基于氫化鎂(MgH2)固態運輸的加氫站技術方案

1 概述

截至2022年5月，我國已累計建成加氫站超過250座，約占全球數量的40%，加氫站數量位居世界第一

。目前，國內加氫站供氫方式主要采用高壓氣態運輸，以氫氣長管拖車運輸到站內。隨著氫能產業的發展，加氫站供氫方式日趨多樣化。本文對比分析氫的運輸方式，分析氫化鎂(MgH

)性質，從總平面布置、工藝流程、氫氣壓縮機的選擇、安全設計及管理方面探討了供氫方式采用MgH

固態運輸的加氫站技術方案。

2 氫的運輸方式及MgH2的物理性質

2.1 氫的運輸方式

隨著氫能產業的發展，加氫站供氫方式采用液態運輸、固態運輸、有機液體運輸逐漸提上日程。氫運輸方式技術比較見表1。

從表1可看出，氫氣長管拖車運輸結構簡單，成本較低，安全可靠，儲氫密度低，適合短距離運輸。液氫槽罐車運輸儲氫密度高，適合長距離運輸，但能耗較大且運輸中液氫有損耗。固態運輸采用MgH

固態運輸，儲氫密度高，壓力低，無需隔熱，安全性好。有機液體運輸常溫常壓，安全方便，儲氫密度高，但技術操作條件苛刻。

2.2 MgH2的性質

MgH

由于氫含量高(質量分數約7.6%)、儲量豐富、價格低廉、質量輕和可逆性好，并且在干燥空氣中非常穩定，運輸很容易，被廣泛認為是最具應用前景的儲氫材料之一。MgH

在干燥空氣中安全穩定，在通常的空氣中，會慢慢地吸收空氣中的水分而分解放出氫氣。MgH

可以通過水解和熱解兩種方式來制備氫氣。

氫化鎂和水反應，生成氫氣和氫氧化鎂：

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

3 加氫站技術方案分析

3.1 總平面布置

總平面布置見圖1。

采用文獻[27]Molish法對20%vol和72%vol紅棗白蘭地的致濁物進行定性分析，實驗結果，20%vol未出現紫紅色環，72%vol出現紫紅色環。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，與紅外光譜圖結果相吻合。

本文中額定流量指在標準狀況(0 ℃、101.325 kPa)下的流量。加氫站主要設備有：

導熱油爐橇1臺，進口溫度385 ℃，出口溫度390 ℃，工作壓力1.32 MPa，額定熱功率600 kW。

在建設新工科這一宏偉藍圖之下，產教融合也具有了新的時代特征。從《國務院辦公廳關于深化產教融合的若干意見》中可以總結出以下幾點。

氫氣壓縮機A，額定流量500 m

/h，進口壓力0.1～0.2 MPa，出口壓力20.0 MPa。氫氣壓縮機B，額定流量500 m

/h，進口壓力20.0 MPa，出口壓力45.0 MPa。

氫氣儲氣瓶組A，為地上固定式，1組共6個氫氣儲氣瓶。單瓶容積2.33 m

，總容積14.0 m

，最高工作壓力20.0 MPa。氫氣儲氣瓶組B，為地上固定式，1組共9個氫氣儲氣瓶。單瓶容積1.0 m

，總容積9 m

，最高工作壓力45.0 MPa。

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

換熱器1臺，冷卻水流量7 m

/h，冷卻水進口壓力0.5 MPa，氫氣質量流量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，八宿縣郭慶鄉尼恰村恰頂自然村和拉交村持續發生牦牛死亡，3月4日接到報告后，于3月5日到病發地開展調查診治。根據實地調查情況，截止3月6日，2個村累計發現具有明顯癥狀的病畜283頭、死亡213頭，發病率9.4%，病死率達75.27%。

加氫站的關鍵設備是氫氣壓縮機。加氫站用氫氣壓縮機主要有3種類型：隔膜式壓縮機、氫氣增壓泵(氣驅或液驅)、離子液壓縮機。這3種壓縮機優缺點如下：

導熱油爐冷水機組1臺，制冷量150 kW，冷卻水流量20 m

/h，出水溫度7 ℃。

壓縮機A冷水機組、壓縮機B冷水機組，各1臺，制冷量35 kW，冷卻水流量6 m

/h，出水溫度15 ℃。

加氫機冷水機組，1臺，制冷量58 kW，冷卻水流量7 m

/h，出水溫度-10～0 ℃。

加氫機A、加氫機B，各1臺，額定質量流量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？高在透過生活的層面去發現、去發掘、去探求，就像哥倫布發現新大陸，他人也可以發現，不過他先發現了，就隔那么一點兒；高在對生活篩選、精選、解析，特別是那種不可模仿的敏銳的獨特視覺，還有尷尬的竊視。

自熊彼特以來，技術創新與產品市場勢力的關系一直是研究的重點和難點之一。合作創新與產品市場勢力的關系成為該分支的最新拓展。學者們從各自的視角出發，在不同的分析框架下，得出了大相徑庭的結論。有一類靜態分析框架模型認為，合作研發影響企業間生產成本的差距，從而改變產品市場結構和企業產品市場勢力。利用這個框架分析的學者，可以在一個模型中同時考察合作創新的研發投資、產品市場勢力、利潤以及社會福利績效，但是卻無法體現變量之間跨期的影響作用。為了彌補這個缺陷，學者們引入了動態模型，以期刻畫企業合作研發行為對長期定價，進而對產品市場勢力的影響機制。

(1)使用時間序列微觀數據來研究中國農村收入不平等得到的結果更為精準與可靠，研究結果表明1986—2003年間中國農村地區收入不平等不斷擴大，而2003—2014年呈不斷縮小的趨勢，但是目前的收入不平等仍然較大。通過基尼系數可知，目前的收入不平等仍處于收入差距較大的區間，并且高于國際警戒線，雖然開始逐漸縮小，但是這個縮小的速率在降低，未來收入不平等下降可能趨于平緩，還需進一步采取措施降低中國農村地區的收入不平等。

氫氣緩沖罐1臺，容積為1 m

，最高工作壓力0.2 MPa。

氮氣瓶組，為地上固定式，1組共9個氮氣瓶，單瓶容積40 L，總容積360 L，最高工作壓力15.0 MPa。

氫氣增壓泵(氣驅或液驅)采用傳統活塞結構，但是活塞與缸體之間的密封采用高分子耐磨材料，不使用潤滑油，也不會給氫氣帶來污染，同時采用活塞結構相較于金屬膜片結構不需要嚴密的壓差控制。增壓泵的單級壓縮比小，排氣壓力低，需另配液壓或氣壓驅動單元，但可多級串并聯達到大排氣量，且進氣壓力范圍較寬，允許壓縮比在一定范圍內變化，可以直接啟動，適合頻繁啟停。缺點是能耗較高。

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，見圖2。導熱油爐橇中的循環泵需在80 ℃左右工作，由導熱油爐冷水機組提供冷卻水。

MgH

運輸車上的MgH

在導熱油的加熱下開始放出氫氣，通過氫氣壓縮機A升壓到用戶需要的壓力(設定為20 MPa)并儲存至氫氣儲氣瓶組A。當控制系統檢測到卸下的氫氣達到預設值時，自動停止卸氫，完成整個卸氫流程。來自氫氣儲氣瓶組A的氫氣通過氫氣壓縮機B增壓至45 MPa并儲存至氫氣儲氣瓶組B。在氫氣壓縮機B前總管道上設置緊急切斷閥，用于緊急情況下對氣源的切斷，且氫氣壓縮機設置必要的聯鎖控制系統。氫氣儲氣瓶組B中的氫氣由管道輸送至加氫機，經加氫機加注到氫燃料電池汽車內，當氫氣儲氣瓶組B壓力較低時，可從氫氣壓縮機B經加氫機加注到氫燃料電池汽車內。加氫機上安裝壓力傳感器、過壓保護裝置、軟管拉斷保護裝置等。

3.3 氫氣壓縮機的選擇

順序控制柜1臺，額定流量1 200 m

/h，最高工作壓力45.0 MPa。

此加氫站設計規模為500 kg/d，占地90.0 m×55.0 m。總平面布置按功能劃分為站房、加氫罩棚、工藝裝置區、卸車區、輔助用房、消防泵房及消防水池。站房為單層建筑，設置有營業室、辦公室、控制室、衛生間等。加氫罩棚下設置2臺加氫機和1臺換熱器。將站房和加氫罩棚面向站外道路布置，方便車輛出入。工藝裝置區屬易燃易爆危險場所，盡量避免外來人員進入，同時考慮管線布置順暢，將工藝設備集中布置。從安全角度考慮，將卸車區放置于工藝裝置區內。換熱箱布置在工藝裝置區緩沖罐西側，卸車區南側。卸車區設置1個MgH

運輸車停車位。輔助用房為單層建筑，設置有發電機房、配電室等。MgH

運輸車卸車端設置防火墻，作為圍墻的一部分。加氫站進、出口分開設置，面向進、出口道路的側面開放，其余側面設置高度2.5 m的不燃燒實體圍墻。

基于以上結論，得到以下幾點政策建議：一，加大對農民培訓力度，提高農戶文化水平及技術素質，適應市場變化，促進土地流轉。二，政策在宣傳推進過程中要尊重農民，保障農民的各項權益。三，大力發展第二三產業，增強其吸收農村剩余勞動力能力，鼓勵農民創業或進城務工，提高農民收入。

隔膜式壓縮機采用薄的金屬膜片將被壓縮氫氣與液壓油完全分離并實現氫氣壓縮。隔膜式壓縮機進氣壓力范圍大，單級壓縮比大，容積效率較高，但排氣量較小，對于多級(含2級)壓縮的隔膜式壓縮機，壓縮機前后條件相對穩定是保障壓縮機無故障平穩運行的基本要素，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，冷卻水進口壓力0.5 MPa，氫氣質量流量40 kg/h，氫氣最高工作壓力0.2 MPa。

離子液壓縮機是采用一種近零蒸氣壓的液體作為工質和潤滑介質，實現氫氣的無污染壓縮。離子液壓縮機可以通過設置多級氣缸，實現合理的壓縮比和較寬的壓縮范圍。液壓驅動也提高了系統整體的安全性，并且整個壓縮系統的壓縮效率比傳統壓縮機高約25%。缺點是成本較高。

加氫站用氫氣壓縮機安全設計有防爆設計、安全閥、泄漏自檢、各類報警保護超限停機等。氫氣壓縮機的安全保護裝置設置應符合GB 50516—2010《加氫站技術規范》(2021年版)。

目前分區的方法很多，常用的主要有經驗定性法、指標法、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合的方法，前者選用經驗定型法，后者采用聚類分析法。

加氫站用氫氣壓縮機應根據設計規模、排量要求、氣源特點、吸氣及排氣壓力、成本等因素綜合選取合適的類型。結合本設計方案特點，選擇隔膜式壓縮機。

3.4 安全設計及管理[3]

① 設計應嚴格執行GB 50516—2010(2021年版)及國家相關標準規范的要求。

② 根據加氫站設計經驗，工藝區氫氣管道盡量采用架空敷設，去加氫區氫氣管道采用明溝敷設，避免氫氣聚集，方便檢修。

③ 加氫罩棚盡量設計成“V”形，避免聚集氫氣。如果由于加氫機的數量與布置，加氫罩棚不能設計成“V”形，而設計成“W”形，可在罩棚頂部設置“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，需要設置一定數量的無電機渦輪排風機，可避免氫氣聚集。

④ 設計自動控制程度高的工藝流程，必要時可設置安全儀表系統。

⑤ 完善防雷防靜電系統、可燃氣體報警控制系統、緊急停車系統、火災自動報警系統、消防系統設計等。

⑥ 加氫站的安全設計很重要，運營的安全管理更重要。MgH

具有遇水釋放氫氣特性，MgH

運輸車應干燥清潔，遠離火種、熱源，防止陽光直射。根據加氫站實際情況設置警示標語，完善防火措施，完善加氫站安全管理制度，加強宣傳，并嚴格貫徹執行，做到安全生產。

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

[2] 中國氫能聯盟. 中國氫能源及燃料電池產業白皮書(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. 加氫站工藝和運行安全[J]. 煤氣與熱力，2017(9)：B01-B06.