Циркуляция водорода и щелочи в щелочном электролизере. Электролиз воды. Процесс производства водорода.

В процессе производства водорода с помощью щелочного электролизера, помимо качества самого электролизера, важным фактором, влияющим на стабильную работу устройства, является также количество циркулирующей щелочи.

Недавно на встрече по обмену опытом в области технологий безопасного производства, организованной Комитетом специалистов по водороду Китайской ассоциации промышленных газов, Хуан Ли, руководитель программы эксплуатации и технического обслуживания водородных электролизных установок, поделился нашим опытом по настройке объемов циркуляции водорода и щелочи в процессе реальных испытаний, эксплуатации и технического обслуживания.

Ниже приводится оригинал статьи.

——————

В рамках национальной стратегии по сокращению выбросов углерода компания Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd, специализирующаяся на производстве водорода в течение 25 лет и первой начавшая работу в области водородной энергетики, приступила к расширению разработки экологически чистых водородных технологий и оборудования, включая проектирование рабочих органов электролизных камер, производство оборудования, гальваническое покрытие электродов, а также тестирование, эксплуатацию и техническое обслуживание электролизных камер.

ОдинПринцип работы щелочного электролизера

При пропускании постоянного тока через электролизер, заполненный электролитом, молекулы воды электрохимически реагируют на электродах и разлагаются на водород и кислород. Для повышения проводимости электролита обычно используется водный раствор с концентрацией 30% гидроксида калия или 25% гидроксида натрия.

Электролизер состоит из нескольких электролитических ячеек. Каждая электролитическая камера включает катод, анод, диафрагму и электролит. Основная функция диафрагмы — предотвращение проникновения газа. В нижней части электролизера расположены общий вход и выход, а в верхней части — канал для потока газожидкостной смеси щелочи и кислородно-щелочной смеси. Под напряжением постоянного тока определенного порядка, когда напряжение превышает теоретическое напряжение разложения воды (1,23 В) и напряжение термонейтральности (1,48 В), происходит окислительно-восстановительная реакция на границе раздела электрода и жидкости, вода разлагается на водород и кислород.

Два способа циркуляции щелочи

1️⃣ Цикл смешивания щелочи с водородом и кислородом

При таком способе циркуляции щелочь поступает в циркуляционный насос через соединительную трубу в нижней части водородного и кислородного сепараторов, а затем после охлаждения и фильтрации попадает в катодную и анодную камеры электролизера. Преимуществами смешанной циркуляции являются простая конструкция, короткий технологический процесс, низкая стоимость и возможность обеспечения одинакового объема циркулирующей щелочи в катодной и анодной камерах электролизера; недостатком же является то, что, с одной стороны, это может повлиять на чистоту водорода и кислорода, а с другой — может привести к нарушению регуляции уровня водородно-кислородного сепаратора, что может увеличить риск смешивания водорода и кислорода. В настоящее время наиболее распространенным процессом является смешанная циркуляция щелочи с водородно-кислородным сепаратором.

2️⃣Раздельная циркуляция щелочи со стороны водорода и кислорода

Такая форма циркуляции требует двух циркуляционных насосов для щелочи, то есть двух внутренних циркуляций. Щелочь в нижней части водородного сепаратора проходит через циркуляционный насос со стороны водорода, охлаждается и фильтруется, а затем поступает в катодную камеру электролизера; щелочь в нижней части кислородного сепаратора проходит через циркуляционный насос со стороны кислорода, охлаждается и фильтруется, а затем поступает в анодную камеру электролизера. Преимуществом независимой циркуляции щелочи является высокая чистота получаемых в результате электролиза водорода и кислорода, что физически исключает риск смешивания водорода и кислорода в сепараторе; недостатком является сложность и дороговизна конструкции и процесса, а также необходимость обеспечения стабильности расхода, напора, мощности и других параметров насосов с обеих сторон, что усложняет эксплуатацию и предъявляет требования к контролю стабильности обеих сторон системы.

Влияние скорости циркуляционного потока щелочи на производство водорода электролитической водой и условия работы электролизера.

1️⃣Чрезмерная циркуляция щелочи

(1) Влияние на чистоту водорода и кислорода

Поскольку водород и кислород обладают определенной растворимостью в щелочи, слишком большой объем циркуляции приводит к увеличению общего количества растворенного водорода и кислорода, которые попадают в каждую камеру вместе со щелочью, что снижает чистоту водорода и кислорода на выходе из электролизера; слишком большой объем циркуляции приводит к слишком короткому времени пребывания в жидкостном сепараторе водорода и кислорода, и газ, который не был полностью отделен, возвращается внутрь электролизера вместе со щелочью, что влияет на эффективность электрохимической реакции в электролизере и чистоту водорода и кислорода, а также на способность оборудования для очистки водорода и кислорода к дегидрированию и деоксигенированию, что приводит к снижению эффективности очистки водорода и кислорода и влияет на качество продукции.

(2) Влияние на температуру резервуара

При условии, что температура на выходе из охладителя щелочи остается неизменной, слишком большой поток щелочи будет отводить больше тепла от электролизера, что приведет к снижению температуры в резервуаре и увеличению мощности.

(3) Влияние на ток и напряжение

Чрезмерная циркуляция щелочи повлияет на стабильность тока и напряжения. Избыточный поток жидкости нарушит нормальные колебания тока и напряжения, что затруднит их стабилизацию, вызовет колебания в работе выпрямительного шкафа и трансформатора и, следовательно, повлияет на производство и качество водорода.

(4) Увеличение энергопотребления

Чрезмерная циркуляция щелочи также может привести к увеличению энергопотребления, росту эксплуатационных расходов и снижению энергоэффективности системы. В основном это связано с увеличением внутренней циркуляции вспомогательной охлаждающей воды, а также внешней циркуляции с помощью распылителей и вентиляторов, увеличением нагрузки на систему охлаждения и т. д., что приводит к увеличению потребления электроэнергии и, следовательно, к увеличению общего энергопотребления.

(5) Причина отказа оборудования

Чрезмерная циркуляция щелочи увеличивает нагрузку на циркуляционный насос, что приводит к увеличению расхода, колебаний давления и температуры в электролизере. Это, в свою очередь, влияет на электроды, диафрагмы и прокладки внутри электролизера, что может привести к неисправностям или повреждениям оборудования, а также к увеличению объема работ по техническому обслуживанию и ремонту.

2️⃣ Слишком слабое кровообращение при применении щелочи

(1) Влияние на температуру резервуара

При недостаточном объеме циркулирующего щелочного раствора тепло в электролизере не успевает отводиться вовремя, что приводит к повышению температуры. Высокотемпературная среда вызывает повышение давления насыщенного пара воды в газовой фазе и увеличение содержания воды. Если вода не конденсируется в достаточном количестве, это увеличивает нагрузку на систему очистки и влияет на эффективность очистки, а также на эффективность и срок службы катализатора и адсорбента.

(2) Влияние на срок службы диафрагмы

Постоянное воздействие высоких температур ускоряет старение диафрагмы, приводит к снижению ее характеристик или даже разрыву, что облегчает взаимную проницаемость водорода и кислорода с обеих сторон диафрагмы и влияет на чистоту водорода и кислорода. При взаимном проникновении, близком к нижнему пределу взрыва, значительно возрастает вероятность опасности для электролизера. В то же время, постоянное воздействие высоких температур также приводит к повреждению уплотнительной прокладки из-за утечек, сокращая срок ее службы.

(3) Влияние на электроды

Если количество циркулирующего щелочного раствора слишком мало, образующийся газ не может быстро покинуть активный центр электрода, что влияет на эффективность электролиза; если электрод не может полностью контактировать со щелочью для осуществления электрохимической реакции, возникнут нарушения частичного разряда и сухое горение, что ускорит отслоение катализатора от электрода.

(4) Влияние на напряжение ячейки

Количество циркулирующего щелочного раствора слишком мало, поскольку пузырьки водорода и кислорода, образующиеся в активном центре электрода, не успевают вовремя удалиться, и количество растворенных газов в электролите увеличивается, что приводит к повышению напряжения в малой камере и увеличению энергопотребления.

Четыре метода определения оптимальной скорости циркуляции щелочи.

Для решения вышеуказанных проблем необходимо принять соответствующие меры, такие как регулярная проверка системы циркуляции щелочи для обеспечения ее нормальной работы; поддержание хороших условий теплоотвода вокруг электролизера; и, при необходимости, корректировка рабочих параметров электролизера во избежание возникновения слишком большого или слишком малого объема циркуляции щелочи.

Оптимальная скорость циркуляции щелочи должна определяться на основе конкретных технических параметров электролизера, таких как размер электролизера, количество камер, рабочее давление, температура реакции, тепловыделение, концентрация щелочи, охладитель щелочи, водородно-кислородный сепаратор, плотность тока, чистота газа и другие требования, долговечность оборудования и трубопроводов, а также другие факторы.

Технические параметры и габариты:

размеры 4800x2240x2281 мм

общий вес 40700 кг

Эффективный размер камеры: 1830, Количество камер: 238

Плотность тока электролизера 5000 А/м²

рабочее давление 1,6 МПа

температура реакции 90℃±5℃

Объем водорода, получаемого одним электролизером, составляет 1300 Нм³/ч.

Продукт: Кислород 650 Нм³/ч

постоянный ток n13100A, напряжение постоянного тока 480 В

Охладитель щелочи Φ700x4244 мм

Площадь теплообмена 88,2 м²

Водородно-кислородный сепаратор Φ1300x3916 мм

кислородный сепаратор Φ1300x3916 мм

Раствор гидроксида калия с концентрацией 30%

Сопротивление чистой воде >5 МОм·см

Взаимосвязь между раствором гидроксида калия и электролизером:

Обеспечивает проводимость чистой воды, выделяет водород и кислород и отводит тепло. Поток охлаждающей воды используется для регулирования температуры щелочи, чтобы температура реакции в электролизере оставалась относительно стабильной, а тепловыделение электролизера и поток охлаждающей воды используются для согласования теплового баланса системы с целью достижения оптимальных условий работы и наиболее энергосберегающих параметров эксплуатации.

На основе реального опыта эксплуатации:

Регулировка объема циркуляции щелочи на уровне 60 м³/ч.

Поток охлаждающей воды открывается примерно на 95%.

Температура реакции в электролизере поддерживается на уровне 90 °C при полной нагрузке.

Оптимальные условия работы электролизера, при которых потребление постоянного тока составляет 4,56 кВт·ч/Нм³H₂, также являются благоприятными.

Пятькраткое изложение

В заключение следует отметить, что объем циркуляции щелочи является важным параметром в процессе производства водорода методом электролиза воды, который зависит от чистоты газа, напряжения в камере, температуры электролизера и других параметров. Целесообразно контролировать объем циркуляции со скоростью 2–4 раза в час при замене щелочи в резервуаре. Эффективный контроль объема циркуляции щелочи обеспечивает стабильную и безопасную работу оборудования для производства водорода методом электролиза воды в течение длительного времени.

В процессе производства водорода методом электролиза воды в щелочном электролизере оптимизация параметров рабочих условий и конструкции рабочих колес электролизера, а также выбор материала электродов и диафрагмы являются ключевыми факторами для увеличения тока, снижения напряжения в баке и экономии энергии.

--Связаться с нами--

Тел.: +86 028 6259 0080

Факс: +86 028 6259 0100

E-mail: tech@allygas.com