В процессе производства водорода в щелочном электролизере, помимо качества самого электролизера, важным фактором, влияющим на стабильную работу устройства, является настройка объема циркуляции щелочи.

Недавно на совещании Китайской ассоциации промышленных газов, посвященном обмену опытом по технологии безопасного производства водорода, Хуан Ли, руководитель программы эксплуатации и технического обслуживания водородных электролизеров, поделился нашим опытом по настройке объема циркуляции водорода и щелочи в процессе фактического тестирования и эксплуатации.

Ниже приводится оригинальная статья.

——————

На фоне национальной стратегии двойного углерода компания Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd, специализирующаяся на производстве водорода в течение 25 лет и первой вышедшая на рынок водородной энергетики, начала расширять разработку технологий и оборудования для производства зеленого водорода, включая проектирование бегунов электролизеров, производство оборудования, нанесение покрытий на электроды, а также тестирование и эксплуатацию электролизеров.

ОдинПринцип работы щелочного электролизера

Пропуская постоянный ток через электролизер, заполненный электролитом, молекулы воды подвергаются электрохимической реакции 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 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 газожидкостной смеси щелочи и кислорода. При подаче определенного напряжения постоянного тока, когда напряжение превышает теоретическое напряжение разложения воды 1,23 В и напряжение тепловой нейтральности 1,48 В на определенную величину, происходит окислительно-восстановительная реакция на границе раздела электрод-жидкость, вода разлагается на водород и кислород.

Два Как циркулирует щелочь

1️⃣Смешанный цикл щелочи со стороны водорода и кислорода

В этой форме циркуляции щелочь поступает в циркуляционный насос щелочи через соединительную трубу в нижней части сепаратора водорода и сепаратора кислорода, а затем поступает в катодную и анодную камеры электролизера после охлаждения и фильтрации. Преимущества смешанной циркуляции - простая структура, короткий процесс, низкая стоимость, и может обеспечить одинаковый размер циркуляции щелочи в катодную и анодную камеры электролизера; недостаток заключается в том, что, с одной стороны, это может повлиять на чистоту водорода и кислорода, а с другой стороны, это может привести к нарушению регулировки уровня сепаратора водорода-кислорода, что может привести к повышенному риску смешивания водорода и кислорода. В настоящее время смешанный цикл щелочи со стороны водорода-кислорода является наиболее распространенным процессом.

2️⃣Раздельная циркуляция щелочи со стороны водорода и кислорода

Эта форма циркуляции требует двух циркуляционных насосов щелочи, то есть двух внутренних циркуляций. Щелочь в нижней части сепаратора водорода проходит через циркуляционный насос со стороны водорода, охлаждается и фильтруется, а затем поступает в катодную камеру электролизера; щелочь в нижней части сепаратора кислорода проходит через циркуляционный насос со стороны кислорода, охлаждается и фильтруется, а затем поступает в анодную камеру электролизера. Преимущество независимой циркуляции щелочи заключается в том, что водород и кислород, полученные в результате электролиза, имеют высокую чистоту, физически избегая риска смешивания в сепараторе водорода и кислорода; недостаток заключается в том, что структура и процесс сложны и дороги, а также необходимо обеспечить согласованность 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 циркуляции щелочи на производство водорода электролизом воды и рабочее состояние 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 поступают в каждую камеру вместе со щелочью, что приводит к снижению чистоты водорода и кислорода на выходе из электролизера; слишком большой объем циркуляции приводит к слишком короткому времени удержания в жидкостном сепараторе водорода и кислорода, и газ, который не был полностью отделен, возвращается обратно во внутреннюю часть электролизера вместе 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 далее повлияет на способность оборудования для очистки водорода и кислорода к дегидрированию и дезоксигенации, что приведет к плохому эффекту очистки водорода и кислорода и повлияет на качество продукции.

（2）Влияние на температуру бака

В условиях, когда температура на выходе из охладителя щелочи остается неизменной, слишком большой поток щелочи будет отводить больше тепла из электролизера, вызывая падение температуры бака и увеличение мощности.

（3）Влияние на ток и напряжение

Чрезмерная циркуляция щелочи повлияет на стабильность тока и напряжения. Чрезмерный поток жидкости будет мешать нормальным колебаниям тока и напряжения, вызывая нестабильность тока и напряжения, вызывая колебания в рабочем состоянии выпрямительного шкафа и трансформатора, и, следовательно, влияя на производство и качество водорода.

（4）Увеличение потребления энергии

Чрезмерная циркуляция щелочи также может привести к увеличению потребления энергии, увеличению эксплуатационных расходов и снижению энергоэффективности системы. В основном за счет увеличения вспомогательной системы внутреннего охлаждения водой и внешнего распыления и вентилятора, нагрузки на охлажденную воду и т. д., что приводит к увеличению энергопотребления, увеличению общего энергопотребления.

（5）Вызывает выход из строя оборудования

Чрезмерная циркуляция щелочи увеличивает нагрузку на циркуляционный насос щелочи, что соответствует увеличению расхода, перепада давления и колебаниям температуры в электролизере, что, 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.

2️⃣Циркуляция щелочи слишком мала

（1）Влияние на температуру бака

Когда объем циркуляции щелочи недостаточен, тепло в электролизере не может быть отведено вовремя, что приводит к повышению температуры. Высокотемпературная среда повышает давление насыщенного пара воды в газовой фазе и увеличивает содержание воды. Если вода не может быть достаточно сконденсирована, это увеличит нагрузку на систему очистки и повлияет на эффект очистки, а также повлияет на эффект и срок службы катализатора и адсорбента.

（2）Влияние на срок службы диафрагмы

Непрерывная высокотемпературная среда ускорит старение диафрагмы, приведет к ухудшению ее характеристик или даже разрыву, что может легко привести к взаимной проницаемости водорода и кислорода по обе стороны диафрагмы, влияя на чистоту водорода и кислорода. Когда взаимное проникновение приближается к нижнему пределу взрыва, вероятность опасности электролизера значительно возрастает. В то же время непрерывная высокая температура также приведет к повреждению уплотнительной прокладки, сокращая срок ее службы.

（3）Влияние на электроды

Если объем циркуляции щелочи слишком мал, образующийся газ не может быстро покинуть активный центр электрода, и эффективность электролиза снижается; если электрод не может полностью контактировать со щелочью для проведения электрохимической реакции, произойдет частичный разряд и сухое горение, ускоряя отслоение катализатора на электроде.

（4）Влияние на напряжение ячейки

Объем циркулирующей щелочи слишком мал, потому что пузырьки водорода и кислорода, образующиеся в активном центре электрода, не могут быть удалены вовремя, и количество растворенных газов в электролите увеличивается, вызывая увеличение напряжения в небольшой камере и повышение энергопотребления.

Четыре 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 теплоотвода вокруг электролизера; и регулировка рабочих параметров электролизера, при необходимости, чтобы избежать 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, сепаратор водорода-кислорода, плотность тока, требования к чистоте газа и другие факторы, долговечность оборудования и трубопроводов и другие факторы.

Технические параметры Размеры：

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, производимого одним комплектом электролизера, 1300 Нм³/ч

Производство кислорода 650 Нм³/ч

постоянный ток n13100A, напряжение постоянного тока 480 В

Охладитель щелочи Φ700x4244 мм

площадь теплообмена 88,2 м²

Сепаратор водорода и кислорода Φ1300x3916 мм

кислородный сепаратор Φ1300x3916 мм

Концентрация раствора гидроксида калия 30%

Сопротивление чистой воды >5 МОм·см

Взаимосвязь между раствором гидроксида калия и электролизером：

Делает чистую воду проводящей, выводит водород и кислород и отводит тепло. Расход охлаждающей воды используется для контроля температуры щелочи, чтобы температура реакции электролизера была относительно стабильной, а тепловыделение электролизера и расход охлаждающей воды используются для согласования теплового баланса системы для достижения наилучших рабочих условий и наиболее энергосберегающих рабочих параметров.

Основываясь на фактических операциях：

Контроль объема циркуляции щелочи на уровне 60 м³/ч

Расход охлаждающей воды открывается примерно на 95%

Температура реакции электролизера поддерживается на уровне 90°C при полной нагрузке

Оптимальное потребление электроэнергии электролизером постоянного тока составляет 4,56 кВтч/Нм³H₂.

ПятьРезюме

Подводя итог, объем циркуляции щелочи является важным параметром в процессе производства водорода электролизом воды, который связан с чистотой газа, напряжением в камере, температурой электролизера и другими параметрами. Целесообразно контролировать объем циркуляции на уровне 2~4 раза/ч/мин замены щелочи в баке. Эффективно контролируя объем циркуляции щелочи, обеспечивается стабильная и безопасная работа оборудования для производства водорода электролизом воды в течение длительного периода времени.

В процессе производства водорода электролизом воды в щелочном электролизере оптимизация параметров рабочих условий и конструкция бегуна электролизера в сочетании с выбором материала электрода и материала диафрагмы являются ключом к увеличению тока, снижению напряжения в баке и экономии энергопотребления.

——Свяжитесь с нами——

Тел: +86 028 6259 0080

Факс: +86 028 6259 0100

Электронная почта: tech@allygas.com