水合物儲(chǔ)存氫氣技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析

摘 要

摘要：氫氣的儲(chǔ)存有高壓壓縮、低溫液化、金屬氫化物等多種方式，利用水合物技術(shù)儲(chǔ)存氫氣是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。從水合物儲(chǔ)氫的原理、技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和安全性方面對(duì)水合
摘要：氫氣的儲(chǔ)存有高壓壓縮、低溫液化、金屬氫化物等多種方式，利用水合物技術(shù)儲(chǔ)存氫氣是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。從水合物儲(chǔ)氫的原理、技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和安全性方面對(duì)水合物儲(chǔ)氫技術(shù)進(jìn)行了分析比較。水合物儲(chǔ)氫技術(shù)的能耗與儲(chǔ)能之比與高壓壓縮法相近，生產(chǎn)成本低于高壓壓縮法和低溫液化法，而且安全性較高，是一種潛在的高效儲(chǔ)氣技術(shù)。
關(guān)鍵詞：水合物；儲(chǔ)氫；氫氣儲(chǔ)存
1 概述
    氫能源因具有來(lái)源豐富、可再生、熱效率高和燃燒清潔等特點(diǎn)而受到廣泛重視，作為清潔能源可替代石油、天然氣和煤等短缺的化石燃料，將成為21世紀(jì)的綠色能源[1]。氫氣作為能源在我國(guó)的應(yīng)用主要集中在民用和交通領(lǐng)域，城市現(xiàn)在大力推廣天然氣，在此之前多使用人工煤氣，而人工煤氣中就含有體積分?jǐn)?shù)約50%的氫氣，這是氫作為能源在民用領(lǐng)域的主要應(yīng)用，目前仍占一定的比例。
    隨著氫能應(yīng)用研究的不斷深入，特別是氫內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)和以氫為燃料、通過(guò)化學(xué)作用產(chǎn)生電能作為動(dòng)力的燃料電池汽車(chē)技術(shù)日趨接近大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，氫的儲(chǔ)存技術(shù)顯得十分重要。從某種意義上來(lái)說(shuō)，氫氣儲(chǔ)存是氫能應(yīng)用的瓶頸技術(shù)，大規(guī)模、經(jīng)濟(jì)、高效和安全儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展將直接影響到氫能技術(shù)的推廣應(yīng)用，尤其是在車(chē)輛和移動(dòng)工具方面。美國(guó)2003年氫燃料計(jì)劃中50%的經(jīng)費(fèi)用于氫儲(chǔ)運(yùn)研究[2]，儲(chǔ)氫技術(shù)重要性可見(jiàn)一斑。
2 常用的氫氣儲(chǔ)存方法
    由于氫具有質(zhì)量輕，難以壓縮，難以液化，易燃、易爆，高壓下可透過(guò)容器壁，易與容器金屬形成氫化物而產(chǎn)生氫脆的特點(diǎn)，因此探索和尋找適用于大規(guī)模儲(chǔ)氫的技術(shù)將是一項(xiàng)重要的研究課題。常見(jiàn)的儲(chǔ)氫技術(shù)一般基于化學(xué)反應(yīng)，如通過(guò)氫化物的生成與分解儲(chǔ)氫，或者基于物理吸附，當(dāng)前大量的儲(chǔ)氫研究是基于物理吸附的儲(chǔ)氫方法[3]。
    目前，氫氣儲(chǔ)存主要有物理法和化學(xué)法兩大類(lèi)。物理法主要有：高壓氫氣儲(chǔ)存、低溫液化儲(chǔ)存、玻璃微球儲(chǔ)存、活性炭吸附儲(chǔ)存、地下巖洞儲(chǔ)存、碳納米管儲(chǔ)存(也包含部分的化學(xué)吸附儲(chǔ)存)、水合物儲(chǔ)存。化學(xué)法主要有：儲(chǔ)氫合金儲(chǔ)存、有機(jī)液態(tài)氫化物儲(chǔ)存、無(wú)機(jī)物儲(chǔ)存等形式。衡量一種氫氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的依據(jù)有儲(chǔ)氫成本、儲(chǔ)氫密度和安全性等方面。目前，氫氣一般以高壓壓縮、低溫液化、金屬氫化物、有機(jī)氫化物和物理化學(xué)吸附等形式儲(chǔ)存。衡量?jī)?chǔ)氫性能的參數(shù)主要有兩個(gè)：體積儲(chǔ)氫密度和質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度。體積儲(chǔ)氫密度為單位體積系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)存氫氣的質(zhì)量，質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度為系統(tǒng)儲(chǔ)存氫氣的質(zhì)量與整個(gè)儲(chǔ)氫系統(tǒng)的質(zhì)量(含容器、存儲(chǔ)介質(zhì)材料、閥及氫氣等)之比。高壓壓縮儲(chǔ)氫發(fā)展的歷史較早，是比較傳統(tǒng)而成熟的方法，無(wú)需任何材料作載體，只需耐壓和絕熱的容器，但是其儲(chǔ)氫效率很低，加壓到15MPa時(shí)質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度不超過(guò)3%，而且存在很大的安全隱患，成本也很高。低溫液化方式儲(chǔ)運(yùn)雖然質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度高(可以達(dá)到14%)，但液氫沸點(diǎn)僅20.38K，氣化潛熱小，僅0.921kJ/mol，而液氫的溫度與外界的溫度存在巨大的溫差，因此稍有熱量從外界傳入容器，即會(huì)快速沸騰而損失。儲(chǔ)氫合金的儲(chǔ)氫容量較大，體積儲(chǔ)氫密度是相同溫度、壓力條件下氣態(tài)氫的1000倍，其體積儲(chǔ)氫密度可高達(dá)40～50kg/m3，但其缺點(diǎn)是質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度低，多數(shù)儲(chǔ)氫合金的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度僅為1.5%～3%[4]。
    相對(duì)于高壓壓縮儲(chǔ)氫和低溫液化儲(chǔ)氫，金屬氫化物、碳納米管吸附、水合物儲(chǔ)氫等固態(tài)材料氫氣儲(chǔ)存方法主要有以下潛在優(yōu)勢(shì)：較小的體積、較低的壓力(更高的能源效率)和更多高純度的氫氣產(chǎn)出。壓縮氣體和液體儲(chǔ)存如今是商業(yè)上可行的方法，但完全符合成本效益的儲(chǔ)存系統(tǒng)還有待開(kāi)發(fā)。另外還要關(guān)注儲(chǔ)存方法的安全性，特別是對(duì)新的儲(chǔ)存方法。從安全角度上考慮，在城市中建立儲(chǔ)存20～70MPa壓縮氫氣的大容量?jī)?chǔ)罐是不可行的。液化氫氣需要給液化設(shè)備和儲(chǔ)存設(shè)備不斷供冷來(lái)維持20K或更低的低溫。用水合物的形式儲(chǔ)存氫氣是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種物理儲(chǔ)氫方法，該方法不但有較高的儲(chǔ)氫效率，而且其原料(水或冰)也十分容易獲得，另外，儲(chǔ)存的溫度也在液氮溫區(qū)以上。由于氫氣水合物中的氫分子是通過(guò)氫鍵與水分子結(jié)合的，并不需要形成化學(xué)鍵，所以釋放從而利用氫氣也容易得多，水合物儲(chǔ)氫也適合于將氫氣在常壓下安全地儲(chǔ)存。幾種儲(chǔ)氫系統(tǒng)相關(guān)儲(chǔ)能參數(shù)見(jiàn)表1[5]。
表1 幾種儲(chǔ)氫系統(tǒng)相關(guān)儲(chǔ)能參數(shù)[5]
儲(chǔ)氫方法
儲(chǔ)氫耗能/(kJ·kg-1)
釋氫耗能/(kJ·kg-1)
耗能與儲(chǔ)能之比
理論質(zhì)量?jī)?chǔ)能密度/(MJ·
Kg-1)
理論體積儲(chǔ)能密度/(MJ·m-3)
20MPa壓縮氫氣
10300
0
0.O9
1.O5
714
35MPa壓縮氫氣
12264
0
0.10
8.04
2492
70MPa壓縮氫氣
14883
0
0.12
7.20
3599
液化氫氣
42600
0
0.36
16.81
3999
低溫金屬氫化物
6226
1071
0.06
1.O8
13798
高溫金屬氫化物
10865
6724
0.15
3.47
12838
鋁氫化物(NaAlH4)
10589
4080
0.12
3.47
11398
碳納米管
15998
0
0.13
3.60
2159
水合物
11215
0
0.09
6.00
4979
    Profio等[5]對(duì)幾種儲(chǔ)氫技術(shù)的儲(chǔ)能參數(shù)進(jìn)行了比較(見(jiàn)表1)，綜合考慮氫儲(chǔ)存系統(tǒng)的穩(wěn)定及溫和的氫回收條件，單位質(zhì)量氫與儲(chǔ)存介質(zhì)的相互作用所需能量約為40MJ/kg，其中，理論質(zhì)量?jī)?chǔ)能密度是指單位質(zhì)量?jī)?chǔ)存介質(zhì)儲(chǔ)存能量的大小，理論體積儲(chǔ)能密度是指單位體積儲(chǔ)存介質(zhì)儲(chǔ)存能量的大小。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，幾種制備儲(chǔ)氫材料的耗能量與材料所儲(chǔ)存的能量的比值中，液化氫氣是最高的，水合物法與三種壓力下的壓縮氫氣法的比值比較接近，因此，我們可以認(rèn)為水合物儲(chǔ)氫技術(shù)是可以作為靜態(tài)的、大容量?jī)?chǔ)氫最實(shí)際的選擇之一。
3 水合物儲(chǔ)氣的原理及優(yōu)勢(shì)
    籠型水合物是一種較為特殊的包絡(luò)化合物，是由水分子與甲烷、乙烷、C02等小分子氣體形成的非化學(xué)計(jì)量性籠狀晶體物質(zhì)，形成水合物的水分子被稱為主體，形成水合物的其他組分被稱為客體。主體水分子通過(guò)氫鍵相連形成一些多面體籠孔，尺寸合適的客體分子可填充在這些籠孔中，使其具有熱力學(xué)穩(wěn)定性。不同結(jié)構(gòu)的水合物具有不同種類(lèi)和配比的籠。空的水合物晶格就像一個(gè)高效的分子水平的氣體儲(chǔ)存器，每1m3水合物可儲(chǔ)存160～180m3天然氣。水合物的生成條件隨客體分子種類(lèi)的不同而千差萬(wàn)別，但所生成的水合物的晶體結(jié)構(gòu)卻不是隨意變化的。到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的水合物結(jié)構(gòu)有3種：Ⅰ型、Ⅱ型和H型，3種水合物晶體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。
 

    圖1中多面體頂點(diǎn)的位置是氧原子，邊代表氫鍵，512為由12個(gè)五邊形所組成的多面體，51264為由12個(gè)五邊形和4個(gè)六邊形組成的多面體，其他類(lèi)推；結(jié)構(gòu)Ⅰ型水合物的單胞是由2個(gè)512和6個(gè)51262多面體組成的，單胞中共含有46個(gè)H20分子；結(jié)構(gòu)Ⅱ型單胞是由16個(gè)512和8個(gè)51264多面體組成的，單胞中共含有136個(gè)H20分子；結(jié)構(gòu)H型單胞是由3個(gè)512、2個(gè)435663和1個(gè)51268多面體組成的，單胞中共含有34個(gè)H20分子。表2為3種結(jié)構(gòu)水合物的晶體結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，給出了平均晶穴半徑(即多面體籠格內(nèi)切球的半徑)以及單位晶胞中所含水分子的個(gè)數(shù)等參數(shù)。
表2 3種結(jié)構(gòu)水合物的晶體結(jié)構(gòu)特征參數(shù)[6]
項(xiàng)目
結(jié)構(gòu)Ⅰ型
結(jié)構(gòu)Ⅱ型
結(jié)構(gòu)H型
晶穴規(guī)格
小
大
小
大
小
由
大
晶穴結(jié)構(gòu)
512
51262
512
51264
512
43563
51268
晶穴數(shù)/個(gè)
2
6
16
8
3
2
1
平均晶穴半徑/nm
0.395
0.433
0.391
0.473
0.394
0.404
0.579
單位晶胞水分子數(shù)/個(gè)
46
136
34
晶體結(jié)構(gòu)
體心立方體
面心立方體
六方體
密度/(g·cm-3)
0.910
0.940
1.952
    利用水合物法儲(chǔ)氣的原理是：將氣體和水在一定溫度和壓力條件下形成高儲(chǔ)氣量的水合物，然后以水合物的形式進(jìn)行運(yùn)輸。采用水合物的方式儲(chǔ)存氫氣具有很多優(yōu)點(diǎn)[7]：①儲(chǔ)氫和放氫過(guò)程完全互逆。②儲(chǔ)氫材料為水，水合物分解、氫氣釋放后的唯一副產(chǎn)物是良性、可重復(fù)利用的水，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染。③水合物形成和分解時(shí)的動(dòng)力學(xué)速度都非常快，能耗低。利用粉末冰合成氫氣水合物只需要數(shù)分鐘，利用塊狀冰形成氫氣水合物也只需要約2h[8]。④氫氣以分子的形態(tài)包含在水合物空穴中，在水合物釋放氫氣的過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分解過(guò)程非常安全且耗能低。⑤水在自然界中大量存在，資源豐富且價(jià)格低廉。⑥吸收和釋放氫氣所需的溫度基本都在常溫范圍內(nèi)。
4 水合物儲(chǔ)存氫氣的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析
4.1 水合物儲(chǔ)氣的技術(shù)性
    氫的儲(chǔ)存技術(shù)是開(kāi)發(fā)利用氫能的關(guān)鍵性技術(shù)，如何有效地對(duì)氫氣進(jìn)行儲(chǔ)存，并且在使用時(shí)能夠方便地釋放出來(lái)，是該項(xiàng)技術(shù)研究的焦點(diǎn)。目前適合工業(yè)化的只有高壓壓縮氫氣、液化氫氣及合金儲(chǔ)氫，前兩種更為適用。一些儲(chǔ)氫材料和技術(shù)離氫能的實(shí)用化還有較大的距離，在質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度、體積儲(chǔ)氫密度、工作溫度、可逆循環(huán)性能以及安全性等方面。還不能同時(shí)滿足實(shí)用化要求。
    氫水合物是固體，無(wú)腐蝕性，不可燃，具有多個(gè)氫分子填充水合物晶穴的特性，因此氫水合物具有較高的儲(chǔ)氫能力，是一種安全且對(duì)環(huán)境友好的新的儲(chǔ)氫技術(shù)。
    水合物的生產(chǎn)條件隨客體分子種類(lèi)的不同而千差萬(wàn)別，由于氫分子比普通的多面體分子籠小很多，在1990年以前被認(rèn)為不能形成水合物。1993年，Vos等[9]在非常高的壓力下(750～3100MPa)發(fā)現(xiàn)了具有較小的籠結(jié)構(gòu)的冰-Ⅱ型六邊形H2+H20水合物，而且隨著操作壓力的不同，H2與H20的物質(zhì)的量之比由1：6增大到1：1。但是從儲(chǔ)存氫氣的角度看，由于生成該水合物的壓力太高，這次發(fā)現(xiàn)沒(méi)有引起廣泛重視。1999年，Dyadin第一次證明了純的氫氣水合物的存在，在壓力為100～400MPa、溫度為265～273K條件下，制備了普通六邊形結(jié)構(gòu)的氫水合物[10]。
　　2002年，Mao等[11]使用拉曼光譜法對(duì)H2+H2O系統(tǒng)進(jìn)行了更細(xì)致的研究。研究表明，在227K、200MPa時(shí)可形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)Ⅱ型純的氫氣水合物，晶胞的棱邊邊長(zhǎng)為1.7047nm。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，氫水合物的小晶穴里填充2個(gè)氫分子，大晶穴則填充4個(gè)氫分子，這一發(fā)現(xiàn)引起廣泛關(guān)注。
   2004年，Lokshin等[12]用中子衍射法研究了氘氣(D2)水合物，D2水合物的晶體結(jié)構(gòu)由其生成溫度和壓力決定，調(diào)整壓力和溫度后，晶穴中最多可以容納2～4個(gè)氘分子，而且D2水合物中氘分子之間的距離小于固態(tài)氫分子間的距離。這個(gè)研究結(jié)果表明水合物材料具有了儲(chǔ)存氫氣的潛能。
    2004年，F(xiàn)lorusse等[13]利用四氫呋喃(THF)、H2和水制備二元水合物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，THF存在時(shí)，在280K、5MPa下即可生成水合物，這一結(jié)果使形成水合物的條件與周?chē)h(huán)境更加接近了。2005年，Lee等[14]利用拉曼光譜發(fā)現(xiàn)，摩爾分?jǐn)?shù)為0.15%的THF水溶液形成的THF-H2二元水合物在12MPa、270K時(shí)，氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%。這個(gè)發(fā)現(xiàn)使水合物向?qū)嵱玫膬?chǔ)氫材料發(fā)展邁出了一大步。
    隨后，由于儲(chǔ)氫的需求，作為備選的儲(chǔ)氫技術(shù)——水合物儲(chǔ)氫的研究得到了發(fā)展，美國(guó)[15]、日本[16]、加拿大[17]、韓國(guó)[18]和歐洲[19～20]已經(jīng)開(kāi)始了初步的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析工作。
利用水合物形式進(jìn)行氣體儲(chǔ)存的研究主要涉及到以下兩種技術(shù)，一是利用水合物儲(chǔ)運(yùn)天然氣或煤層氣的技術(shù)[21～23]，二是水合物儲(chǔ)氫技術(shù)。水合物儲(chǔ)運(yùn)天然氣技術(shù)已在日本進(jìn)入應(yīng)用實(shí)施階段[24]。圖2為氣體水合物生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)易流程。氣體經(jīng)干燥器干燥凈化后與水在反應(yīng)器中生成水合物、水的混合物。從反應(yīng)器出來(lái)的混合物進(jìn)入分離器，在分離器中進(jìn)行初步分離。分離出的少量純水由分離器下部引出，由于這部分水有一種保持晶體結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)，故重新循環(huán)進(jìn)入反應(yīng)器；分離后得到的水合物經(jīng)干燥器干燥，并經(jīng)熱交換器進(jìn)一步降溫后得到成品水合物。氣體則從反應(yīng)器排出后先進(jìn)行壓縮，提高氣體壓力，再經(jīng)制冷機(jī)和節(jié)流閥進(jìn)行降溫處理，再回收重新利用。目前水合物儲(chǔ)氫技術(shù)尚處于探索階段。

4.2 水合物儲(chǔ)存氫氣的經(jīng)濟(jì)性
    日本慶應(yīng)大學(xué)Mori教授課題組[25]。在實(shí)驗(yàn)室研究的氫氣水合物合成條件的基礎(chǔ)上，分別針對(duì)用氫量大的工業(yè)園區(qū)和用氫量相對(duì)少的城市生活區(qū)設(shè)計(jì)了3000m3/h(即270kg/h)、500m3/h(即45kg/h)兩種規(guī)模的氫氣水合物生產(chǎn)廠，并配備了水合物冷藏井以方便氫氣水合物能夠在井中儲(chǔ)存數(shù)月。根據(jù)目前氫氣水合物基礎(chǔ)研究的進(jìn)展，Mori教授課題組設(shè)定了兩種水合物生產(chǎn)的方案：一種是在間歇式反應(yīng)釜中用冰和氫氣生產(chǎn)純氫氣水合物，另一種是利用THF水溶液和氫氣生產(chǎn)THF+H2二元水合物。他們依據(jù)Lokshin等的研究結(jié)果[12]，在140K和35MPa條件下利用直徑為0.5mm冰粒制備純氫水合物，在223K和30MPa條件下利用THF水溶液制備H2+THF二元水合物，兩種生產(chǎn)方式均能在30min內(nèi)完成反應(yīng)，表3為3000m3/h生成能力水合物制造廠所需的動(dòng)力消耗[25]，表3中純氫水合物(1)是采用重復(fù)用冰方式生產(chǎn)的，純氫水合物(2)是采用單次用冰方式生產(chǎn)的；電耗與儲(chǔ)能比是指每1h耗電量與3000m3氫氣所能產(chǎn)生的最大熱能比，最大熱能按照氫的高熱值141.8MJ/kg計(jì)算為38240MJ。
表3 3000m3/h生成能力水合物制造廠所需的動(dòng)力消耗[25]
項(xiàng)目
純氫水合物(1)
純氫水合物(2)
H2+THF二元水合物
LNG制冷
LNG制冷
無(wú)LNG制冷
LNG制冷
無(wú)LNG制冷
電功率/kW
1400
1500
4200
2100
5880
電耗與儲(chǔ)能比
0.13
0.14
0.40
0.20
0.55
    由表3可知，相同生產(chǎn)能力的水合物制造廠，采用純氫水合物和H2O+THF二元水合物兩種生產(chǎn)方式進(jìn)行生產(chǎn)，若使用液化天然氣(LNG)用于原料氫氣的制冷均可以節(jié)省電能，從而使電耗與儲(chǔ)能的比值降低；而重復(fù)用冰生產(chǎn)方式與單次用冰生產(chǎn)方式的電耗相差不大，說(shuō)明重復(fù)用冰并不能大幅度節(jié)省電能，因此利用冰循環(huán)系統(tǒng)生成純氫水合物節(jié)約的費(fèi)用不是很多。
   表4為水合物法儲(chǔ)氫工廠的投資概算[25]，這個(gè)概算不包括氫再氣化系統(tǒng)。表5為儲(chǔ)氫水合物廠的純氫水合物氣化系統(tǒng)的投資概算[25]。
 

   從表4中可以看出，無(wú)論是電制冷還是LNG制冷，采用二元水合物生產(chǎn)方式制備儲(chǔ)氫水合物的造價(jià)均比純氫水合物的造價(jià)高40%～60%，這主要是由于THF水合物的生產(chǎn)設(shè)備(用于制備THF水合物)和二元水合物的反應(yīng)器的費(fèi)用均大于制冰設(shè)備和純氫水合物反應(yīng)器的費(fèi)用，導(dǎo)致總造價(jià)的增加。
    比較表5和表4可知，氫再氣化系統(tǒng)的造價(jià)不超過(guò)工廠總造價(jià)的10%。另外，采用冰回收的方式會(huì)引起再氣化系統(tǒng)造價(jià)的增加，但是增加的量很微小，可以不予考慮。
    從表3～5可以看出，生產(chǎn)儲(chǔ)氫水合物過(guò)程中制冷所消耗的電能占所儲(chǔ)能的比例很大。如果將工廠建在LNG設(shè)施附近，那么可以通過(guò)利用LNG的冷能來(lái)減少制冷所需電能，這樣利用水合物儲(chǔ)氣就更具有經(jīng)濟(jì)性。研究還發(fā)現(xiàn)，相同產(chǎn)率下，生產(chǎn)二元水合物比純氫水合物在能耗及造價(jià)上都要高。
    表6為各種儲(chǔ)氫方法的基本建設(shè)費(fèi)用比較。可以看出，雖然水合物儲(chǔ)氣技術(shù)還不完全成熟，正處于研究發(fā)展階段，但與液化氫氣和壓縮氫氣相比，儲(chǔ)氫水合物在基本建設(shè)費(fèi)用上比液化氫氣和壓縮氫氣都要低，具有更多的優(yōu)勢(shì)，從而也證明了以水合物形式儲(chǔ)存氣體在經(jīng)濟(jì)上的可行性。
4.3 水合物儲(chǔ)存氫氣的安全性
    由于氫氣水合物是由水分子構(gòu)成的籠狀晶體中包絡(luò)氫氣分子而形成的固體化合物，其所包絡(luò)的氣體釋放必須以冰晶骨架的溶化為前提，這使得水合物的分解需要吸收大量的熱。由于水合物本身的絕熱效應(yīng)，即使暴露在大氣中，水合物的分解受熱傳導(dǎo)的影響，氣體的釋放速度慢，不易發(fā)生由于氣體大量泄漏可能導(dǎo)致的爆炸事故。
5 結(jié)語(yǔ)
    自從水合物被發(fā)現(xiàn)以后，人們就一直嘗試以水合物的方式來(lái)儲(chǔ)存天然氣和氫氣。因?yàn)?m3的水合物可以儲(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下160～180m3的天然氣，在1MPa、10℃的條件下，1m3的水合物可以儲(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下50m3的氫氣。而且氣體水合物可在0.1～1.0MPa、-15～0℃的條件下長(zhǎng)期保存而分解量很小，比液化氣體和壓縮氣體的儲(chǔ)存、運(yùn)輸更為方便。氣體水合物儲(chǔ)存技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：
    ① 由于水合物分解需要較多的熱量，只要切斷傳熱途徑，就可使氣體水合物長(zhǎng)期在常溫下存在，而且由于水合物是固體，體積在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)突然膨脹，保證了儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/span>
   ② 氣體水合物固態(tài)儲(chǔ)存可以代替危險(xiǎn)性很大的壓縮氣體儲(chǔ)存。
    ③ 因?yàn)樗畠r(jià)易得，而水合物分解后又幾乎可以釋放出100%氣體，可以提高氣體的儲(chǔ)存規(guī)模和效率。
    目前水合物儲(chǔ)氣技術(shù)成熟度還較低，短期內(nèi)還不能投入工業(yè)應(yīng)用，但可預(yù)見(jiàn)其造價(jià)及運(yùn)行費(fèi)用較低，安全性較好，是一種潛在的高效儲(chǔ)氣技術(shù)。
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(本文作者：郎雪梅 王燕鴻 樊栓獅 華南理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院 傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東廣州 510640)