氢能应用 安全阀
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用于氢能应用的莱斯安全阀

目前,全球每年为加工工业生产的氢气已超过 6000 亿立方米。氢气是众多行业运作的基础原料,例如在炼油厂、氨生产或其他化学工艺中均有所使用。氢气通过化学工艺或利用电能的电解工艺来制取。

除上述需求外,氢能作为能源应用于内燃机或燃料电池的技术现已蓄势待发,未来将有望替代石油产品。

氢能作为能源载体,其优势如下:

  • 碳中和特性:由可再生能源制备的氢气是碳中和的能源载体和基础原料。
  • 灵活储能: 可再生能源制氢可以液态或气态储存于储罐及地下洞穴,通过移动储罐及现有管道网络实现区域化输送。
  • 多用途能源: 氢能可灵活应用于燃料电池供能、内燃机燃料及钢铁生产中的焦炭替代品。添加二氧化碳后,亦可作为燃料及可燃物使用。
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氢脆

知识科普:氢脆

原因:
当金属表面接触氢气时(例如通过电镀),会产生原子态氢(H)。该氢会渗透进金属结构中,并在内部重新形成分子态氢(H₂)。

影响:
金属失去弹性,在未经历膨胀阶段的情况下直接断裂。

莱斯解决方案:
奥氏体钢(如 1.4404)作为莱斯在氢气应用中板材和阀座衬套的标准材质,对氢脆现象具有极强抗性。

莱斯安全阀适用于多种氢能应用

优先推荐以下产品系列:

莱斯建议使用奥氏体不锈钢作为安全阀的接液部件材质,例如莱斯标准材质 1.4404/316L 或 1.4408/CF8M。这些材质对氢脆不敏感,具体选用铸造材料还是锻造材料,取决于相应的应用条件。

历经多年,莱斯已证实了其适用于从 -150 °C/-238 °F 至绝对零度的低温环境。为确保在该条件下实现理想的密封效果,推荐以下产品配置:

  • 带喷嘴的安全阀 - API 5264 产品系列
  • 金属密封面 - 标准型
  • 钨铬钴合金阀瓣 - 莱斯选项代码 J25
  • 钨铬钴合金喷嘴 - 莱斯选项代码 L65

无论是气态氢气、高压储氢还是液化氢气,请联系莱斯,我们将为您量身定制解决方案。莱斯拥有自主研发的低温测试台,专门用于检测低温应用领域的安全阀。

莱斯行业应用业绩

莱斯为整个氢能价值链提供超压保护,涵盖了从加工厂的生产、高压压缩机的压缩、储罐、管道和加氢系统的输送,到船上移动储罐和燃料电池的消耗等全生命周期的不间断守护。

氢能——从生产到应用

LES_Wasserstoff-Icons_Solar
发电
LES_Wasserstoff-Icons_Wasserstoff
制氢
LES_Wasserstoff-Icons_Speicher
干燥和储存
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运输
LES_Wasserstoff-Icons_Industrie
应用

太阳能发电

Solarkraftwerke
抛物面发电站;菲涅尔发电站


太阳能发电

太阳能可通过不同类型的系统进行发电。

例如:

太阳能热电站

  • 吸收太阳能热量,通过传热介质输送至发电厂
  • 转化为电能
  • 发电厂类型包括抛物面槽式和菲涅尔式电站,太阳能塔式电站为其变体
  • 安全阀用于太阳能热电站
  • 由于介质具有蠕变特性,且温度高达 570°C/1058°F、压力达 40 bar-g/580 psig,因此阀体与阀座需具备高密封性

光伏系统

  • 通过太阳能电池将太阳能直接转化为电能

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类型459 太阳能

          类型 526  

>有关太阳能发电厂安全阀的更多信息,请点击此处。


生产 - 电解类型

干燥处理与储存
制氢
发电
运输
用途

PEM 电解制氢技术

PEM_Elektrolyse
PEM 电解

原理

“质子交换膜”(PEM)电解技术采用固态聚合物电解质——质子交换膜,该膜被水流冲刷。当电压施加于膜体时,H+ 氢离子通过膜体迁移,从而在阴极产生氢气,在阳极产生氧气。


安全阀的使用

电解产生气态氢。
额定出口压力为 5 bar-g。为实现超压保护,安全阀设定压力为 6 bar-g。整个系统由多个模块组成,每个独立模块仅具备中小型输出能力。各模块均配备独立保护装置,主要采用紧凑型安全阀系列的安全阀。 

LESER 紧凑型安全阀  Safety Valve 类型  437
               45942162-d09-Thread_Full-HalfProfilepng
类型 437
                 类型 459

碱性电解

Sunfire Alkaline Electrolyser
太阳火碱性电解槽

原理

碱性电解采用金属电极浸没于碱性水溶液中,并由渗透膜隔开。通电后,阳极产生氧气,阴极产生氢气。最高可分解 40% 的氢氧化钾(KOH)溶液。此类工业装置的运行温度有时超过 80°C。

安全阀的应用

碱性电解工艺的操作压力可达 34 bar-g,超压保护设定值为 36 bar-g。这意味着操作压力与设定压力非常接近。对于液体而言,这一数据差值通常为 20%。因此,除了 441 型号的弹簧式安全阀之外,821 型先导式安全阀的采用正日趋广泛。其优势是:

  • 最大关闭压差仅 7%;
  • 调节作用可降低响应时释放的最大氢气量,从而减少泄放系统的设计工作量。

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      82140150-NPS4_Full-HalfProfilepng(1)
类型 441
     类型821

SOEC 电解制氢技术

SOEC Electrolysis
高温电解槽

原理

固体氧化物电解槽(SOEC)的工作温度约在 500°C 至 850°C 之间。电解槽的基本功能是将水以蒸汽形式分解为纯净的 H₂ 和 O₂。蒸汽被注入多孔阴极。施加电压后,蒸汽向阴极-电解质界面移动,并发生还原反应,形成纯氢气和氧离子。随后氢气扩散穿过阴极,在其表面收集为氢燃料气体。


安全阀的使用

安全阀可防止阴极受到不允许的超压 。每个堆栈允许的最大工作压力 为 0.5 bar-g。LESER类型 441 的安全级别 为 0.1 bar-g。

安全阀可防止阴极承受超限压力。每组堆栈的最大允许工作压力为 0.5 bar-g,而莱斯 441 型安全阀从 0.1 bar-g 时即起效。

LESER 高性能型安全阀  Safety Valve 类型  441 442 DIN
类型 441

蒸汽重整

Steam_reforming
在 OQ 化工园区生产氢气

原理

在蒸汽重整过程中,天然气、液化石油气或石脑油被转化为二氧化碳和氢气。首先对原料进行脱硫处理,随后注入蒸汽。混合物通过催化剂作用,生成含氢气、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气及甲烷的合成气体。

通过反应,使分子比例向 H₂ 和 CO₂ 方向转变。两种成分在分子筛中实现分离。当系统收集并储存 CO₂ 时,所产生的氢气即为“蓝氢”。

安全阀的使用

安全阀可保护蒸汽锅炉及进出原料。氢气的超压保护可达 51 bar-g。

LESER API Safety Valve 类型  526
                  内衬型安全阀  安全阀  from LESER
类型526
                   类型447

干燥处理 & 储存

H2_Drying
干燥设备

干燥处理

原则

 

根据氢气的生产方式,在后续加工或运输前必须进行干燥处理。若不采取这一操作,水分会在压缩或冷却过程中凝结并冻结。

 

安全阀的应用

 

安全阀可保护干燥系统免受超压影响。所有安全阀均采用奥氏体不锈钢制造,因其具有抗氢脆性。

 

LESER 紧凑型安全阀  Safety Valve 类型  437
          45942162-d09-Thread_Full-HalfProfilepng
类型 437
        类型 459
H2_Storage
H2 储罐

存储

原理

氢气储存方式分为两种:液态储存压力可达 70 bar-g,气态储存压力则需达到 200 bar-g 及以上。 
跨临界储存是提升能量密度的创新方案。该技术将气态氢储存于 -240°C 的环境中,压力高达 300 bar-g。


安全阀的使用

安全阀能防止储罐承受超限压力。液态氢储罐使用的所有安全阀均采用奥氏体不锈钢制造。在 -253°C 的环境下,部分钢材易产生脆化现象,而奥氏体不锈钢,如 1.4404/SA-479 316L 或 1.4408/SA-351 CF8M 则适用于该温度范围。

安全阀推荐:
437 型安全阀,高达 70 bar-g
526 型安全阀,高达 70 bar-g
459 型安全阀,高达 10 bar-g
若氢气以气态储存,出口可采用钢材制造。安全阀仅在排放时(即短时间内)存在氢气。安全阀推荐:

459 型安全阀,高达 352 bar-g

LESER 紧凑型安全阀  Safety Valve 类型  437
              45942162-d09-Thread_Full-HalfProfilepng
                 52645982-NPS4_Full-HalfProfilepng(1)
类型437
             类型459
                          类型526

运输

H2_Transport
氢气管道

运输方式

液态氢气即使少量也能通过火车或卡车高效运输,并实现分散式配送。气态氢气可通过加压卡车进行单独运输,但仅限于小批量。管道运输则适用于大规模氢气输送,例如德国中部比特费尔德(Bitterfeld)、施科保(Schkopau)和洛伊纳(Leuna)构成的化学三角区。该地区每年所需的 36 亿立方米氢气,通过总长 150 公里的多条氢气管道进行输送。


安全阀的使用

运输容器需防范热膨胀风险(如太阳辐射)。因功率需求较低,通常选用紧凑型系列安全阀,如 437 型或 459 型安全阀。管道系统中的压缩机负责产生运输所需压力,可通过 526 型安全阀进行防护。

 

LESER 紧凑型安全阀  Safety Valve 类型  437
             45942162-d09-Thread_Full-HalfProfilepng
             52645982-NPS4_Full-HalfProfilepng(1)
类型 437
            类型 459
                类型526

氢气的使用——行业案例

合成燃料
加氢站
化工行业
塑料制品行业
钢铁行业

合成燃料

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燃料合成过程中的氢气罐

生产

合成燃料可由氢气与大气中的二氧化碳制成。这意味着其生产工艺及最终形成的化学结构均与传统燃料存在差异。通过该工艺,不会向大气中额外排放二氧化碳。


安全阀的使用

采用 811 型先导式安全阀,可在接近工作压力时实现应用保护。该型号安全阀在超过 30 bar-g 时开启,此设计使系统得以维持在 PN40 压力等级。

 

LESER High Efficiency POSV Type 811   
            LESER Compact Performance Safety Valve Type 438       
            45942162-d09-Thread_Full-HalfProfilepng    
            Modulate Action safety valve from LESER
类型811             类型 438
类型 439
类型 433

加氢站

Hydrogen_fuling_stations_Hamburg
德国汉堡港加氢站
加氢站

根据氢气在汽车、卡车或火车中的应用场景,其储存压力存在差异。汽车通常采用最高 700 bar-g 的氢气运行,而卡车和火车的储存压力则为 350 bar-g。加注过程中,缓冲罐与车辆之间需保持约 200 bar-g 的压差。
 


安全阀的应用

这些压力可确保加油压力 与设定压力 之间有足够的距离。这样可以加快加油过程。           安全阀用于保护加注系统,其工作压力可达 1,100 bar-g。该压力设计确保加注压力与设定压力之间存在足够安全裕度,从而实现加速加注过程。 

LESER 紧凑型安全阀  Safety Valve 类型  437
         紧凑型安全阀  安全阀  from LESER
类型437          类型 459

化工行业

H2_Industry_Chemical
德国 SKW Piesteritz 化肥生产基地
化工行业中的氢能应用

化工行业目前是氢能使用量最大的用户,因为它是重要化学价值链的起点。目前,德国每年的氢能消耗量约 125 亿立方米。*

例如:尿素工厂的氨生产

尿素是化肥的重要原料。氢能用于生产氨气,作为 Cabernet 合成的前体。
 


安全阀的应用

莱斯安全阀为整个尿素生产流程提供超压防护。例如,526 型安全阀可在高达 60 bar-g 和 150℃ 的工况下,保护氨气生产过程中的氢气。Cabernet 合成工艺本身则由莱斯尿素应用的安全阀提供保护。

 

 
52645982-NPS4_Full-HalfProfilepng(1)
类型 526

有關尿素系統中安全閥的資訊,請參閱此處 [EN] 

塑料制品行业

H2_Industry_Plastic
德国海德炼油厂

氢能在塑料制品中的应用

氢能在塑料制品生产中发挥着重要作用。例如,氢能可用于断开碳氢链,并使加工介质脱硫。在此过程中,裂解装置内会产生 200 bar-g 的压力和高达 480 °C 的温度。


安全阀的应用

莱斯安全阀为塑料制品生产全流程提供超压防护。在所述示例中,所采用的 433 型或 526 型安全阀,一方面用于保护进入裂解装置内的氢气,另一方面用于保护进料材质。


调节型安全阀  安全阀  from LESER            LESER API Safety Valve 类型  526
类型433
               类型526

钢铁行业

H2_Industry_Steel
德国北杜伊斯堡景观公园

钢铁行业的转型

德国北杜伊斯堡景观公园:
一段触手可及的莱斯历史印记。

  • 这片占地 180 公顷的废弃钢铁厂,25 年来一直用于体育及文化活动。
  • 鲁尔区工业遗产与都市自然景观在此交融共生。
  • 莱斯作为该文化遗产的重要组成部分,其 541 型全开启式弹簧式安全阀至今仍矗立于景观公园中,为工业风貌增添独特韵味,参观者可在现场一睹其风采。
  • 莱斯安全阀为高炉周围的超压保护提供保障。
LESER 高性能型安全阀  Safety Valve 类型  441 442 DIN
类型441
H2_Industry_Steel_2
萨尔茨基特钢铁厂

钢铁生产的未来

目前,德国钢铁生产约占该国工业二氧化碳总排放量的 30%。
将钢铁生产转向低碳排放技术,并最终实现气候中和技术,例如用氢能替代焦煤。
设计钢铁生产厂时,考虑除天然气外还能使用氢气。

安全阀的应用

莱斯为钢铁行业需防范超压风险的工艺流程提供保障。安全阀可保护直接用于铁矿石还原的氢气生成过程,以及带钢镀锌工艺中氧化层还原环节。应用型号如下:

  • 441 型(设定压力 0.5 bar-g)
  • 437 型(设定压力 2.5 bar-g)
  • 458 型(设定压力 30 bar-g)
LESER 紧凑型安全阀  Safety Valve 类型  437
       LESER 高性能型安全阀  Safety Valve 类型  441 442 DIN
         LESER 高性能型安全阀  Safety Valve 类型  457 458
类型437
         类型 441
               类型 458

知识科普:氢的颜色

尽管氢气是一种无色气体,但它被赋予并描绘成不同颜色。这些颜色象征着不同的生产与发电方式。无论采用何种制氢工艺,其对系统的要求始终一致,安全阀亦不例外。

绿氢 - 通过水电解并利用太阳能、风能或水能等可再生能源生产氢气。绿氢的生产过程实现碳中和。

绿松石氢 - 通过甲烷热解制取。天然气中的甲烷被分解为氢气与固态碳,后者以颗粒状固体形式存在,因此不会向大气排放二氧化碳。若甲烷热解所需能源来自可再生资源,则生产过程实现气候中和。

灰氢 - 通过蒸汽重整化石燃料(如天然气、煤炭或石油)制取。该过程会产生二氧化碳并排放至大气中。

蓝氢 - 与灰氢类似,该氢气通过蒸汽重整法生产。但其产生的二氧化碳会被获取并储存,因此被视为气候中和型氢气。

黄氢 - 通过电解制取,所需电力来自常规电网,即化石能源与可再生能源的混合供电。

红氢/粉氢/紫氢 - 通过电解制取,所需电力来自核能发电。

橙氢 - 通过电解制取,所需电力来自生物质能或废物处理设施(如垃圾焚烧厂、沼气厂)。

黑氢 - 通过电解法生产氢气。所需电力来源于硬煤。

白氢 - 一方面指天然存在的氢气;另一方面指化工厂特定工艺中的副产物氢气。

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Information on H2

Download the information flyer for safety valves in hydrogen applications

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