化工进展 ›› 2022, Vol. 41 ›› Issue (12): 6261-6274.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0279
张振扬1,2(), 妙丛1, 王峰3, 兰玉岐1, 安刚1, 杨申音1
收稿日期:
2022-02-24
修回日期:
2022-04-14
出版日期:
2022-12-20
发布日期:
2022-12-29
通讯作者:
张振扬
作者简介:
张振扬(1988—),男,博士,工程师,主要研究方向为氢液化及低温工程。E-mail:zhangzy_buaa@163.com。
基金资助:
ZHANG Zhenyang1,2(), MIAO Cong1, WANG Feng3, LAN Yuqi1, AN Gang1, YANG Shenyin1
Received:
2022-02-24
Revised:
2022-04-14
Online:
2022-12-20
Published:
2022-12-29
Contact:
ZHANG Zhenyang
摘要:
氢能作为零碳能源,是实现我国双碳目标的有效战略途径,随着氢能被纳入我国能源体系范畴,氢能的广泛商业应用即将呈现爆发式增长。受限于氢的物理特性,氢能利用过程中的高能量密度储运技术一直是制约其发展的瓶颈之一,液氢作为储氢密度最大的方式,其规模化制取技术是解决氢能应用环节中高效储运和规模化利用的有效途径。本文对当前全球已知的规模化氢液化装置的液氢产能规模和运行状态进行了统计分析,介绍了主要生产国的工业氢液化装置,比较了三种基本氢液化原理,总结了实际工业装置特点,对当前提出的规模化概念型氢液化系统原理和能效进行了分析,提出了未来发展应参考的设计特点和建议性阶段发展方向,为氢能的高效规模化储运技术发展提供有效支持,加速实现氢能的广泛商业化应用。
中图分类号:
张振扬, 妙丛, 王峰, 兰玉岐, 安刚, 杨申音. 规模化氢液化装置现状及未来技术路线分析[J]. 化工进展, 2022, 41(12): 6261-6274.
ZHANG Zhenyang, MIAO Cong, WANG Feng, LAN Yuqi, AN Gang, YANG Shenyin. Analysis of present status and future technical route on large-scale hydrogen liquefaction plant[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2022, 41(12): 6261-6274.
区域/国家 | 位置 | 所属单位/建设单位 | 产能/t·d-1 | 投产时间 | 状态 |
---|---|---|---|---|---|
美洲 | |||||
美国 | 科罗拉多州 | NBS | 0.5 | 1952 | 停用 |
美国 | 俄亥俄州 | APCI | 1 | 1956 | 停用 |
美国 | 佩恩斯维尔 | APCI | 3 | 1957 | 停用 |
美国 | 西棕榈滩 | APCI | 3.2 | 1957 | 停用 |
美国 | 佛罗里达州 | APCI | 3.5 | 1957 | 停用 |
美国 | 加利福尼亚州 | Stearns-Roger Mfg. Co. | 1.5 | 1957 | 停用 |
美国 | 佛罗里达州 | APCI | 30 | 1958 | 停用 |
美国 | 西棕榈滩 | APCI | 27 | 1959 | 停用 |
美国 | 密西西比 | APCI | 32.7 | 1960 | 停用 |
美国 | 加利福尼亚州 | Stearns-Roger Mfg. Co. | 7 | 1960 | 停用 |
美国 | 安大略湖 | Praxair | 20 | 1962 | 运行 |
美国 | 加利福尼亚州 | Stearns-Roger Mfg. Co. | 26 | 1962 | 停用 |
美国 | 加利福尼亚州 | APCI | 32.5 | 1963 | 停用 |
美国 | 萨克拉曼多 | Union Carbide | 54 | 1964 | 停用 |
美国 | 新奥尔良 | APCI | 34 | 1977 | 运行 |
美国 | 新奥尔良 | APCI | 34 | 1978 | 运行 |
美国 | 尼亚加拉大瀑布 | Praxair | 18 | 1981 | 运行 |
美国 | 萨克拉曼多 | APCI | 6 | 1986 | 运行 |
美国 | 尼亚加拉大瀑布 | Praxair | 18 | 1989 | 运行 |
美国 | 佩斯 | APCI | 30 | 1994 | 运行 |
美国 | 麦金托什 | Praxair | 24 | 1995 | 运行 |
美国 | 东芝加哥 | Praxair | 30 | 1997 | 运行 |
美国 | 卡尔弗特市 | Air gas | 10 | 2016 | 计划 |
美国 | 北拉斯瓦加斯 | Air Liquide | 30 | 2022 | 计划 |
美国 | 拉波特 | APCL | 30 | 2022 | 计划 |
美国 | (5个新建项目,1个扩建项目) | 90 | 2023 | 计划 | |
加拿大 | 安大略萨尼亚 | APCI | 30 | 1982 | 运行 |
加拿大 | 蒙特里亚 | Air Liquide | 10 | 1986 | 运行 |
加拿大 | 贝康库 | Air Liquide | 12 | 1988 | 运行 |
加拿大 | 马戈 | BOC | 15 | 1989 | 运行 |
加拿大 | 蒙特里亚 | BOC | 14 | 1990 | 运行 |
法属圭亚那 | 库鲁 | Air Liquide | 5 | 1990 | 运行 |
小计(运行) | 300 | ||||
亚洲 | |||||
日本 | 尼崎市 | Iwatani | 1.2 | 1978 | 停用 |
日本 | 田代 | MHI | 0.6 | 1984 | 停用 |
日本 | 秋田县 | Tashiro | 0.7 | 1985 | 运行 |
日本 | 丹加岛 | Japan Liquid Hydrogen | 1.4 | 1986 | 运行 |
日本 | 大分 | Pacific Hydrogen | 1.4 | 1986 | 运行 |
日本 | Minamitane | Japan Liquid Hydrogen | 2.2 | 1987 | 运行 |
日本 | 君津市 | APCI | 0.3 | 2003 | 运行 |
日本 | 大阪 | Iwatani | 11.3 | 2006 | 运行 |
日本 | 东京 | Iwatani/Linde | 10 | 2008 | 运行 |
中国 | 北京 | 北京航天试验技术研究所 | 1 | 2008 | 运行 |
中国 | 北京 | 北京航天试验技术研究所 | 1 | 2013 | 运行 |
中国 | 乌海 | 北京航天试验技术研究所 | 0.5 | 2020 | 运行 |
中国 | 嘉兴 | 北京航天试验技术研究所 | 2 | 2021 | 运行 |
中国 | 乌兰察布 | 北京航天试验技术研究所 | 0.3 | 2022 | 计划 |
中国 | 定西 | 北京航天试验技术研究所 | 2 | 2023 | 计划 |
中国 | 西昌 | — | — | 2012 | 运行 |
中国 | 文昌 | — | — | 2013 | 运行 |
印度 | 马亨德拉吉里 | ISRO | 0.3 | 1992 | 运行 |
印度 | 萨贡达 | Andhra Sugars | 1.2 | 2004 | 运行 |
印度 | 印度 | Asiatic Oxygen | 1.2 | — | 运行 |
小计(运行) | 34.5 | ||||
欧洲 | |||||
法国 | 里尔 | Air Liquide | 10 | 1987 | 运行 |
荷兰 | 罗森伯格 | APCI | 5 | 1987 | 运行 |
德国 | 英戈尔斯塔特 | Linde | 4.4 | 1991 | 运行 |
德国 | 鲁讷 | Linde | 5 | 2008 | 运行 |
小计(运行) | 24.4 | ||||
澳洲 | |||||
澳大利亚 | 维多利亚州 | HySTRA | 770 | 2025 | 计划 |
小计(运行) | 0 | ||||
总计(运行) | 358.9 |
表1 全球规模化液氢生产装置产能统计[9-13]
区域/国家 | 位置 | 所属单位/建设单位 | 产能/t·d-1 | 投产时间 | 状态 |
---|---|---|---|---|---|
美洲 | |||||
美国 | 科罗拉多州 | NBS | 0.5 | 1952 | 停用 |
美国 | 俄亥俄州 | APCI | 1 | 1956 | 停用 |
美国 | 佩恩斯维尔 | APCI | 3 | 1957 | 停用 |
美国 | 西棕榈滩 | APCI | 3.2 | 1957 | 停用 |
美国 | 佛罗里达州 | APCI | 3.5 | 1957 | 停用 |
美国 | 加利福尼亚州 | Stearns-Roger Mfg. Co. | 1.5 | 1957 | 停用 |
美国 | 佛罗里达州 | APCI | 30 | 1958 | 停用 |
美国 | 西棕榈滩 | APCI | 27 | 1959 | 停用 |
美国 | 密西西比 | APCI | 32.7 | 1960 | 停用 |
美国 | 加利福尼亚州 | Stearns-Roger Mfg. Co. | 7 | 1960 | 停用 |
美国 | 安大略湖 | Praxair | 20 | 1962 | 运行 |
美国 | 加利福尼亚州 | Stearns-Roger Mfg. Co. | 26 | 1962 | 停用 |
美国 | 加利福尼亚州 | APCI | 32.5 | 1963 | 停用 |
美国 | 萨克拉曼多 | Union Carbide | 54 | 1964 | 停用 |
美国 | 新奥尔良 | APCI | 34 | 1977 | 运行 |
美国 | 新奥尔良 | APCI | 34 | 1978 | 运行 |
美国 | 尼亚加拉大瀑布 | Praxair | 18 | 1981 | 运行 |
美国 | 萨克拉曼多 | APCI | 6 | 1986 | 运行 |
美国 | 尼亚加拉大瀑布 | Praxair | 18 | 1989 | 运行 |
美国 | 佩斯 | APCI | 30 | 1994 | 运行 |
美国 | 麦金托什 | Praxair | 24 | 1995 | 运行 |
美国 | 东芝加哥 | Praxair | 30 | 1997 | 运行 |
美国 | 卡尔弗特市 | Air gas | 10 | 2016 | 计划 |
美国 | 北拉斯瓦加斯 | Air Liquide | 30 | 2022 | 计划 |
美国 | 拉波特 | APCL | 30 | 2022 | 计划 |
美国 | (5个新建项目,1个扩建项目) | 90 | 2023 | 计划 | |
加拿大 | 安大略萨尼亚 | APCI | 30 | 1982 | 运行 |
加拿大 | 蒙特里亚 | Air Liquide | 10 | 1986 | 运行 |
加拿大 | 贝康库 | Air Liquide | 12 | 1988 | 运行 |
加拿大 | 马戈 | BOC | 15 | 1989 | 运行 |
加拿大 | 蒙特里亚 | BOC | 14 | 1990 | 运行 |
法属圭亚那 | 库鲁 | Air Liquide | 5 | 1990 | 运行 |
小计(运行) | 300 | ||||
亚洲 | |||||
日本 | 尼崎市 | Iwatani | 1.2 | 1978 | 停用 |
日本 | 田代 | MHI | 0.6 | 1984 | 停用 |
日本 | 秋田县 | Tashiro | 0.7 | 1985 | 运行 |
日本 | 丹加岛 | Japan Liquid Hydrogen | 1.4 | 1986 | 运行 |
日本 | 大分 | Pacific Hydrogen | 1.4 | 1986 | 运行 |
日本 | Minamitane | Japan Liquid Hydrogen | 2.2 | 1987 | 运行 |
日本 | 君津市 | APCI | 0.3 | 2003 | 运行 |
日本 | 大阪 | Iwatani | 11.3 | 2006 | 运行 |
日本 | 东京 | Iwatani/Linde | 10 | 2008 | 运行 |
中国 | 北京 | 北京航天试验技术研究所 | 1 | 2008 | 运行 |
中国 | 北京 | 北京航天试验技术研究所 | 1 | 2013 | 运行 |
中国 | 乌海 | 北京航天试验技术研究所 | 0.5 | 2020 | 运行 |
中国 | 嘉兴 | 北京航天试验技术研究所 | 2 | 2021 | 运行 |
中国 | 乌兰察布 | 北京航天试验技术研究所 | 0.3 | 2022 | 计划 |
中国 | 定西 | 北京航天试验技术研究所 | 2 | 2023 | 计划 |
中国 | 西昌 | — | — | 2012 | 运行 |
中国 | 文昌 | — | — | 2013 | 运行 |
印度 | 马亨德拉吉里 | ISRO | 0.3 | 1992 | 运行 |
印度 | 萨贡达 | Andhra Sugars | 1.2 | 2004 | 运行 |
印度 | 印度 | Asiatic Oxygen | 1.2 | — | 运行 |
小计(运行) | 34.5 | ||||
欧洲 | |||||
法国 | 里尔 | Air Liquide | 10 | 1987 | 运行 |
荷兰 | 罗森伯格 | APCI | 5 | 1987 | 运行 |
德国 | 英戈尔斯塔特 | Linde | 4.4 | 1991 | 运行 |
德国 | 鲁讷 | Linde | 5 | 2008 | 运行 |
小计(运行) | 24.4 | ||||
澳洲 | |||||
澳大利亚 | 维多利亚州 | HySTRA | 770 | 2025 | 计划 |
小计(运行) | 0 | ||||
总计(运行) | 358.9 |
类型/装置 | 能耗中值/-1 | 能源利用效率中值/% | 时间 | 产能/t·d-1 |
---|---|---|---|---|
理论基础氢液化循环 | ||||
预冷Linde-Hampson循环 | 68.1 | 3.2 | — | — |
氦制冷氢液化系统 | 44.8 | 5.9 | — | — |
预冷Claude循环 | 29.9 | 8 | — | — |
预冷双压Claude循环 | 12.26 | 23.6 | — | — |
理想液化循环 | ||||
理想预冷Linde-Hampson循环 | 16.24 | 17.85 | — | — |
理想预冷双压Linde-Hampson循环 | 12.12 | 23.8 | — | — |
理想预冷双压Claude循环 | 6.66 | 43.4 | — | — |
热力学理想液化系统 | 2.89 | 100 | — | — |
典型在运行装置 | ||||
德国Ingolstadt Linde氢液化装置 | 13.58 | 21.3 | 1994 | 4.4 |
美国East Chicago Praxair氢液化装置 | 13.5 | 21.5 | 2003 | 30 |
德国Leuna Linde氢液化装置 | 11.9 | 27 | 2007 | 5 |
未来设计循环 | ||||
Kuzmenko液氮预冷氦制冷循环 | 12.7 | 34.6 | 2004 | 54 |
Baker氢液化系统 | 9.94 | 39.3 | 1978 | 250×10 |
Shimko & Gardiner氦气逆Brayton循环 | 8.73 | 44.6 | 2006 | 50 |
Matsuda & Nagami氢Claude循环(WE-NET项目) | 8.49 | 45.2 | 1998 | 300 |
Asadnia混合制冷氢液化系统 | 7.69 | 39.5 | 2017 | 100 |
WE-NET项目(氖预冷) | 7 | 47 | 2004 | 300 |
Stang混合制冷氢液化系统 | 7 | 60 | 2006 | — |
Krasae-in混合制冷四级Joule-Brayton循环 | 5.91 | 0 | 2014 | 100 |
Zhang & Liu预冷Claude循环结合Joule-Brayton循环 | 5.85 | 55.3 | 2021 | 288.9 |
Valenti四级氦气Joule-Brayton循环 | 5.76 | 50.2 | 2008 | 856 |
表2 氢液化装置能效统计
类型/装置 | 能耗中值/-1 | 能源利用效率中值/% | 时间 | 产能/t·d-1 |
---|---|---|---|---|
理论基础氢液化循环 | ||||
预冷Linde-Hampson循环 | 68.1 | 3.2 | — | — |
氦制冷氢液化系统 | 44.8 | 5.9 | — | — |
预冷Claude循环 | 29.9 | 8 | — | — |
预冷双压Claude循环 | 12.26 | 23.6 | — | — |
理想液化循环 | ||||
理想预冷Linde-Hampson循环 | 16.24 | 17.85 | — | — |
理想预冷双压Linde-Hampson循环 | 12.12 | 23.8 | — | — |
理想预冷双压Claude循环 | 6.66 | 43.4 | — | — |
热力学理想液化系统 | 2.89 | 100 | — | — |
典型在运行装置 | ||||
德国Ingolstadt Linde氢液化装置 | 13.58 | 21.3 | 1994 | 4.4 |
美国East Chicago Praxair氢液化装置 | 13.5 | 21.5 | 2003 | 30 |
德国Leuna Linde氢液化装置 | 11.9 | 27 | 2007 | 5 |
未来设计循环 | ||||
Kuzmenko液氮预冷氦制冷循环 | 12.7 | 34.6 | 2004 | 54 |
Baker氢液化系统 | 9.94 | 39.3 | 1978 | 250×10 |
Shimko & Gardiner氦气逆Brayton循环 | 8.73 | 44.6 | 2006 | 50 |
Matsuda & Nagami氢Claude循环(WE-NET项目) | 8.49 | 45.2 | 1998 | 300 |
Asadnia混合制冷氢液化系统 | 7.69 | 39.5 | 2017 | 100 |
WE-NET项目(氖预冷) | 7 | 47 | 2004 | 300 |
Stang混合制冷氢液化系统 | 7 | 60 | 2006 | — |
Krasae-in混合制冷四级Joule-Brayton循环 | 5.91 | 0 | 2014 | 100 |
Zhang & Liu预冷Claude循环结合Joule-Brayton循环 | 5.85 | 55.3 | 2021 | 288.9 |
Valenti四级氦气Joule-Brayton循环 | 5.76 | 50.2 | 2008 | 856 |
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