В процессе производства водорода в щелочном электролизере, как заставить устройство работать стабильно, в дополнение к качеству самого электролизера, в котором объем циркуляции щелочи в установке также является важным фактором влияния.
Недавно на встрече по обмену технологиями безопасного производства, организованной Комитетом специалистов по водороду Китайской ассоциации промышленных газов, Хуан Ли, руководитель Программы эксплуатации и технического обслуживания установок электролиза водородной воды, поделился нашим опытом по настройке объема циркуляции водорода и щелочи в процессе реальных испытаний, эксплуатации и технического обслуживания.
Ниже приводится оригинальный текст статьи.
——————
На фоне национальной стратегии по двойному углероду компания Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd, которая на протяжении 25 лет специализируется на производстве водорода и была первой, кто занялся областью водородной энергетики, начала расширять разработку технологий и оборудования для производства зеленого водорода, включая проектирование желобов электролизных ванн, производство оборудования, нанесение электродного покрытия, а также испытания, эксплуатацию и техническое обслуживание электролизных ванн.
ОдинПринцип работы щелочного электролизера
При пропускании постоянного тока через электролизер, заполненный электролитом, молекулы воды вступают в электрохимическую реакцию на электродах и разлагаются на водород и кислород. Для повышения электропроводности электролита в качестве основного электролита используется водный раствор гидроксида калия с концентрацией 30% или гидроксида натрия 25%.
Электролизер состоит из нескольких электролитических ячеек. Каждая электролизная камера состоит из катода, анода, диафрагмы и электролита. Основная функция диафрагмы — предотвращение проникновения газа. В нижней части электролизера имеется общий вход и выход, в верхней части — канал для потока газожидкостной смеси щелочи и кислородно-щелочного раствора. При подаче постоянного тока под определенным напряжением, когда напряжение превышает теоретическое напряжение разложения воды 1,23 В и термонейтральное напряжение 1,48 В выше определенного значения, между электродом и поверхностью раздела жидкости происходит окислительно-восстановительная реакция, в результате которой вода разлагается на водород и кислород.
Два Как циркулирует щелок
1️⃣Смешанный цикл водород-кислород-щелочь
При этой форме циркуляции щёлок поступает в циркуляционный насос щёлока через соединительный патрубок в нижней части сепаратора водорода и сепаратора кислорода, а затем поступает в катодную и анодную камеры электролизера после охлаждения и фильтрации. Преимуществами смешанной циркуляции являются простота конструкции, короткий процесс, низкая стоимость и возможность обеспечения одинакового объёма циркуляции щёлока в катодной и анодной камерах электролизера; недостатком является то, что, с одной стороны, это может повлиять на чистоту водорода и кислорода, а с другой стороны, это может привести к разрегулировке уровня сепаратора водорода и кислорода, что может привести к повышенному риску смешивания водорода и кислорода. В настоящее время наиболее распространённым процессом является водородно-кислородная сторона цикла смешивания щёлока.
2️⃣Раздельная циркуляция водорода и кислорода в качестве щелочи
Эта форма циркуляции требует двух насосов циркуляции щелочи, т. е. двух внутренних циркуляций. Щелок в нижней части сепаратора водорода проходит через циркуляционный насос водородной стороны, охлаждается и фильтруется, а затем поступает в катодную камеру электролизера; Щелок в нижней части сепаратора кислорода проходит через циркуляционный насос кислородной стороны, охлаждается и фильтруется, а затем поступает в анодную камеру электролизера. Преимущество независимой циркуляции щелочи заключается в том, что водород и кислород, получаемые при электролизе, имеют высокую чистоту, что физически исключает риск смешивания водорода и кислорода в сепараторе; недостаток заключается в том, что конструкция и процесс сложны и дороги, а также необходимо обеспечивать постоянство расхода, напора, мощности и других параметров насосов с обеих сторон, что увеличивает сложность эксплуатации и выдвигает требование контроля стабильности обеих сторон системы.
Три Влияние скорости циркулирующего потока щелока на производство водорода электролизной водой и рабочее состояние электролизера
1️⃣Чрезмерная циркуляция щелока
（1）Влияние на чистоту водорода и кислорода
Поскольку водород и кислород имеют определенную растворимость в щелочи, объем циркуляции слишком велик, так что общее количество растворенного водорода и кислорода увеличивается и поступает в каждую камеру со щелочью, что приводит к снижению чистоты водорода и кислорода на выходе из электролизера; объем циркуляции слишком велик, так что время удержания жидкого сепаратора водорода и кислорода слишком короткое, и газ, который не был полностью разделен, возвращается во внутреннюю часть электролизера со щелочью, что влияет на эффективность электрохимической реакции электролизера и чистоту водорода и кислорода, и далее Это повлияет на эффективность электрохимической реакции в электролизере и чистоту водорода и кислорода, и дополнительно повлияет на способность оборудования для очистки водорода и кислорода дегидрировать и деоксигенировать, что приводит к плохому эффекту очистки водорода и кислорода и влияет на качество продукции.
（2）Влияние на температуру в баке
При условии, что температура на выходе из охладителя щелочи остается неизменной, слишком большой поток щелочи будет отнимать больше тепла от электролизера, что приведет к снижению температуры в баке и увеличению мощности.
（3）Влияние на ток и напряжение
Избыточная циркуляция щёлочи влияет на стабильность тока и напряжения. Избыточный поток жидкости нарушает нормальный ход тока и напряжения, затрудняя их стабилизацию, что приводит к колебаниям рабочего состояния выпрямительного шкафа и трансформатора, что влияет на производство и качество водорода.
（4）Повышенное потребление энергии
Чрезмерная циркуляция щёлочи также может привести к увеличению энергопотребления, эксплуатационных расходов и снижению энергоэффективности системы. В основном, это происходит за счёт увеличения внутренней циркуляции вспомогательной охлаждающей воды, а также внешней циркуляции, распыления и вентилятора, нагрузки на охлаждённую воду и т.д., что приводит к увеличению энергопотребления и, как следствие, к увеличению общего энергопотребления.
（5）Причина отказа оборудования
Избыточная циркуляция щелочи увеличивает нагрузку на насос циркуляции щелочи, что соответствует увеличению расхода, колебаний давления и температуры в электролизере, что в свою очередь влияет на электроды, диафрагмы и прокладки внутри электролизера, что может привести к неисправностям оборудования или его повреждению, а также увеличению объема работ по техническому обслуживанию и ремонту.
2️⃣Слишком слабая циркуляция щелочи
（1）Влияние на температуру в баке
При недостаточном объёме циркулирующего щёлока тепло в электролизёре не отводится вовремя, что приводит к повышению температуры. Высокая температура окружающей среды приводит к повышению давления насыщенных паров воды в газовой фазе и увеличению содержания воды. Недостаточная конденсация воды увеличивает нагрузку на систему очистки и снижает эффективность очистки, а также сокращает эффективность и срок службы катализатора и адсорбента.
（2）Влияние на срок службы диафрагмы
Постоянное воздействие высокой температуры ускоряет старение диафрагмы, приводит к снижению её эффективности или даже к её разрушению, а также легко приводит к взаимной проницаемости водорода и кислорода с обеих сторон диафрагмы, что влияет на чистоту водорода и кислорода. При взаимной инфильтрации, близкой к нижнему пределу, вероятность взрыва значительно возрастает. Кроме того, постоянное воздействие высокой температуры может привести к утечкам через уплотнительную прокладку, сокращая срок её службы.
（3）Воздействие на электроды
Если количество циркулирующего щелока слишком мало, то образующийся газ не может быстро покинуть активный центр электрода, что влияет на эффективность электролиза; если электрод не может полностью контактировать со щелоком для проведения электрохимической реакции, возникает аномалия частичного разряда и сухого горения, что ускоряет осыпание катализатора на электроде.
（4）Влияние на напряжение ячейки
Количество циркулирующего щелочного раствора слишком мало, поскольку пузырьки водорода и кислорода, образующиеся в активном центре электрода, не могут быть отведены вовремя, а количество растворенных газов в электролите увеличивается, что приводит к повышению напряжения в малой камере и повышению расхода электроэнергии.
Четыре метода определения оптимальной скорости циркуляции щелочи
Для решения вышеуказанных проблем необходимо принимать соответствующие меры, такие как регулярная проверка системы циркуляции щелочи для обеспечения ее нормальной работы, поддержание хороших условий отвода тепла вокруг электролизера, а также, при необходимости, регулировка рабочих параметров электролизера с целью недопущения возникновения слишком большого или слишком малого объема циркуляции щелочи.
Оптимальную скорость циркуляции щелока необходимо определять на основе конкретных технических параметров электролизера, таких как размер электролизера, количество камер, рабочее давление, температура реакции, тепловыделение, концентрация щелока, охладитель щелока, сепаратор водорода и кислорода, плотность тока, чистота газа и другие требования, долговечность оборудования и трубопроводов и другие факторы.
Технические параметры Размеры：
размеры 4800x2240x2281мм
общий вес 40700 кг
Эффективный размер камеры 1830, Количество камер 238
Плотность тока электролизера 5000А/м²
рабочее давление 1,6 МПа
температура реакции 90℃±5℃
Один комплект электролизера, объем продукта водорода 1300 Нм³/ч
Продукт Кислород 650 Нм³/ч
постоянный ток n13100A, постоянное напряжение 480 В
Охладитель щелока Φ700x4244 мм
площадь теплообмена 88,2 м²
Сепаратор водорода и кислорода Φ1300x3916 мм
кислородный сепаратор Φ1300x3916мм
Концентрация раствора гидроксида калия 30%
Значение сопротивления чистой воды >5 МОм·см
Связь между раствором гидроксида калия и электролизером：
Обеспечить электропроводность чистой воды, вывести водород и кислород и отвести тепло. Поток охлаждающей воды используется для регулирования температуры щёлочи, обеспечивая относительную стабильность температуры электролитической реакции, а тепловыделение электролизёра и расход охлаждающей воды используются для согласования теплового баланса системы, что позволяет достичь наилучших рабочих условий и наиболее энергосберегающих эксплуатационных параметров.
На основе фактических операций:
Регулирование объема циркуляции щелочи на уровне 60 м³/ч.
Поток охлаждающей воды открывается примерно на 95%.
Температура реакции электролизера поддерживается на уровне 90°C при полной нагрузке.
Оптимальное состояние электролизера: потребление электроэнергии постоянного тока составляет 4,56 кВт·ч/Нм³H₂.
Пятьподвести итог
Подводя итог, можно сказать, что объём циркулирующего щёлока является важным параметром в процессе получения водорода электролизом воды, связанным с чистотой газа, напряжением в камере, температурой электролизёра и другими параметрами. Целесообразно контролировать объём циркулирующего щёлока с частотой замены щёлока в баке 2–4 раза в час/мин. Эффективное управление объёмом циркулирующего щёлока обеспечивает стабильную и безопасную работу оборудования для производства водорода электролизом воды в течение длительного времени.
В процессе производства водорода электролизом воды в щелочном электролизере оптимизация параметров рабочего состояния и конструкции рабочего органа электролизера в сочетании с выбором материала электродов и материала диафрагмы являются ключевыми факторами для увеличения тока, снижения напряжения в баке и экономии потребления энергии.
--Связаться с нами--
Тел.: +86 028 6259 0080
Факс: +86 028 6259 0100
E-mail: tech@allygas.com
Время публикации: 09 января 2025 г.
