В процессе производства водорода в щелочном электролизере, как сделать так, чтобы завод работал стабильно, помимо качества самого электролизера, важным фактором влияния также является настройка объема рециркуляции щелочи.
Недавно на совещании по обмену технологиями безопасного производства Профессионального комитета по водороду Китайской ассоциации промышленного газа Хуан Ли, ответственный за проект по эксплуатации и обслуживанию водородного электролиза воды компании YALEN, поделился техническим опытом нашей компании в области фактических испытаний и процесса эксплуатации и обслуживания в отношении настройки объема циркуляции водорода и щелочной жидкости.
Ниже приводится оригинал документа.
——
В контексте национальной стратегии двойного углерода компания Sichuan Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd, которая специализируется на производстве водорода уже 25 лет и первой начала заниматься водородной энергетикой, начала расширять разработку технологий и оборудования для производства зеленого водорода, включая проектирование электролизеров, производство оборудования, покрытие электродов, а также тестирование электролизеров, их эксплуатацию и обслуживание.
В ходе реальных испытаний, эксплуатации и технического обслуживания наша компания установила, что в процессе производства водорода путем электролиза воды в щелочных электролизерах способ циркуляции щелочи в электролизерах и установка скорости циркуляционного потока оказывают важное влияние на эффективность электролиза, чистоту газа и срок службы оборудования в электролизерах.
1
Принцип работы щелочного электролизера
При пропускании постоянного тока через электролитический резервуар, заполненный электролитом, молекулы воды вступают в электрохимическую реакцию на электродах и разлагаются на водород и кислород. Для повышения электропроводности электролита в качестве общего электролита используется водный раствор с концентрацией 30 процентов гидроксида калия или 25 процентов гидроксида натрия.
Резервуар для электролиза состоит из нескольких электролизных камер. Каждая камера состоит из катода, анода, диафрагмы и электролита. Основная функция мембраны - предотвращение проникновения газа. В нижней части электролизного бака имеются общие входные и выходные отверстия, а в верхней части находится канал подачи газожидкостной смеси щелочи и оксида щелочи. Пропускается определенное напряжение постоянного тока, когда напряжение превышает теоретическое напряжение разложения воды 1,23 В и тепловое нейтральное напряжение 1,48 В выше определенного значения, на электроде и на границе раздела жидкостей происходит окислительно-восстановительная реакция, вода разлагается на водород и кислород.
2
Как циркулирует щелочь
1??Смешанный цикл щелочи на основе водорода и кислорода
При такой форме циркуляции щелочь поступает в циркуляционный насос через соединительную трубу в нижней части водородного сепаратора и кислородного сепаратора, а затем поступает в катодную и анодную камеры электролизного бака после охлаждения и фильтрации, соответственно. Преимуществами смешанной циркуляции являются простота конструкции, короткий процесс, низкая стоимость и возможность обеспечить одинаковый размер циркуляции щелочи в катодной и анодной камерах электролизного бака; недостатком является то, что, с одной стороны, это может повлиять на чистоту водорода и кислорода, а с другой стороны, это может привести к нарушению регулировки уровня водородно-кислородного сепаратора, что может привести к повышенному риску смешивания водорода и кислорода. В настоящее время водородно-кислородная сторона цикла смешивания щелочи является наиболее распространенным процессом.
2??Независимая циркуляция водорода и кислорода боковой щелочи
При такой форме циркуляции требуются два циркуляционных насоса для щелочи, т.е. две внутренние циркуляции. Щелочь на дне водородного сепаратора проходит через циркуляционный насос со стороны водорода, охлаждается и фильтруется, а затем поступает в катодную камеру электролизного бака; щелочь на дне кислородного сепаратора проходит через циркуляционный насос со стороны кислорода, охлаждается и фильтруется, а затем поступает в анодную камеру электролизного бака. Преимущество независимой циркуляции щелочи заключается в том, что водород и кислород, получаемые при электролизе, имеют высокую чистоту, что позволяет избежать риска смешивания водорода и кислорода в сепараторе; недостатком является сложность и дороговизна конструкции и процесса, а также необходимость обеспечения согласованности расхода, напора, мощности и других параметров насосов с обеих сторон, что повышает сложность эксплуатации и выдвигает требование контроля стабильности работы обеих сторон системы.
3
Влияние скорости циркуляции щелочи на получение водорода из электролизной воды и условия работы электролизной ячейки
1??Чрезмерная циркуляция щелочи
（1）Влияние на чистоту водорода и кислорода
Поскольку водород и кислород в щелочи имеет определенную растворимость, циркуляция слишком велика, чтобы сделать общее количество растворенного водорода и кислорода увеличивается, с щелочью в камеру, вызывая электролитического бака выход водорода, кислорода чистота снизилась; циркуляция слишком велика, чтобы вызвать в водорода, кислорода жидкости сепаратор оставаться слишком коротким, не полностью отделен от газа с щелочью в электролитический бак снова, влияя на эффективность электрохимической реакции в электролитический бак и чистоты водорода и кислорода, далее Это повлияет на эффективность электрохимической реакции и чистоту водорода и кислорода в электролизном баке, а также повлияет на способность оборудования для очистки водорода и кислорода дегидрогенизировать и деоксигенизировать, что приведет к плохому эффекту очистки водорода и кислорода и повлияет на качество продукции.
（2）Влияние температуры в резервуаре
При условии, что температура на выходе из охладителя щелочи остается неизменной, слишком большой поток щелочи будет отводить больше тепла от электролитического бака, что приведет к снижению температуры бака и увеличению мощности.
（3）Влияние на ток и напряжение
Чрезмерная циркуляция щелочи влияет на стабильность тока и напряжения. Чрезмерный поток жидкости будет мешать нормальным колебаниям тока и напряжения, в результате чего ток и напряжение не будут легко стабилизироваться, что приведет к колебаниям рабочего состояния выпрямительного шкафа и трансформатора, а значит, повлияет на производство и качество водорода.
（4）Повышенное потребление энергии
Чрезмерная циркуляция щелочи также может привести к увеличению потребления энергии, повышению эксплуатационных расходов и снижению энергоэффективности системы. В основном при увеличении вспомогательной охлаждающей воды внутренняя система циркуляции и внешняя циркуляция распыляется и вентилятор, охлажденная вода нагрузки и т.д., так что потребление энергии увеличивается, общее потребление энергии увеличивается.
（5）Причина отказа оборудования
Чрезмерная циркуляция щелочи увеличивает нагрузку на циркуляционный насос щелочи, что соответствует повышенным колебаниям расхода, давления и температуры электролизера, что в свою очередь влияет на электроды, мембраны и прокладки внутри электролизера, что может привести к сбоям или повреждениям оборудования, а также к увеличению объема работ по техническому обслуживанию и ремонту.
2??Слишком малая циркуляция щелока
（1）Влияние температуры в резервуаре
Если объем циркулирующей щелочи недостаточен, тепло в электролизном резервуаре не может быть своевременно отведено, что приводит к повышению температуры. Высокая температура окружающей среды приводит к повышению давления насыщенного пара воды в газовой фазе и увеличению содержания воды. Если вода не может быть сконденсирована в достаточной степени, это увеличивает нагрузку на систему очистки и влияет на эффект очистки, а также влияет на эффект и срок службы катализатора и адсорбента.
（2）Влияние на срок службы мембраны
Постоянная высокая температура окружающей среды ускорит старение мембраны, сделает ее производительность снижается или даже разрыв, легко вызвать мембрану с обеих сторон водорода и кислорода взаимной проницаемости, влияя на чистоту водорода и кислорода. При взаимном проникновении близко к нижнему пределу взрыва, так что вероятность опасности электролизера значительно возрастает. В то же время, постоянная высокая температура также приведет к повреждению герметизирующей прокладки, сокращая срок ее службы.
（3）Воздействие на электроды
Если объем циркулирующей щелочи слишком мал, образующийся газ не может быстро покинуть активный центр электрода, что влияет на эффективность электролиза; если электрод не может полностью контактировать со щелочью для электрохимической реакции, возникают аномалии частичного разряда и сухого горения, что ускоряет осыпание катализатора на электроде.
（4 ）Влияние на напряжение ячейки
Количество циркулирующей щелочи слишком мало, поэтому пузырьки водорода и кислорода, образующиеся в активном центре электрода, не успевают отводиться, и количество растворенных в электролите газов увеличивается, что приводит к повышению напряжения в маленькой камере и увеличению потребляемой мощности.
4
Методы 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 теплоотдачи вокруг электролизного бака; регулировка рабочих параметров электролизного бака, если необходимо, чтобы избежать возникновения слишком большого или слишком малого объема циркуляции щелочи.
Оптимальный расход щелочи необходимо определять в зависимости от 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 и другие факторы.
Технические параметры:
Размер 4800x2240x2281мм
Общий вес 40700 кг
Эффективный размер камеры 1830, количество камер 238
Плотность тока электролизера 5000А/м2
Рабочее давление 1.6Mpa
Температура реакции 90°C±5°C
Объем водорода продукта одного комплекта электролизера 1300Нм3/ч
Количество кислорода в продукте 650Нм3/ч
Постоянный ток 13100А, постоянное напряжение 480В
Охладитель щелочи Φ700x4244 мм
Площадь теплообмена 88.2m2
Сепаратор водорода и кислорода Φ1300x3916mm
Кислородный сепаратор Φ1300x3916mm
Концентрация раствора гидроксида калия 30%
Значение сопротивления чистой воды >5MΩ-cm
Взаимосвязь между раствором гидроксида калия и электролитической ячейкой：
Сделайте чистую воду проводящей, выведите водород и кислород и заберите тепло. Поток охлаждающей воды используется для контроля температуры щелочи, чтобы температура реакции электролизера была относительно стабильной, а выделение тепла электролизером и поток охлаждающей воды соответствовали тепловому балансу системы для достижения наилучших условий работы и наиболее энергосберегающих рабочих параметров.
В соответствии с реальными условиями эксплуатации:
Объем циркуляции щелочи контролируется на уровне 60м3/ч.
Открытие потока охлаждающей воды составляет около 95%.
Температура реакции электролизера при полной нагрузке контролируется на уровне 90℃.
В оптимальном рабочем состоянии потребляемая мощность постоянного тока электролизера составляет 4.56 кВтч/Нм3Ч?.
5
резюме
В целом, объем циркуляции щелочи является важным параметром в процессе производства водорода электролизом воды, который связан с чистотой газа, напряжением камеры, температурой электролизного бака и другими параметрами. Для замены щелочи в резервуаре целесообразно контролировать объем циркуляции на уровне 2~4 раз/ч/мин. Эффективный контроль объема циркулирующей щелочи обеспечивает стабильную и безопасную работу оборудования для производства водорода методом электролиза воды в течение длительного периода времени.
При производстве водорода методом электролиза воды в щелочных электролизерах оптимизация рабочих параметров и конструкции проточной части электролизера в сочетании с выбором материалов электродов и мембран является ключевым фактором увеличения силы тока, снижения напряжения в резервуаре и экономии электроэнергии.
@2023 ОАО ?Сычуаньская научно-техническая водородная энергетическая компания Ally? 備案號： 蜀ICP備11023091號-1
