1、C H I N A V E N T U R E C A P I T A L68科技技术应用 |TECHNOLOGY APPLICATION一、储氢罐的特点和应用储氢罐由储氢材料，容器，导热机构，导气机构和阀门五部分组成。储氢罐的储氢材料经过几次活化处理后就可以用来正常地储存氢气。储氢罐既可以用来收集储存氢气，也可以为需要氢气的装置提供氢气，储氢罐供氢方式具有以下特点：储氢容量大；从体积角度看，它的储氢量比固态和液态氢都要高；安全性好；氢气纯度高。二、储氢材料的应用1. 储氢合金“储氢合金”的材料具有可逆的吸放大量氢气的特性。氢能与许多金属合金或金属间化合物反应生成金属氢化物，并释放出热量；金属
2、氢化物受热时释放出氢气，用反应式可以表示为：2/nM + H2 2/nMHn+ H ( 热 ) 2. 储氢合金热力学知识氢在金属中的吸收和释放，取决于金属和氢的相平衡关系，影响相平衡的因素为温度压力和组成。大于A点后，氢化反应开始，此时金属中氢浓度显著增加，而氢压几乎保持不变，反应生成金属氢化物，称为 相，至 B 点氢化反应结束。AB段、两相共存后，压力恒定，等温线上出现一个平台阶。其对应的压力为氢的平衡压力，氢浓度为金属氢化物在相应温度时的有效氢容量。显然，高温生成的氢化物具有较高的平衡压力，同时有效氢容量减小。从A到B，相逐渐转化为相，超过 B 点，形成 相固溶体。B 点以后可能出现新相
3、相和新的台阶。压力与温度间的关系可以描述为 :LnPH2= H0/RT - S0/R其中： H0和 S0分别为吸氢反应的热焓和熵，R 为气体常数，T 为绝对温度。在很大的温度范围内，二者呈严格的直线关系；据此图可以求出 H0和 S0的值。三、储氢罐的结构设计1. 设计的特点储氢罐是特殊压力容器，必须具有一般压力容器不具有的，如高密度储氢、存放氢气方便自由等特点。采用三层包裹式设计，最里层（简称里层）用来存放金属合金；中间层是保温层，是为里层提供热能源服务的（温水）；最外层（简称外层）是保护层，用来抗外界腐蚀和保护保温材料。下图为本次设计的截面图。1- 外层 2- 保温材料 3- 保温层 4-
4、里层2. 氢腐蚀钢材受高温高压的氢气作用而变脆甚至破裂的现象称为氢腐蚀。在合成氨、合成甲醉、合成橡胶、石油加氢等工业应用中许多反应过程都是在高温高压的氢介质中进行的，因此，钢制设备均可能遭受严重的氢腐蚀。 钢材发生的氢腐蚀可分为两个阶段，即氢脆阶段和氢侵蚀阶段。氢侵蚀阶段：当温度和压力较高，或者钢材与氢气接触的时间很长，则钢材将由氢脆阶段发展为氢侵蚀阶段、溶解在钢中的氢将与钢中渗碳体发生脱碳反应生成甲烷。浅谈储氢材料的应用及储氢罐结构设计中国石油兰州石化公司污水处理厂 徐 波Fe3C十2H2 3Fe + CH4Fe3C 3Fe + C C + 4H CH4随着反应的不断进行钢中渗碳体不断脱碳变
5、成铁素体，并不断生成甲烷，而甲烷在钢内扩散困难，积聚在晶界原有的微观空隙内、随着反应的不断进行而愈聚愈多，产生很大的内压力，形成局部高压、造成应力集中，使细微的空隙开口、扩大、传播、引起钢材中出现大量细小的晶界裂纹和气泡，这就使钢的强度和韧性大为降低(不可逆的)，甚至开裂，导致设备破坏。产生氢腐蚀的钢材，出于裂纹很小而数目很多、从外观上又很难凭肉眼直接观察到明显的痕迹，往往设备突然出现破裂，所以氢腐蚀是一种很危险的腐蚀。3. 储氢罐的选材储氢罐属于特殊压力容器，选材方面将考虑使用条件（如设计温度、设计压力、介质特性、操作特点等）、材料的焊接性能 、容器的制造工艺以及经济的合理性。实际温度大于
6、20与氢气环境接触的容器用钢是根据设计温度和氢分压按纳尔逊曲线来选择材料。如设计储氢罐的设计压力为 6.4Mpa，容积为公称容积为 5.0L，外径为 120mm，属于中压容器。此次选材内筒主要考虑抗氢蚀的材料。通过比对国产主要抗氢钢及其化学成分，选择 15CrMo 钢管作为设计的里层筒体材料（封头和底端选择 15CrMo 钢材）。保温层和外层选用目前国内压力容器使用最广泛的钢板16MnR（它是屈服点为 340MPa 的压力容器专用钢板）。4. 直筒壁厚的设计里层筒体的最小壁厚计算S= = =2.33mm其中 e为材料热处理后的屈服应力保证值为 295MPaDo 为钢瓶筒体外径 =120mmPk
7、为水压实验压力 =9.6MPaF 为设计应力系数 a. 对正火或正火后回火处理的钢瓶设计，F 取 0.82b. 对淬火后回后处理的钢瓶设计，F 取 0.77同时满足下面公式且不得小于 1.5mmS =1.48mm5. 焊材的选择由于储氢罐的主体选择的是Cr-Mo钢，应选择为铬钼耐热钢电焊条。具体型号为 E5515-B2 牌号为 R307 的焊条作为里层焊条，型号为 E5503 型号为 J506 的焊条作为保温层和外层的焊条。6. 绝热材料的选择根据绝热材料的温度、热导率、强度、不燃性、容量密度、吸水率、腐蚀性等方面综合考量，选择超细玻璃棉毡为的保温材料，由于水浴厚度 30mm，可取绝热材料厚度
8、为 45mm。四、结束语氢能源是未来社会的新能源和清洁能源之一，它的关键技术之一就是安全而经济地储存和输送。由于钢瓶高压器贮运及液态氢贮运方式存在不安全、耗能高、经济性差等缺陷。通过对储氢材料的应用研究和结构设计，可以利用金属氢化物贮氢材料进行储氢。金属氢化物储氢密度比液氢高，氢以原子态储存于合金中，当它们重新释放出来时，经历扩散、相变、化合等过程，受到热效应与速度的制约，保证了储氢的安全性和实用性，具有广泛的应用前景。参考文献：1丁伯民 蔡仁良 压力容器的设计原理及工程应用 中国石化出版社.2王志文 化工容器设计 第二版 1998年5月.3任凌波 任小蕾 压力容器的腐蚀与控制 第一版 2003年8月.摘 要 ：氢能源作为未来新能源之一，在能量领域中，占据着极其重要的地位。氢的储存方式是多种多样的，但是传统的氢储存方式将不再能满足大量储存氢的要求，安全、经济、高效率的金属合金储氢方式很好的解决了这一问题。通过对金属储氢合金的研究，找到了金属氢化物的储存原理和储存原始条件等，根据储氢合金的工艺条件可以为金属氢化物储氢罐进行专门设计。通过对对储氢罐体的研究，从选材、材料腐蚀、罐体的计算、焊接材料等入手，设计出了一个具有安全、经济、高效的储氢罐。关键词 ：氢能源；储氢材料；氢腐蚀；选材；封头
