氢能利用关键技术系列--液氢技术与装备

1.稀缺专著——在销图书中，液氢方面的图书基本没有是一部非常适用我国氢能发展战战略（《氢能产业发展中长期规划》2022年3月发布）的著作。 2.内容实用全面——全面阐述液氢产业链中的生产、储运、应用、安全管理等环节，通过技术方案分析、关键装备选型以及典型应用场景介绍，完整展示了液氢产业链的技术发展现状。 3.作者实践经验丰富——本书作者及团队从事液氢研究20余年，对氢气液化的技术瓶颈和技术要领等关键技术和装备理解到位，书中内容对氢能应用技术人员、液氢研发人员、投资人员，低温制冷领域的技术人员和高等院校师生均有参考价值。

把氢气降温到－253℃（约20K）左右可获得低温液态氢。从1898年詹姆斯· 杜瓦（James Dewar）第一次在实验室里获得液氢至今，液氢技术发展已经有120多年的历史。俄罗斯科学家康斯坦丁· 齐奥尔科夫斯基（Константин Эдуардович Циолковский）1903年就指出，液氢和液氧组成的燃料是火箭发射最高效的推进剂，具有最高的比推力。液氢火箭发动机技术已成功地被美、俄、中、法、日等航天大国所掌握。随着工业革命和氢能经济的发展，以美国为代表的发达国家，液氢的利用已经从航天领域扩展到民用工业、交通和能源领域。
大规模绿色制氢技术——电解水制氢技术的商业化，使得可再生能源产生的电力可以得到更加广泛的应用。在大力发展可再生能源利用和节能减排实现碳达峰、碳中和目标的未来过程中，绿色氢气（简称绿氢）的液化及其相关技术与装备在氢能产业链中将会发挥重要的作用。液氢具有最高的储氢密度和储运效率，同时保持了超纯氢的品质，使得氢气的大规模储运、高效储能和更广泛的应用成为可能。然而，中国的液氢应用数十年来一直局限于航空航天和科研试验领域，液氢民用技术发展还有很长的路要走。总结并借鉴发达国家的发展经验，为中国液氢技术的商业化发展提供参考，是编写本书的主要目的。
氢气与天然气的相同点在于不仅仅都是能源，同时还都是化工业和制造业的重要原料。可以预见，低温液化是氢气大规模应用下的技术趋势。而氢气所特有的物理化学性质，使它在液化、储运、转注与加注时具有区别于天然气的特点。液氢的温度已经远低于空气液化和凝固的温度，使得氢的液化、储运技术和安全生产、使用管理等全产业链环节，与传统的液氮、液氧和液化天然气有着较大的区别和更高的技术难度。氢的活性使得液氢环境下的材料不仅要耐受低温，还要耐受氢的还原性、渗透性等。液氢不仅仅是火箭发射的推进剂，更是重要的能源燃料和工业原料，在海上运输国际贸易和绿色交通运输终端中都扮演了重要的角色。为获得更高的储氢密度和更长的维持时间，减少液氢的汽化损失，在提高加注、转注效率的同时提高经济性，在液氢技术的基础上衍生出了深冷高压储氢技术和浆氢储运加注技术。这两项技术是产业链终端氢能利用领域的先进技术发展方向。
本书主要介绍与液氢相关的技术与装备，全面覆盖液氢产业链中的生产、储运、应用、安全管理等技术环节，通过技术方案分析、关键装备选型以及典型应用场景的阐述，完整展现了液氢产业链在全球的技术发展现状和未来发展趋势，本书内容有助于相关科研、工程技术人员全面了解液氢产业链上下游可能涉及的技术及装备特点。本书主要面向从事液氢技术研究和装备开发的科研、工程技术人员，从事液氢产业链战略分析、投资调研的技术分析人员，等等，也可作为高等院校低温工程和氢能、设备工程等专业本科生及研究生的参考书。
本书共分为9章：第1章为氢的主要特性与获得方法，第2章为氢液化技术与装备，第3章为液氢的绝热与真空技术，第4章为液氢环境用材料，第5章为液氢的储存与运输，第6章为液氢储氢型加氢技术与装备，第7章为交通运输终端氢能储供氢技术与装备，第8章为液氢安全技术与管理，第9章为浆氢技术与应用。最后附录给出了氢的基本热物理性质相关的图表。
本书的主要编著者、所在单位及其编写章节如下：上海交通大学胡鸣若、周正、王清，第1章、附录；中国科学院理化技术研究所胡忠军、龚领会，第2章及第4章；江苏国富氢能技术装备股份有限公司魏蔚，第3章、第4章、第9章、附录；中国特种设备检测研究院朱鸣，第5章；张家港氢云新能源研究院有限公司何春辉、王朝，第6章；东南大学严岩、李仕豪，第7章及第9章；张家港中集圣达因低温装备有限公司刘根仓，第8章。
上述主要编写者在氢能技术、低温技术与装备领域从事科研和工程实践多年，均具有高级职称或工学博士学位，主持或参与过国家级、省部级重大研发课题，并将科研技术成果成功应用到航天火箭推进剂发射和液氢装备商业化应用中。编写团队所在单位，是中国液氢技术研究与装备产业化的典型代表，全面覆盖液氢技术与装备行业涉及的教学、科研、产品设计制造和第三方检测等领域。
感谢王瑞铨先生、汪荣顺先生对作者魏蔚在液氢技术方面的启蒙，以及十多年毫无保留地悉心指导和提供各种资料。感谢广东卡沃罗氢科技有限公司、北京中科富海低温科技有限公司、上海正仲动力科技有限公司等企业在本书编写过程中所提供的帮助。你们的支持和信任是作者前进动力的源泉。
由于时间和水平所限，书中疏漏之处在所难免，敬请读者指正。

编著者
2023年1月

《液氢技术与装备》在介绍氢基本性质的基础上，按照液氢生产的特性，着重介绍液氢生产中的相关技术与装备，全面覆盖液氢产业链中的生产、储运、应用、安全管理等环节，通过技术方案分析、关键装备选型以及典型应用场景介绍，完整展现了液氢产业链的技术发展现状，可有效帮助相关科研、工程技术人员全面了解液氢技术及上下游技术与装备特点。
本书可供从事液氢技术研究和装备开发的科研、工程技术人员，从事液氢产业链战略分析、投资调研的技术分析人员参考，还可供高等院校低温工程、能源装备、机械设备等专业本科生及研究生参考使用。

第1章氢的主要特性与获得方法 1
1.1氢的主要物理化学特性 1
1.1.1氢和液氢概述 1
1.1.2氢的同位素 2
1.1.3正氢和仲氢 3
1.1.4氢的热物理性质 3
1.1.5氢进入金属及氢脆的影响 5
1.2氢的大规模制取 8
1.2.1化石能源制氢与工业副产氢 8
1.2.2可再生能源电解水制氢 16
1.2.3生物质制氢 24
1.3制氢新技术及其特点 27
参考文献 28

第2章氢液化技术与装备 32
2.1氢气液化工艺流程 32
2.1.1液氢技术概述 32
2.1.2J-T节流液化循环 34
2.1.3氢膨胀机预冷的氢液化循环 38
2.1.4氢直接膨胀液化流程的典型应用案例 40
2.1.5氦制冷的氢液化系统 43
2.1.6不同氢液化循环的单位能耗对比 44
2.1.7氢液化流程研究进展 46
2.2透平膨胀技术及装备 48
2.2.1透平膨胀技术及系统控制 48
2.2.2氦透平膨胀机 52
2.2.3氢透平膨胀机 60
2.2.4气体轴承 68
2.3低温换热技术及装备 71
2.3.1低温换热器 71
2.3.2液氢真空冷箱 76
2.3.3正仲氢催化技术 85
2.4氢气纯化 91
2.4.1氢气纯化必要性和技术指标 91
2.4.2物理方法与吸附剂 92
2.4.3低温吸附与分离 93
2.4.4化学方法与催化剂 94
2.4.5氢气纯化工艺流程 95
2.5氢液化装置的结构特点与运行 96
2.5.1低温阀门与附件 96
2.5.2液氢管路 99
2.5.3检测仪表 100
2.5.4液氢涡轮泵 103
2.5.5氢液化装置的运行 104
参考文献 106

第3章液氢的绝热与真空技术 108
3.1低温传热与绝热机理 108
3.2液氢设备的绝热方法与使用条件 109
3.2.1堆积绝热与低真空绝热 109
3.2.2高真空多层绝热 110
3.2.3高真空多屏绝热 117
3.2.4液氢过程设备的真空绝热技术 117
3.3液氢设备的真空获得与维持技术 121
3.3.1真空获得与真空检测 121
3.3.2真空寿命与真空维持 123
3.3.3液氢容器绝热系统的阻燃性设计 124
参考文献 125

第4章液氢环境用材料 127
4.1金属材料 127
4.1.1化学成分对金属材料低温力学性能的影响 127
4.1.2液氢火箭发射系统用金属材料的研究 129
4.1.3液氢容器用奥氏体不锈钢性能研究 133
4.2非金属材料 135
4.2.1常用非金属材料及其用途 135
4.2.2纤维增强复合材料在液氢支撑元件中的应用 139
4.2.3纤维增强复合材料的其他应用 145
4.3材料的检验与检测 145
4.3.1金属材料的检验与检测 145
4.3.2非金属材料的检验与检测 148
参考文献 149

第5章液氢的储存与运输 150
5.1固定式液氢储存技术与设备 150
5.1.1液氢杜瓦瓶 150
5.1.2液氢储罐 153
5.1.3液氢球罐 157
5.1.4液氢接收站 160
5.2移动式液氢储运技术与设备 163
5.2.1液氢罐式集装箱与多式联运 164
5.2.2液氢公路罐车与铁路罐车 166
5.2.3液氢运输船 169
参考文献 172

第6章液氢储氢型加氢技术与装备 174
6.1液氢储氢型加氢技术概述 174
6.1.1车载储氢特点和加注需求 174
6.1.2车载储氢密度与发展趋势 174
6.1.3加氢基础设施要求和液氢加氢的优越性 175
6.2液氢储氢型加氢站技术 177
6.2.1加注高压氢气的液氢加氢站 177
6.2.2面向高压加氢的运营成本分析优化 179
6.2.3面向液氢加注的工艺流程 180
6.3面向高压氢气加注的液氢泵 181
6.3.1高压液氢活塞泵概述 181
6.3.2高压液氢活塞泵结构组成 182
6.3.3高压液氢活塞泵关键指标 184
6.3.4高压液氢活塞泵关键技术 185
6.4加氢机与加氢枪 187
6.4.1加氢机 187
6.4.2加氢枪 187
6.5用于液氢加注的往复式液氢泵 190
6.5.1液氢加注发展现状 190
6.5.2往复式液氢泵 191
6.5.3往复式液氢泵的应用 196
参考文献 197

第7章交通运输终端氢能储供技术与装备 200
7.1液氢储供氢技术与装备 200
7.1.1交通运输车辆 200
7.1.2轨道交通装备 202
7.1.3液氢无人机 203
7.1.4液氢动力船舶 206
7.2深冷高压储供氢技术与装备 208
7.2.1深冷高压储氢技术与装备 208
7.2.2深冷高压供氢技术与装备 212
7.2.3深冷高压氢加注技术与装备 214
参考文献 216

第8章液氢安全技术与管理 218
8.1液氢的危险特性 218
8.1.1液氢对人体的危害 218
8.1.2液氢相关的安全事故 218
8.1.3液氢的燃烧爆炸风险 220
8.2液氢生产和应用时的静电危险 221
8.2.1液氢产生静电的几种形式 222
8.2.2常用的防静电措施 222
8.3液氢安全操作规程 223
8.3.1液氢生产与使用操作 223
8.3.2液氢的转注操作 224
8.3.3液氢的泄漏处理方法 225
8.4液氢装备设计与现场布置要求 226
8.4.1液氢生产系统的配置 226
8.4.2管道及其附件的设计安装 226
8.4.3低温阀门的保养管理 227
8.4.4液氢储存方面的考虑 227
8.4.5氢气排放的要求 227
8.4.6辅助设施 228
参考文献 230

第9章浆氢技术与应用 232
9.1浆氢概述 232
9.1.1浆氢和胶氢 232
9.1.2浆氢的热物理性质 233
9.2浆氢的生产 235
9.2.1冻结-融化法生产浆氢 235
9.2.2喷淋法生产浆氢 236
9.2.3氦冷却法生产浆氢 236
9.2.4螺旋推进法生产浆氢 237
9.2.5磁制冷法生产浆氢 238
9.2.6浆氢生产方法的比较 239
9.2.7浆氢生产装置 241
9.3浆氢的测量 242
9.3.1浆氢的密度测量 242
9.3.2浆氢的液位测量 243
9.3.3浆氢的流量测量 243
9.4浆氢的储运 243
9.4.1浆氢的储存 243
9.4.2浆氢的输送 244
9.5浆氢的应用 245
9.5.1浆氢在火箭推进剂中的应用 245
9.5.2浆氢在超导储能电力系统中的应用 247
9.5.3浆氢在燃料电池交通工具中的应用 248
参考文献 249

附录氢的基本热物理性质 250
附表1氢的基本性质 250
附图1氢的密度随温度与压力变化图 250
附图2氢的定压比热容随温度与压力变化图 251
附表2标准氢的热物性参数 251
附表3氢在不同压力下的热物性参数 252