V procesu výroby vodíku v alkalickém elektrolyzéru je důležité zajistit stabilní provoz zařízení, a to kromě kvality samotného elektrolyzéru. Důležitým faktorem je také množství cirkulujícího louhu v nastavení.
Nedávno se na setkání odborného výboru pro vodík Čínské asociace průmyslových plynů věnované technologiím bezpečnosti výroby podělil Huang Li, vedoucí programu provozu a údržby vodíku a elektrolýzy vody, o své zkušenosti s nastavováním objemu cirkulace vodíku a louhu v reálném procesu testování, provozu a údržby.
Následuje původní dokument.
——————
V rámci národní strategie duálního uhlíku začala společnost Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd., která se již 25 let specializuje na výrobu vodíku a jako první se zapojila do oblasti vodíkové energie, rozšiřovat vývoj technologií a zařízení pro zelený vodík, včetně návrhu vtoků pro elektrolýzní nádrže, výroby zařízení, pokovování elektrod, jakož i testování, provozu a údržby elektrolýzních nádrží.
JedenPrincip fungování alkalického elektrolyzéru
Průchodem stejnosměrného proudu elektrolyzérem naplněným elektrolytem dochází k elektrochemické reakci molekul vody na elektrodách, které se rozkládají na vodík a kyslík. Pro zvýšení vodivosti elektrolytu se obvykle používá vodný roztok s koncentrací 30 % hydroxidu draselného nebo 25 % hydroxidu sodného.
Elektrolyzér se skládá z několika elektrolytických článků. Každá elektrolytická komora se skládá z katody, anody, membrány a elektrolytu. Hlavní funkcí membrány je zabránění pronikání plynu. Ve spodní části elektrolyzéru je společný vstup a výstup, horní částí protéká plynokapalinová směs alkálií a kyslíko-alkálií. Protéká-li stejnosměrným proudem o určitém napětí, když napětí překročí teoretické rozkladné napětí vody 1,23 V a tepelně neutrální napětí 1,48 V nad určitou hodnotu, dochází k redoxní reakci mezi elektrodou a kapalinou, přičemž se voda rozkládá na vodík a kyslík.
Dva Jak cirkuluje louh
1️⃣Smíšený cyklus vodíku, kyslíku a boční louhy
V tomto typu cirkulace vstupuje louh do cirkulačního čerpadla louhu spojovací trubkou ve spodní části odlučovače vodíku a odlučovače kyslíku a po ochlazení a filtraci vstupuje do katodové a anodové komory elektrolyzéru. Výhodami smíšené cirkulace jsou jednoduchá konstrukce, krátký proces, nízké náklady a možnost zajistit stejnou velikost cirkulace louhu do katodové a anodové komory elektrolyzéru; nevýhodou je, že na jedné straně může ovlivnit čistotu vodíku a kyslíku a na druhé straně může způsobit nerovnoměrné nastavení hladiny odlučovače vodíku a kyslíku, což může vést ke zvýšenému riziku míšení vodíku a kyslíku. V současné době je nejběžnějším procesem strana vodíku a kyslíku v cyklu míchání louhu.
2️⃣Oddělená cirkulace vodíku a kyslíku jako vedlejší louh
Tato forma cirkulace vyžaduje dvě čerpadla pro cirkulaci louhu, tj. dvě vnitřní cirkulace. Louh ve spodní části odlučovače vodíku prochází oběhovým čerpadlem na straně vodíku, je ochlazen a filtrován a poté vstupuje do katodové komory elektrolyzéru; louh ve spodní části odlučovače kyslíku prochází oběhovým čerpadlem na straně kyslíku, je ochlazen a filtrován a poté vstupuje do anodové komory elektrolyzéru. Výhodou nezávislé cirkulace louhu je, že vodík a kyslík vyrobený elektrolýzou mají vysokou čistotu, čímž se fyzicky eliminuje riziko smíchání vodíku a kyslíku v odlučovači; nevýhodou je, že konstrukce a proces jsou složité a nákladné a je také nutné zajistit konzistenci průtoku, dopravní výšky, výkonu a dalších parametrů čerpadel na obou stranách, což zvyšuje složitost provozu a klade požadavek na řízení stability obou stran systému.
Tři Vliv cirkulujícího průtoku louhu na produkci vodíku elektrolytickou vodou a provozní podmínky elektrolyzéru
1️⃣Nadměrná cirkulace louhu
(1) Vliv na čistotu vodíku a kyslíku
Protože vodík a kyslík mají v louhu určitou rozpustnost, je cirkulační objem příliš velký, takže celkové množství rozpuštěného vodíku a kyslíku se zvyšuje a vstupuje do každé komory s louhem, což způsobuje snížení čistoty vodíku a kyslíku na výstupu z elektrolyzéru; cirkulační objem je příliš velký, takže doba zadržení kapalného odlučovače vodíku a kyslíku je příliš krátká a plyn, který nebyl zcela oddělen, se vrací zpět do vnitřku elektrolyzéru s louhem, což ovlivňuje účinnost elektrochemické reakce v elektrolyzéru a čistotu vodíku a kyslíku, a dále to ovlivní účinnost elektrochemické reakce v elektrolyzéru a čistotu vodíku a kyslíku a dále ovlivní schopnost zařízení na čištění vodíku a kyslíku dehydrogenovat a deoxygenovat, což má za následek špatný účinek čištění vodíku a kyslíku a ovlivňuje kvalitu produktů.
(2) Vliv na teplotu nádrže
Za podmínky, že výstupní teplota z chladiče louhu zůstane nezměněna, příliš velký průtok louhu odebere z elektrolyzéru více tepla, což způsobí pokles teploty nádrže a zvýšení výkonu.
(3) Vliv na proud a napětí
Nadměrná cirkulace louhu ovlivní stabilitu proudu a napětí. Nadměrný tok kapaliny naruší normální kolísání proudu a napětí, což způsobí, že proud a napětí nebudou snadno stabilizovány, což způsobí kolísání provozního stavu usměrňovací skříně a transformátoru, a tím ovlivní produkci a kvalitu vodíku.
(4) Zvýšená spotřeba energie
Nadměrná cirkulace louhu může také vést ke zvýšené spotřebě energie, zvýšeným provozním nákladům a snížené energetické účinnosti systému. Zejména se zvyšuje pomocná cirkulace chladicí vody ve vnitřním systému a externí cirkulaci, rozprašování a ventilátor, zatížení chlazené vody atd., takže se zvyšuje spotřeba energie a celková spotřeba energie se zvyšuje.
(5) Způsobit selhání zařízení
Nadměrná cirkulace louhu zvyšuje zatížení čerpadla pro cirkulaci louhu, což odpovídá zvýšenému průtoku, kolísání tlaku a teploty v elektrolyzéru, což následně ovlivňuje elektrody, membrány a těsnění uvnitř elektrolyzéru, což může vést k poruchám nebo poškození zařízení a ke zvýšení pracovní zátěže při údržbě a opravách.
2️⃣Příliš malá cirkulace louhu
(1) Vliv na teplotu nádrže
Pokud je objem cirkulujícího louhu nedostatečný, teplo v elektrolyzéru nemůže být včas odvedeno, což vede ke zvýšení teploty. Vysoké teploty prostředí způsobují zvýšení tlaku nasycených par vody v plynné fázi a zvýšení obsahu vody. Pokud se voda nemůže dostatečně kondenzovat, zvyšuje se zatížení čisticího systému a ovlivňuje se účinek čištění a také se ovlivňuje účinnost a životnost katalyzátoru a adsorbentu.
(2) Vliv na životnost membrány
Dlouhodobě vysoká teplota urychluje stárnutí membrány, snižuje její výkon nebo dokonce praská. Může snadno způsobit vzájemnou propustnost vodíku a kyslíku na obou stranách membrány, což ovlivňuje čistotu vodíku a kyslíku. Pokud se vzájemná infiltrace blíží spodní hranici, pravděpodobnost výbuchu v elektrolyzéru se výrazně zvyšuje. Zároveň dlouhodobě vysoká teplota způsobuje poškození těsnění v důsledku úniku a zkracuje jeho životnost.
(3) Vliv na elektrody
Pokud je množství cirkulujícího louhu příliš malé, produkovaný plyn nemůže rychle opustit aktivní střed elektrody a je ovlivněna účinnost elektrolýzy; pokud se elektroda nemůže plně dotknout louhu a provést elektrochemickou reakci, dochází k částečnému výboji abnormalitě a suchému hoření, což urychluje uvolňování katalyzátoru z elektrody.
(4) Vliv na napětí článku
Množství cirkulujícího louhu je příliš malé, protože bubliny vodíku a kyslíku generované v aktivním středu elektrody nemohou být včas odvedeny a množství rozpuštěných plynů v elektrolytu se zvyšuje, což způsobuje zvýšení napětí v malé komoře a zvýšení spotřeby energie.
Čtyři metody pro stanovení optimálního průtoku cirkulace louhu
K vyřešení výše uvedených problémů je nutné přijmout odpovídající opatření, jako je pravidelná kontrola systému cirkulace louhu pro zajištění jeho normálního provozu; udržování dobrých podmínek pro odvod tepla v okolí elektrolyzéru; a v případě potřeby úprava provozních parametrů elektrolyzéru, aby se zabránilo vzniku příliš velkého nebo příliš malého objemu cirkulace louhu.
Optimální průtok cirkulace louhu je třeba stanovit na základě specifických technických parametrů elektrolyzéru, jako je velikost elektrolyzéru, počet komor, provozní tlak, reakční teplota, generování tepla, koncentrace louhu, chladič louhu, odlučovač vodíku a kyslíku, proudová hustota, čistota plynu a další požadavky, trvanlivost zařízení a potrubí a další faktory.
Technické parametry Rozměry：
rozměry 4800x2240x2281mm
celková hmotnost 40700 kg
Efektivní velikost komory 1830, počet komor 238
Proudová hustota elektrolyzéru 5000 A/m²
provozní tlak 1,6 MPa
reakční teplota 90 °C ± 5 °C
Jedna sada elektrolyzéru s objemem vodíku 1300 Nm³/h
Produkt Kyslík 650 Nm³/h
stejnosměrný proud n13100A, stejnosměrné napětí 480V
Chladič louhu Φ700x4244 mm
plocha pro výměnu tepla 88,2 m²
Odlučovač vodíku a kyslíku Φ1300x3916mm
odlučovač kyslíku Φ1300x3916mm
Roztok hydroxidu draselného o koncentraci 30 %
Hodnota odporu pro čistou vodu >5 MΩ·cm
Vztah mezi roztokem hydroxidu draselného a elektrolyzérem:
Zajišťují vodivost čisté vody, uvolňují vodík a kyslík a odvádějí teplo. Průtok chladicí vody se používá k regulaci teploty louhu, aby byla teplota reakce v elektrolyzéru relativně stabilní, a generované teplo elektrolyzéru a průtok chladicí vody se používají k vyrovnání tepelné bilance systému, aby se dosáhlo nejlepších provozních podmínek a energeticky nejúspornějších provozních parametrů.
Na základě skutečného provozu：
Regulace objemu cirkulace louhu na 60 m³/h
Průtok chladicí vody se otevírá na přibližně 95 %.
Reakční teplota elektrolyzéru je při plném zatížení řízena na 90 °C.
Optimální spotřeba stejnosměrného proudu elektrolyzéru je 4,56 kWh/Nm³H₂.
Pětshrnout
Stručně řečeno, objem cirkulujícího louhu je důležitým parametrem v procesu výroby vodíku elektrolýzou vody, který souvisí s čistotou plynu, napětím v komoře, teplotou elektrolyzéru a dalšími parametry. Je vhodné regulovat cirkulující objem louhu v nádrži s frekvencí 2~4 výměny louhu za hodinu/minutu. Efektivní regulací objemu cirkulujícího louhu je zajištěn stabilní a bezpečný provoz zařízení pro výrobu vodíku elektrolýzou vody po dlouhou dobu.
V procesu výroby vodíku elektrolýzou vody v alkalickém elektrolyzéru je optimalizace provozních parametrů a konstrukce vtokového potrubí elektrolyzéru v kombinaci s výběrem materiálu elektrody a membrány klíčem ke zvýšení proudu, snížení napětí v nádrži a úspoře energie.
——Kontaktujte nás——
Tel.: +86 028 6259 0080
Fax: +86 028 6259 0100
E-mail: tech@allygas.com
Čas zveřejnění: 9. ledna 2025
