液氫裝置的氫氣安全放空

何玉輝，許 斌

(林德亞太工程有限公司，浙江 杭州 310023)

1 前 言

近年來，伴隨氫能與燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的興起，氫的制取、儲存、運輸、應(yīng)用技術(shù)已成為備受關(guān)注的焦點。在氫能產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展中，液氫相較于氫氣在儲存及運輸效率方面更具明顯優(yōu)勢，因此液化氫在氫能儲運方面很可能成為未來的主流方向。林德作為全球領(lǐng)先的工業(yè)氣體和工程公司，也是全球氫能應(yīng)用的先驅(qū)公司之一，涉足氫能領(lǐng)域超百年，具備全球領(lǐng)先的液氫裝置設(shè)計制造及生產(chǎn)能力。

液氫是由氫氣經(jīng)過氦制冷或液氮制冷的方式降溫得到的液體。當(dāng)裝置在啟動和生產(chǎn)運行中出現(xiàn)波動時，會通過閥門排放一定量的氫氣及液態(tài)氫。通常在不考慮回收這些氫氣的情況下，這部分氫氣將通過火炬燃燒后排放，經(jīng)查閱CGA G-5.5[1]資料可知，也可通過氫氣放空筒直接排放。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗，放空筒相對火炬系統(tǒng)具有造價低、運行維護成本低等優(yōu)勢。

氫氣是一種極易燃燒的氣體，無色無味且無毒，爆炸極限為4%～75.6%(體積分?jǐn)?shù))。氫氣在常壓下冷卻至-253℃時會成為透明液體，除氦氣以外的其他氣體在此溫度下均會被液化或凝結(jié)。如不慎接觸到皮膚和其他組織，會導(dǎo)致嚴(yán)重的凍傷。若未合理設(shè)計液氫裝置的放空系統(tǒng)，氫氣或液氫排放時會存在低溫凍傷、火災(zāi)及爆炸等風(fēng)險。因此，如何合理設(shè)置放空系統(tǒng)以替代火炬系統(tǒng)，使液氫裝置通過放空筒安全排放氫氣是迫切需要解決的技術(shù)難題。特別是在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)及文獻中均未明確提及如何確定氫氣放空筒高度的情況下。

2 氫氣液化裝置典型工藝流程

以林德公司在韓國2套產(chǎn)量為15 t/d的液氫裝置為例，該裝置采用液氮預(yù)冷氫氣冷卻循環(huán)的工藝，簡要工藝流程如圖1所示。裝置主要由液氫冷箱、氫氣壓縮機、液氫儲罐、充裝系統(tǒng)及配套的液氮系統(tǒng)等單元設(shè)備組成。氫氣的液化流程主要分為3個步驟。

1. 液氫冷箱；2. 氫氣循環(huán)壓縮機；3. 氫氣壓縮機放空；4. 液氫放空加熱器；5. 液氫冷箱氫氣放空；6. 氫氣回收加熱器；7. 液氮冷箱；8. 液氮儲槽；9. 液氫儲罐；10. 儲罐氫氣放空；11. 液氫充裝；12. 液氫槽車置換；13. 槽車氫氣放空圖1 液氫裝置工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of liquid hydrogen unit

1. 氫原料氣由液氮預(yù)冷到80 K，經(jīng)吸附器吸附后去除微量的雜質(zhì)，如氮氣、甲烷、氧氣等，以提高產(chǎn)品的純度，并避免污染物在冷箱內(nèi)凝結(jié)。

2. 氫氣進一步由閉式的氫制冷循環(huán)冷卻，在冷卻過程中逐步催化進行正-仲氫轉(zhuǎn)化，其所需的冷量由氫氣膨脹機提供。

3. 低溫氫氣最終由節(jié)流循環(huán)冷卻至20 K，液化并完成正-仲氫轉(zhuǎn)化。

液氫經(jīng)真空管輸送至液氫儲罐，液氫槽車在充裝站內(nèi)進行充裝。

3 氫氣排放系統(tǒng)及解決方案

3.1 氫氣排放場景

由液氫裝置工藝流程圖可以看出，該裝置運行中主要由以下幾種設(shè)備向環(huán)境排放氫氣或液氫。

1. 液氫冷箱。在冷箱啟動冷卻階段或停車后，會排放一定量的低溫氫氣和液氫，排放頻率較低，持續(xù)時間較短；在正常運行時，會間歇排放少量用于吸附劑再生的氫氣。

2. 液氫儲罐。在儲罐冷卻階段，排放一定量的低溫氫氣和液氫；在正常運行時，排放少量的蒸發(fā)氣。

3. 液氫充裝站。排放用于置換、冷卻的氫氣及少量的氮氣和氦氣。

4. 氫氣壓縮機。在啟動或停車階段，排放常溫氫氣。

此外，考慮當(dāng)裝置處于異常或事故狀態(tài)時，如冷箱保溫失效造成超壓引起放空閥或安全閥排放等情況，排放介質(zhì)為常溫或低溫氫氣，排放量大，但排放概率低且持續(xù)時間短。

3.2 放空筒的布置

該液氫工廠位于工業(yè)園區(qū)內(nèi)，整體布局緊湊，周邊緊鄰其他工廠，無空間布置火炬系統(tǒng)，因此采用放空筒的形式向外排放氫氣。鑒于以上原因，需合理的設(shè)計放空筒及排放系統(tǒng)，使液氫及氫氣安全放空。林德公司在統(tǒng)計所有排放源后，結(jié)合平面布置，制定了如下排放方案，液氫工廠平面布置如圖2所示。

1. 常溫氫氣放空筒；2. 低溫氫氣放空筒；3. 液氫冷箱；4. 氫氣壓縮機；5. 液氫儲罐；6. 辦公室圖2 液氫工廠平面布置圖Fig.2 Layout plan of liquid hydrogen plant

將常溫氫氣和低溫氫氣/液氫分別放空，來自壓縮機區(qū)域的常溫氫氣密度小、易擴散，需要的放空高度較低，可在壓縮機區(qū)域內(nèi)收集后集中排放，放空筒位于布置圖中①所示位置。來自液氫冷箱、儲槽及充裝站的低溫氫氣及液氫由于排放量相對較大，且密度高、不易擴散，可能影響周邊的設(shè)備，需要將放空筒設(shè)置在工廠相對空曠處，如圖中②所示位置。

液氫冷箱和儲罐冷卻階段排放的液氫在復(fù)溫后進行排放，需氣化后經(jīng)低溫氫氣放空筒排放。

低溫氫氣匯集管及放空筒需采取相應(yīng)的措施，避免外管壁附近的空氣液化，出現(xiàn)液氧富集的情況。

低溫放空筒除設(shè)置阻火器外，還需采取一定的措施避免雨水進入放空筒內(nèi)，導(dǎo)致放空筒結(jié)冰堵塞。

3.3 放空筒高度的確定

放空筒位置確定后，需要確定放空筒的高度。在這個項目中，計算壓降和流速后可確定放空筒的直徑[2]，放空筒高度用后果模擬的方式確定。后果模擬計算采用DNV Phast軟件，模擬計算各放空場景下氫氣擴散后可燃?xì)庠频拈W火范圍，燃燒的氣體產(chǎn)生噴射火的熱輻射效應(yīng)及蒸氣云爆炸引起的峰值超壓等因素。結(jié)合工廠內(nèi)設(shè)備距放空筒的相對距離、中控室等人員密集的建筑物位置和抗爆強度及周邊臨近工廠的情況，分別來確定常溫和低溫放空筒的高度[3]。放空筒的高度應(yīng)能夠保證在任何情況下，排放出的氫氣擴散至周邊非防爆區(qū)域的設(shè)備、操作平臺及鄰近工廠的濃度低于爆炸下限；排放時發(fā)生燃燒的情況與火炬原則相同，放空筒的高度需滿足相應(yīng)的熱輻射強度限值；并考慮極端情況下，若發(fā)生蒸氣云爆炸時，由此產(chǎn)生的爆炸載荷不應(yīng)超過工廠及周邊人員密集場所建筑物的結(jié)構(gòu)承載力。

林德公司的這套液氫裝置，在氫壓機發(fā)生超壓安全閥開啟后向常溫放空筒排放1.6 kg/s的氫氣?；谏鲜鲈瓌t，模擬計算結(jié)果顯示在臨近液氫儲罐能承受的熱輻射限值3.2 kW/m2[4]的情況下，常溫氫氣放空筒需設(shè)置高度為25 m。低溫放空筒在液氫儲罐事故狀態(tài)下，排放6.3 kg/s的氫氣。由于低溫氫氣密度較大、不易擴散，需將放空筒高度設(shè)置為55 m。圖3為DNV Phast軟件計算在某些不利氣象條件下，工廠在事故狀態(tài)下排放的氫氣在排放口燃燒后，臨近廠房屋頂高度，熱輻射強度3.2 kW/m2[2，4]的影響范圍。

圖3 低溫氫氣放空筒3.2 kW/m2熱輻射影響范圍Fig.3 Low temperature hydrogen vent cylinder 3.2 kW/m2thermal radiation influence range

計算結(jié)果顯示，在排放高度為55 m時，不考慮太陽輻射強度，事故放空時氫氣燃燒產(chǎn)生的熱輻射不會影響臨近工廠廠房和廠區(qū)內(nèi)的液氫儲罐。

此外，采用Baker Strehlow模型計算發(fā)生蒸氣云爆炸時的沖擊波，圖4顯示某惡劣天氣環(huán)境下，液氫儲罐安全閥在事故狀態(tài)下排放的氫氣發(fā)生蒸氣云爆炸產(chǎn)生沖擊波強度影響的范圍。所涉及人員密集的建筑物，如布置圖中⑥所在的辦公室，其距離低溫放空筒約150 m處，所受沖擊波入射超壓約為7 kPa，峰值動壓約8 kPa，由此提出辦公室的結(jié)構(gòu)承載力應(yīng)高于此數(shù)值。

圖4 低溫放空筒蒸氣云爆炸產(chǎn)生沖擊波入射超壓影響范圍Fig.4 Impact range of incident overpressure of shock wave generated by steam cloud explosion in low-temperature vent cylinder

3.4 其他技術(shù)要求

確定放空高度后，依據(jù)CGA G-5.5[4]和EIGA Doc 211/17[5]的建議采取了相應(yīng)的措施，如液氫冷箱和儲罐冷卻階段排放的液氫需采用空溫式汽化器復(fù)熱，汽化器出口溫度不低于氧沸點溫度，確保失氣、失電情況下，液氫均能被氣化，避免液氫噴濺風(fēng)險的同時也避免了排放匯集管表面氧氣液化富集的現(xiàn)象。

低溫氫氣匯集管采用包覆保溫材料的方式，以隔絕空氣，避免因外管壁的空氣液〗化導(dǎo)致液氧富集的情況。

放空筒排放口設(shè)置阻火器，出口采用防雨設(shè)計。放空管下部設(shè)置有集液盤，用于收集放空管表面凝結(jié)的液氧。

4 結(jié) 論

對于布置面積緊湊或由于其他原因不方便設(shè)置火炬系統(tǒng)的液氫工廠,可采用放空筒排放工廠在調(diào)試、運行及事故狀態(tài)下排放的氫氣。為實現(xiàn)安全放空，放空系統(tǒng)排放液氫工廠的氫氣時應(yīng)考慮因素有以下幾點。

1. 應(yīng)充分考慮排放源的排放因素(介質(zhì)、壓力、溫度、相態(tài)、流量等因素)，合理設(shè)置放空系統(tǒng)，如根據(jù)排放源壓力或溫度的不同分別設(shè)置放空系統(tǒng)。

2. 通過后果模擬計算的方式，計算氫氣擴散云圖的范圍，排放后發(fā)生燃燒時噴射火的熱輻射強度及發(fā)生蒸氣云爆炸時對周邊人員密集建筑物的沖擊波入射強度，合理設(shè)置放空筒的位置及高度。

3. 采取相應(yīng)措施降低液氫經(jīng)放空筒產(chǎn)生的噴濺及匯集管和放空筒等低溫表面液氧凝結(jié)的風(fēng)險。