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氢气输运能耗问题

已有 1613 次阅读 2022-5-14 10:34 |个人分类:节能减排|系统分类:论文交流

氢气输运能耗问题



根据热力学一般关系式:

dh=Tds+vdp                           (9)

由于节流过程(dh=0)是典型的非平衡过程,过程的熵变就是节流过程的熵产。


 image.png                         (10)

式中,为流体比容;T为流体的绝对温度。

(10)的物理意义在于节流导致流体压力降低,即dp<0,因此流体输运的熵产永远为正。由于式(10)是根据热力学一般关系式推导出来的,没有针对任何介质,因而具有普遍意义,即可以根据流体物性估算流动阻力导致的熵产,继而计算输运能耗。式(10)告诉我们,流体比容越小,温度越高,熵产随节流压降的变化率越低,这意味着输运能耗越低。显然,液体输运的熵产要低于气体,这意味着石油的管道输运能耗会远低于天然气。

对于理想气体pv =RT,上式可以写成:


image.png                (11)

式中,RM为通用气体常数,RM=8.314J/(K·mol)Mn为输运气体分子量,g/mol

从式(11)不难看出,理想气体输运熵产与输运压力成反比,压力越高,熵产越小。这与电能输运特性一样,电压等级越高,相同功率输运的电流越小,输运网损越小。另外,从式(11)还可以看出,输运的气体分子量越小,相同条件下的输运熵产越大,输运内禀能耗高。而要降低输运能耗,除提高输运压力外,还必须降低管道压降,亦即需要更低的流速,而这会导致输运管道直径增大,投资增大,输运成本增大。图1给出了不同气体燃料以理想气体性质计算的节流熵产随节流压降的变化率。

从图中可以看出,氢气的输运熵产随节流压降的变化率之绝对值远大于其他气体燃料,这是因为氢气的分子量最小,其内禀输运能耗最高的缘故。根据式(11),在其他条件相同的情况下,氢气的输运能耗是甲烷的8倍,乙炔的13倍,一氧化碳和乙烯的14倍,乙烷的15倍。因此,如果其作为能源利用,并采用管道输运,那么其输运能耗会高的惊人。

 

1  不同气体燃料以理想气体计算的节流熵产随压降的变化率

 

为便于对比分析,这里简要介绍一下西气东输工程的耗能问题。从新疆轮南至郑州2511km,西气东输管线的损耗率在4.53%的水平,与电网输电能耗比,也属于一个很低的水平,但这是以巨额投资换来的。经核算,天然气管内流速只有4m/s的水平,比燃煤火电厂30~60m/s的蒸汽流速低很多,因而需要更大直径的管道来输运,从而造成投资规模的显著增大,能源成本必然居高不下。

西气东输工程是当年的国家重点工程,投资额超过3000亿元人民币,年输气120亿立方。如果以30年工程使用寿命计算,静态折旧成本0.83/m3。试想,天然气的输运尚且如此,氢气的输运要困难许多,成本亦会高许多。

氢气输运的困难已得到广泛认知。为克服氢燃料运输的困难,有人提出以甲醇(CH4O)甚至氨(NH3)作为氢的载体,但是,从燃料可燃性的视角,甲醇中的O和氨中的N都是无效成分,会显著降低“氢”作为燃料的输运效率,且不讲甲醇和氨的制备以及还原成氢存在的各种损耗。甲醇(CH4O)中质量比重占50%O属于废物,氨(NH3)中质量比重超过80%N属于废物。我国动力煤的灰份占比为20%~40%,作为燃料,甲醇和氨的运输效率将不及动力煤。




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