(jī)。

3.4 安全設(shè)計(jì)及管理[3]

① 設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行GB 50516—2010(2021年版)及國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。

② 根據(jù)加氫站設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，工藝區(qū)氫氣管道盡量采用架空敷設(shè)，去加氫區(qū)氫氣管道采用明溝敷設(shè)，避免氫氣聚集，方便檢修。

③ 加氫罩棚盡量設(shè)計(jì)成“V”形，避免聚集氫氣。如果由于加氫機(jī)的數(shù)量與布置，加氫罩棚不能設(shè)計(jì)成“V”形，而設(shè)計(jì)成“W”形，可在罩棚頂部設(shè)置“V”形吊頂。這種情況罩棚頂部與吊頂之間形成封閉空間，易聚集氫氣，需要設(shè)置一定數(shù)量的無(wú)電機(jī)渦輪排風(fēng)機(jī)，可避免氫氣聚集。

④ 設(shè)計(jì)自動(dòng)控制程度高的工藝流程，必要時(shí)可設(shè)置安全儀表系統(tǒng)。

⑤ 完善防雷防靜電系統(tǒng)、可燃?xì)怏w報(bào)警控制系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

⑥ 加氫站的安全設(shè)計(jì)很重要，運(yùn)營(yíng)的安全管理更重要。MgH

具有遇水釋放氫氣特性，MgH

運(yùn)輸車應(yīng)干燥清潔，遠(yuǎn)離火種、熱源，防止陽(yáng)光直射。根據(jù)加氫站實(shí)際情況設(shè)置警示標(biāo)語(yǔ)，完善防火措施，完善加氫站安全管理制度，加強(qiáng)宣傳，并嚴(yán)格貫徹執(zhí)行，做到安全生產(chǎn)。

[1] 左宗鑫. 加氫站數(shù)量世界第一 我國(guó)氫能發(fā)展步入快車道[EB/OL]. [2022-06-02]. http://dzb.cinn.cn/shtml/zggyb/20220517/109872.shtml.

[2] 中國(guó)氫能聯(lián)盟. 中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)(2019版)[EB/OL]. [2021-12-03]. http://www.360doc.com/content/19/0822/14/8091960_856428742.shtml.

[3] 冼靜江，林梓榮，賴永鑫，等. 加氫站工藝和運(yùn)行安全[J]. 煤氣與熱力，2017(9)：B01-B06.