液氫裝置的氫氣安全放空

何玉輝，許 斌

(林德亞太工程有限公司，浙江 杭州 310023)

1 前 言

近年來，伴隨氫能與燃料電池汽車產業的興起，氫的制取、儲存、運輸、應用技術已成為備受關注的焦點。在氫能產業的規?；l展中，液氫相較于氫氣在儲存及運輸效率方面更具明顯優勢，因此液化氫在氫能儲運方面很可能成為未來的主流方向。林德作為全球領先的工業氣體和工程公司，也是全球氫能應用的先驅公司之一，涉足氫能領域超百年，具備全球領先的液氫裝置設計制造及生產能力。

液氫是由氫氣經過氦制冷或液氮制冷的方式降溫得到的液體。當裝置在啟動和生產運行中出現波動時，會通過閥門排放一定量的氫氣及液態氫。通常在不考慮回收這些氫氣的情況下，這部分氫氣將通過火炬燃燒后排放，經查閱CGA G-5.5[1]資料可知，也可通過氫氣放空筒直接排放。根據相關工程經驗，放空筒相對火炬系統具有造價低、運行維護成本低等優勢。

氫氣是一種極易燃燒的氣體，無色無味且無毒，爆炸極限為4%～75.6%(體積分數)。氫氣在常壓下冷卻至-253℃時會成為透明液體，除氦氣以外的其他氣體在此溫度下均會被液化或凝結。如不慎接觸到皮膚和其他組織，會導致嚴重的凍傷。若未合理設計液氫裝置的放空系統，氫氣或液氫排放時會存在低溫凍傷、火災及爆炸等風險。因此，如何合理設置放空系統以替代火炬系統，使液氫裝置通過放空筒安全排放氫氣是迫切需要解決的技術難題。特別是在現有標準及文獻中均未明確提及如何確定氫氣放空筒高度的情況下。

2 氫氣液化裝置典型工藝流程

以林德公司在韓國2套產量為15 t/d的液氫裝置為例，該裝置采用液氮預冷氫氣冷卻循環的工藝，簡要工藝流程如圖1所示。裝置主要由液氫冷箱、氫氣壓縮機、液氫儲罐、充裝系統及配套的液氮系統等單元設備組成。氫氣的液化流程主要分為3個步驟。

1. 液氫冷箱；2. 氫氣循環壓縮機；3. 氫氣壓縮機放空；4. 液氫放空加熱器；5. 液氫冷箱氫氣放空；6. 氫氣回收加熱器；7. 液氮冷箱；8. 液氮儲槽；9. 液氫儲罐；10. 儲罐氫氣放空；11. 液氫充裝；12. 液氫槽車置換；13. 槽車氫氣放空圖1 液氫裝置工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of liquid hydrogen unit

1. 氫原料氣由液氮預冷到80 K，經吸附器吸附后去除微量的雜質，如氮氣、甲烷、氧氣等，以提高產品的純度，并避免污染物在冷箱內凝結。

2. 氫氣進一步由閉式的氫制冷循環冷卻，在冷卻過程中逐步催化進行正-仲氫轉化，其所需的冷量由氫氣膨脹機提供。

3. 低溫氫氣最終由節流循環冷卻至20 K，液化并完成正-仲氫轉化。

液氫經真空管輸送至液氫儲罐，液氫槽車在充裝站內進行充裝。

3 氫氣排放系統及解決方案

3.1 氫氣排放場景

由液氫裝置工藝流程圖可以看出，該裝置運行中主要由以下幾種設備向環境排放氫氣或液氫。

1. 液氫冷箱。在冷箱啟動冷卻階段或停車后，會排放一定量的低溫氫氣和液氫，排放頻率較低，持續時間較短；在正常運行時，會間歇排放少量用于吸附劑再生的氫氣。

2. 液氫儲罐。在儲罐冷卻階段，排放一定量的低溫氫氣和液氫；在正常運行時，排放少量的蒸發氣。

3. 液氫充裝站。排放用于置換、冷卻的氫氣及少量的氮氣和氦氣。

4. 氫氣壓縮機。在啟動或停車階段，排放常溫氫氣。

此外，考慮當裝置處于異?；蚴鹿薁顟B時，如冷箱保溫失效造成超壓引起放空閥或安全閥排放等情況，排放介質為常溫或低溫氫氣，排放量大，但排放概率低且持續時間短。

3.2 放空筒的布置

該液氫工廠位于工業園區內，整體布局緊湊，周邊緊鄰其他工廠，無空間布置火炬系統，因此采用放空筒的形式向外排放氫氣。鑒于以上原因，需合理的設計放空筒及排放系統，使液氫及氫氣安全放空。林德公司在統計所有排放源后，結合平面布置，制定了如下排放方案，液氫工廠平面布置如圖2所示。

1. 常溫氫氣放空筒；2. 低溫氫氣放空筒；3. 液氫冷箱；4. 氫氣壓縮機；5. 液氫儲罐；6. 辦公室圖2 液氫工廠平面布置圖Fig.2 Layout plan of liquid hydrogen plant

將常溫氫氣和低溫氫氣/液氫分別放空，來自壓縮機區域的常溫氫氣密度小、易擴散，需要的放空高度較低，可在壓縮機區域內收集后集中排放，放空筒位于布置圖中①所示位置。來自液氫冷箱、儲槽及充裝站的低溫氫氣及液氫由于排放量相對較大，且密度高、不易擴散，可能影響周邊的設備，需要將放空筒設置在工廠相對空曠處，如圖中②所示位置。

液氫冷箱和儲罐冷卻階段排放的液氫在復溫后進行排放，需氣化后經低溫氫氣放空筒排放。

低溫氫氣匯集管及放空筒需采取相應的措施，避免外管壁附近的空氣液化，出現液氧富集的情況。

低溫放空筒除設置阻火器外，還需采取一定的措施避免雨水進入放空筒內，導致放空筒結冰堵塞。

3.3 放空筒高度的確定

放空筒位置確定后，需要確定放空筒的高度。在這個項目中，計算壓降和流速后可確定放空筒的直徑[2]，放空筒高度用后果模擬的方式確定。后果模擬計算采用DNV Phast軟件，模擬計算各放空場景下氫氣擴散后可燃氣云的閃火范圍，燃燒的氣體產生噴射火的熱輻射效應及蒸氣云爆炸引起的峰值超壓等因素。結合工廠內設備距放空筒的相對距離、中控室等人員密集的建筑物位置和抗爆強度及周邊臨近工廠的情況，分別來確定常溫和低溫放空筒的高度[3]。放空筒的高度應能夠保證在任何情況下，排放出的氫氣擴散至周邊非防爆區域的設備、操作平臺及鄰近工廠的濃度低于爆炸下限；排放時發生燃燒的情況與火炬原則相同，放空筒的高度需滿足相應的熱輻射強度限值；并考慮極端情況下，若發生蒸氣云爆炸時，由此產生的爆炸載荷不應超過工廠及周邊人員密集場所建筑物的結構承載力。

林德公司的這套液氫裝置，在氫壓機發生超壓安全閥開啟后向常溫放空筒排放1.6 kg/s的氫氣?；谏鲜鲈瓌t，模擬計算結果顯示在臨近液氫儲罐能承受的熱輻射限值3.2 kW/m2[4]的情況下，常溫氫氣放空筒需設置高度為25 m。低溫放空筒在液氫儲罐事故狀態下，排放6.3 kg/s的氫氣。由于低溫氫氣密度較大、不易擴散，需將放空筒高度設置為55 m。圖3為DNV Phast軟件計算在某些不利氣象條件下，工廠在事故狀態下排放的氫氣在排放口燃燒后，臨近廠房屋頂高度，熱輻射強度3.2 kW/m2[2，4]的影響范圍。

圖3 低溫氫氣放空筒3.2 kW/m2熱輻射影響范圍Fig.3 Low temperature hydrogen vent cylinder 3.2 kW/m2thermal radiation influence range

計算結果顯示，在排放高度為55 m時，不考慮太陽輻射強度，事故放空時氫氣燃燒產生的熱輻射不會影響臨近工廠廠房和廠區內的液氫儲罐。

此外，采用Baker Strehlow模型計算發生蒸氣云爆炸時的沖擊波，圖4顯示某惡劣天氣環境下，液氫儲罐安全閥在事故狀態下排放的氫氣發生蒸氣云爆炸產生沖擊波強度影響的范圍。所涉及人員密集的建筑物，如布置圖中⑥所在的辦公室，其距離低溫放空筒約150 m處，所受沖擊波入射超壓約為7 kPa，峰值動壓約8 kPa，由此提出辦公室的結構承載力應高于此數值。

圖4 低溫放空筒蒸氣云爆炸產生沖擊波入射超壓影響范圍Fig.4 Impact range of incident overpressure of shock wave generated by steam cloud explosion in low-temperature vent cylinder

3.4 其他技術要求

確定放空高度后，依據CGA G-5.5[4]和EIGA Doc 211/17[5]的建議采取了相應的措施，如液氫冷箱和儲罐冷卻階段排放的液氫需采用空溫式汽化器復熱，汽化器出口溫度不低于氧沸點溫度，確保失氣、失電情況下，液氫均能被氣化，避免液氫噴濺風險的同時也避免了排放匯集管表面氧氣液化富集的現象。

低溫氫氣匯集管采用包覆保溫材料的方式，以隔絕空氣，避免因外管壁的空氣液〗化導致液氧富集的情況。

放空筒排放口設置阻火器，出口采用防雨設計。放空管下部設置有集液盤，用于收集放空管表面凝結的液氧。

4 結 論

對于布置面積緊湊或由于其他原因不方便設置火炬系統的液氫工廠,可采用放空筒排放工廠在調試、運行及事故狀態下排放的氫氣。為實現安全放空，放空系統排放液氫工廠的氫氣時應考慮因素有以下幾點。

1. 應充分考慮排放源的排放因素(介質、壓力、溫度、相態、流量等因素)，合理設置放空系統，如根據排放源壓力或溫度的不同分別設置放空系統。

2. 通過后果模擬計算的方式，計算氫氣擴散云圖的范圍，排放后發生燃燒時噴射火的熱輻射強度及發生蒸氣云爆炸時對周邊人員密集建筑物的沖擊波入射強度，合理設置放空筒的位置及高度。

3. 采取相應措施降低液氫經放空筒產生的噴濺及匯集管和放空筒等低溫表面液氧凝結的風險。