氢液化装置产业化与研究进展_孙潇.pdf

化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 3 期氢液化装置产业化与研究进展孙潇1，2，朱光涛1，裴爱国3（1 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663；2 清华大学电机工程与应用电子技术系，北京 100084；3 中国能源建设股份有限公司，北京 100022）摘要：液氢能量密度高，作为氢的储运形式在远距离运输上具有成本优势。在减碳政策引导下，全球范围内液氢市场将进一步扩大，但氢液化装置能耗过高制约了液氢市场的发展。本文聚焦于国内外氢液化装置产业化现状，调研了国内外液氢产能和氢液化装置供应商；回顾了国际上两个典型氢液化装置的建设情况、流程特点和关键性能指标；梳理了近几年文献公开的氢液化流程的预冷方式、液氢产量和能耗，并且详细介绍了日本WE-NET项目和欧洲IDEALHY项目的氢液化流程；总结了氢液化装置的技术难点和发展现状。分析表明，低能耗氢液化流程设计已相对成熟，提升核心设备的效率和可靠性、完善液化过程的动态控制策略是推动氢液化装置产业化的关键。大型氢液化装置实现规模效应、小型氢液化装置提升启停能力是两个重要的发展方向。关键词：氢；液化；制造；热力学过程；优化设计中图分类号：TK91；TB661 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）03-1103-15Industrialization and research progress of hydrogen liquefierSUN Xiao1，2，ZHU Guangtao1，PEI Aiguo3(1 China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Company Limited,Guangzhou 510663,Guangdong,China;2 Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China;3 China Energy Engineering Company Limited,Beijing 100022,China)Abstract:Liquid hydrogen has high energy density,and it has cost advantage in long-distance transportation.Under the guidance of carbon reduction policies,the global liquid hydrogen market will be further expanded.However,the liquid hydrogen market is restricted by the high energy consumption of hydrogen liquefier.This study focused on the industrialization status of hydrogen liquefier.First,domestic and foreign liquid hydrogen production capacity and liquefier providers are investigated.Then,the construction status,thermodynamic process and key performance parameters of two typical hydrogen liquefiers are reviewed.Further,the pre-cooling methods,liquid hydrogen production capacity and energy consumption of hydrogen liquefaction processes published in recent years are summarized,and the hydrogen liquefaction processes of WE-NET project and IDEALHY project are introduced in detail.In addition,the technical difficulties of hydrogen liquefier are described.The analysis showes that improving the efficiency and reliability of core equipment and developing the dynamic control strategy of liquefaction process are the keys to promote the industrialization of hydrogen liquefier.Large-scale hydrogen liquefier to achieve scale effect and small-scale hydrogen liquefier to improve the start-stop 特约评述DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0899收稿日期：2022-05-16；修改稿日期：2022-06-13。基金项目：中国能源建设股份有限公司重大科技项目；中国能建广东院科技项目（EV10071W）。第一作者及通信作者：孙潇（1993），女，博士，研究方向为低温工程。E-mail：。引用本文：孙潇,朱光涛,裴爱国.氢液化装置产业化与研究进展J.化工进展,2023,42(3):1103-1117.Citation：SUN Xiao,ZHU Guangtao,PEI Aiguo.Industrialization and research progress of hydrogen liquefierJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(3):1103-化工进展，2023，42（3）speed are two important development directions.Keywords:hydrogen;liquefaction;manufacture;thermodynamics process;optimal design氢能是一种应用广泛的二次能源，正逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一。我国已成为世界上最大的制氢国，年制氢量约3300万吨，氢气供需错配、用氢成本高的问题已经凸显。降低氢气储运成本是降低用氢成本的主要路径之一1。天然气掺氢管道运输尚处于起步阶段，安全保障还面临许多挑战2。受限于安全管理标准等问题，我国陆上运输以常温高压氢为主。对比常温高压氢（300K、25MPa）、液氢（20K、0.15MPa）、低温高压氢（80K、25MPa）这三种储运方式，当运输距离不超过100km时，常温高压氢的比能耗最低；输运距离在100550km之间时，低温高压氢的比能耗最低；输运距离大于550km时，液氢的比能耗最低3。随着运输里程增加，液氢运输的经济性优势更加突出4。2022年3月，国家发展和改革委员会、国家能源局联合印发的氢能产业发展中长期规划（20212035年）明确指出要推动低温液氢储运产业化应用。液氢不仅在远距离储运上具有成本优势，本身还是一种高能量密度燃料。先进的大推力运载火箭发动机普遍采用液氢作为推进剂，民用重卡和商用飞机也将液氢作为碳减排的重要抓手。2020年9月，北汽福田汽车股份有限公司公布了全世界第一款液氢重卡，为长续驶里程重卡提供了更高效的储氢方案。2020年，空客公司公布了3种氢动力飞机构型，均使用液氢储罐储氢，预计将在 20302035年实现100座级以上氢动力客机的商业化5。俄罗斯中央航空发动机发展研究所计划在2022年开始研究将VK-2500发动机转换为使用液氢作为燃料和制冷剂，预计在2035年后完成氢能飞机示范机5。由于液氢汽化可以较容易地获得超纯氢，液氢还销往高端制造、冶金、电子和食品等需要超纯氢的行业。氢液化装置是获取液氢必不可少的设备，由于氢的液化温度极低（-253）且存在特殊的正仲氢转化现象，氢液化装置技术含量很高，科技部国家重点研发计划连续三年支持氢液化装置相关技术攻关。本文将重点介绍国内外氢液化装置产业化现状，分析典型氢液化装置的技术路线和技术指标，总结最新的氢液化流程研究成果，明确氢液化装置关键技术，为国产化氢液化装置的发展提供参考。1 氢液化装置产业化现状1.1 国际产业化现状从截至2022年4月已公开发表的文献来看，不同研究者关于全球液氢产量的报道略有出入（表1）。一方面是因为没有国际权威机构来统计全球的氢液化装置及液氢产量；另一方面，航天领域消耗大量液氢但有保密的需求，相关数据不公开。由表1可知，全球液氢产量接近500t/d，其中美国是全球最大的液氢市场。考虑到加拿大的液氢产能也服务于美国市场，美国实际消耗的液氢占全球的80%以上。欧洲和亚洲的液氢产量相当，在30t/d左右。欧洲的5座氢液化装置分布在法国、德国和荷兰，亚洲的氢液化装置分布在中国、印度和日本7。此外，俄罗斯拥有的氢液化装置服务于航天火箭发动机，澳大利亚拥有的氢液化装置通过船运将液氢出口到日本，但这两个国家尚未公开其液氢产能。近两年，美国仍在持续建设液氢工厂。空气化工产品在德克萨斯州的La Porte新建的液氢工厂产能约30t/d，于2021年10月投产8。空气化工产品还计划在亚利桑那州的Casa Grande建造和运营一个产量10t/d的绿色液氢工厂，预计于2023年投入运营，液氢将销往加利福尼亚州等需要零碳氢燃料的地区9。韩国目前没有氢液化装置，但在韩国氢能政策的引导下，大企业纷纷入局氢液化市场。韩国斗山重工与法液空合作将在昌源建设韩国首座液氢工厂以促进韩国清洁交通的发展，液氢产量5t/d，预计2023年投产。韩国化工巨头晓星集团将与林德合作在蔚山市建设世界上最大的液氢工厂，预计年产液氢1.3万吨（约35.6t/d），为10万台氢燃料电池车供氢10。SK 集团负责氢能业务的 SK E&S 计划到2023年投资5000亿韩元，在仁川市建设年产3万吨表1国际上主要区域的液氢产量单位：t/d文献Krasae-in等（2010）12Aasadnia和Mehrpooya（2018）7Decker（2019）13陈双涛等（2020）14Elgowainy和Frank（2022）15美国214214241326206加拿大8181518057欧洲29.429.42024亚洲（含中国）20.629.233.538.3中国0.60.62.54仅统计了该论文中报道的仍在运行的氢液化装置。11042023年3月孙潇等：氢液化装置产业化与研究进展（约82.2t/d）的液氢工厂，由法液空提供氢液化装置11。韩国到2024年预计将拥有120t/d的液氢产能。全球的氢液化装置基本由林德、法液空和空气化工产品这三家大型工业气体公司提供，各公司均拥有产能30t/d的氢液化技术。林德总部位于德国，于1879年成立，在2018年并购普莱克斯（Praxair）后成为全球最大的工业气体供应商。北美约一半的氢液化装置由普莱克斯提供，欧洲约一半的氢液化装置由林德提供，中国第一套进口氢液化装置来自林德。法液空总部位于法国，于1902年成立，是全球第二大工业气体供应商，为欧洲提供约一半的氢液化装置，美国、加拿大、日本、中国均有法液空的氢液化装置。空气化工产品总部位于美国，于1942年成立，为美国提供超过一半的氢液化装置，尚未向中国市场提供氢液化装置。此外，氢能解决方案提供商普拉格能