W procesie produkcji wodoru za pomocą elektrolizera alkalicznego, w jaki sposób zapewnić stabilną pracę urządzenia, oprócz jakości samego elektrolizera, na którą istotnym czynnikiem wpływającym jest również ilość cyrkulacji ługu w ustawieniach.
Niedawno na spotkaniu Komitetu ds. Wodoru Chińskiego Stowarzyszenia Gazów Przemysłowych poświęconym wymianie technologii bezpieczeństwa produkcji, Huang Li, kierownik programu eksploatacji i konserwacji wodoru przy elektrolizie wodoru i wody, podzielił się naszym doświadczeniem w zakresie ustawiania objętości cyrkulacji wodoru i ługu w rzeczywistym procesie testowania, eksploatacji i konserwacji.
Poniżej zamieszczono oryginalną pracę.
——————
W ramach krajowej strategii podwójnego węgla firma Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd, specjalizująca się w produkcji wodoru od 25 lat i pierwsza, która zaangażowała się w dziedzinę energii wodorowej, rozpoczęła rozszerzanie prac nad rozwojem technologii zielonego wodoru i sprzętu, obejmujących projektowanie kanałów do zbiorników elektrolizy, produkcję sprzętu, powlekanie elektrod, a także testowanie oraz obsługę i konserwację zbiorników elektrolizy.
JedenZasada działania elektrolizera alkalicznego
Przepuszczając prąd stały przez elektrolizer wypełniony elektrolitem, cząsteczki wody ulegają reakcji elektrochemicznej na elektrodach i rozkładają się na wodór i tlen. Aby zwiększyć przewodność elektrolitu, zazwyczaj stosuje się roztwór wodny o stężeniu 30% wodorotlenku potasu lub 25% wodorotlenku sodu.
Elektrolizer składa się z kilku ogniw elektrolitycznych. Każda komora elektrolizy składa się z katody, anody, przepony i elektrolitu. Główną funkcją przepony jest zapobieganie przenikaniu gazu. W dolnej części elektrolizera znajduje się wspólny wlot i wylot, a w górnej części kanał przepływowy dla mieszaniny gazowo-cieczowej, alkalicznej i tlenowo-alkalicznej. Po podaniu określonego napięcia prądu stałego, gdy napięcie przekroczy teoretyczne napięcie rozkładu wody 1,23 V, a napięcie neutralne termicznie 1,48 V, następuje reakcja redoks między elektrodą a powierzchnią ciekła, w wyniku której woda rozkłada się na wodór i tlen.
Dwa sposoby dystrybucji ługu
1️⃣Wodór, tlen i ług w cyklu mieszanym
W tej formie cyrkulacji ług dostaje się do pompy cyrkulacyjnej ługu rurą łączącą u dołu separatora wodoru i separatora tlenu, a następnie, po schłodzeniu i przefiltrowaniu, trafia do komór katodowej i anodowej elektrolizera. Zaletami cyrkulacji mieszanej są prosta konstrukcja, krótki proces, niski koszt oraz możliwość zapewnienia takiej samej wielkości cyrkulacji ługu do komór katodowej i anodowej elektrolizera. Wadą jest to, że z jednej strony może to wpłynąć na czystość wodoru i tlenu, a z drugiej strony może spowodować rozregulowanie poziomu separatora wodoru i tlenu, co może prowadzić do zwiększonego ryzyka mieszania wodoru z tlenem. Obecnie, strona wodorowo-tlenowa cyklu mieszania ługu jest najczęściej stosowanym procesem.
2️⃣Oddzielna cyrkulacja wodoru i tlenu w roztworze bocznym
Ta forma cyrkulacji wymaga dwóch pomp cyrkulacyjnych ługu, tj. dwóch obiegów wewnętrznych. Ług na dnie separatora wodoru przepływa przez pompę cyrkulacyjną po stronie wodoru, jest chłodzony i filtrowany, a następnie wpływa do komory katodowej elektrolizera; ług na dnie separatora tlenu przepływa przez pompę cyrkulacyjną po stronie tlenu, jest chłodzony i filtrowany, a następnie wpływa do komory anodowej elektrolizera. Zaletą niezależnej cyrkulacji ługu jest to, że wodór i tlen wytwarzane w procesie elektrolizy są wysokiej czystości, co fizycznie eliminuje ryzyko mieszania się wodoru i separatora tlenu; wadą jest to, że konstrukcja i proces są skomplikowane i kosztowne, a ponadto konieczne jest zapewnienie spójności natężenia przepływu, wysokości podnoszenia, mocy i innych parametrów pomp po obu stronach, co zwiększa złożoność działania i stawia wymóg kontrolowania stabilności obu stron systemu.
Trzy wpływy szybkości przepływu cyrkulacyjnego ługu na produkcję wodoru przez wodę elektrolityczną i warunki pracy elektrolizera
1️⃣Nadmierne krążenie ługu
(1) Wpływ na czystość wodoru i tlenu
Ponieważ wodór i tlen mają określoną rozpuszczalność w ługu, objętość cyrkulacji jest zbyt duża, co powoduje wzrost całkowitej ilości rozpuszczonego wodoru i tlenu i przedostaje się do każdej komory z ługiem, co powoduje zmniejszenie czystości wodoru i tlenu na wylocie elektrolizera; objętość cyrkulacji jest zbyt duża, co powoduje, że czas retencji separatora wodoru i tlenu jest zbyt krótki, a gaz, który nie został całkowicie oddzielony, jest wprowadzany z powrotem do wnętrza elektrolizera z ługiem, co wpływa na wydajność reakcji elektrochemicznej elektrolizera oraz czystość wodoru i tlenu, a ponadto wpływa to na wydajność reakcji elektrochemicznej w elektrolizerze oraz czystość wodoru i tlenu, a także na zdolność urządzeń do oczyszczania wodoru i tlenu do odwodornienia i odtlenienia, co skutkuje słabym efektem oczyszczania wodoru i tlenu i wpływa na jakość produktów.
(2) Wpływ na temperaturę zbiornika
Jeżeli temperatura na wylocie chłodnicy ługu pozostaje niezmienna, zbyt duży przepływ ługu odbierze elektrolizerowi więcej ciepła, powodując spadek temperatury zbiornika i wzrost mocy.
(3) Wpływ na prąd i napięcie
Nadmierna cyrkulacja ługu wpłynie na stabilność prądu i napięcia. Nadmierny przepływ cieczy zakłóci normalne wahania prądu i napięcia, utrudniając ich stabilizację, co z kolei wpłynie na wahania w warunkach pracy szafy prostownika i transformatora, a tym samym negatywnie na produkcję i jakość wodoru.
(4) Zwiększone zużycie energii
Nadmierna cyrkulacja ługu może również prowadzić do zwiększonego zużycia energii, wyższych kosztów eksploatacji i niższej efektywności energetycznej systemu. Wynika to głównie ze wzrostu zapotrzebowania na dodatkową cyrkulację wewnętrzną wody chłodzącej oraz zewnętrznego systemu natryskowego i wentylatora, obciążenia wodą lodową itp., co powoduje wzrost zużycia energii, a co za tym idzie – wzrost całkowitego zużycia energii.
(5) Spowodować awarię sprzętu
Nadmierna cyrkulacja ługu zwiększa obciążenie pompy cyrkulacyjnej ługu, co przekłada się na wzrost natężenia przepływu, wahania ciśnienia i temperatury w elektrolizerze, co z kolei oddziałuje na elektrody, przepony i uszczelki wewnątrz elektrolizera, co może prowadzić do nieprawidłowego działania lub uszkodzeń urządzeń oraz zwiększenia nakładu pracy związanego z konserwacją i naprawami.
2️⃣Zbyt mała cyrkulacja ługu
(1) Wpływ na temperaturę zbiornika
Gdy objętość krążącego ługu jest niewystarczająca, ciepło w elektrolizerze nie może zostać odebrane na czas, co powoduje wzrost temperatury. Wysoka temperatura otoczenia powoduje wzrost prężności pary nasyconej wody w fazie gazowej i wzrost zawartości wody. Jeśli woda nie zostanie wystarczająco skroplona, zwiększy to obciążenie systemu oczyszczania i wpłynie na skuteczność oczyszczania, a także wpłynie na skuteczność i żywotność katalizatora i adsorbentu.
(2) Wpływ na żywotność membrany
Ciągłe działanie wysokiej temperatury przyspiesza starzenie się membrany, pogarsza jej wydajność, a nawet powoduje pęknięcie. Łatwo jest doprowadzić do wzajemnej przepuszczalności wodoru i tlenu po obu stronach membrany, co wpływa na czystość wodoru i tlenu. Wzajemna infiltracja w pobliżu dolnej granicy wybuchu znacznie zwiększa prawdopodobieństwo zagrożenia dla elektrolizera. Jednocześnie, ciągła wysoka temperatura może również spowodować uszkodzenie uszczelki, skracając jej żywotność.
(3) Wpływ na elektrody
Jeśli ilość krążącego ługu jest zbyt mała, wytworzony gaz nie może szybko opuścić aktywnego centrum elektrody, co ma wpływ na wydajność elektrolizy. Jeśli elektroda nie może mieć pełnego kontaktu z ługiem, aby przeprowadzić reakcję elektrochemiczną, wystąpią anomalie częściowych wyładowań i suche spalanie, przyspieszające usuwanie katalizatora z elektrody.
(4) Wpływ na napięcie ogniwa
Ilość krążącego ługu jest zbyt mała, ponieważ pęcherzyki wodoru i tlenu wytwarzane w aktywnym centrum elektrody nie mogą zostać na czas usunięte, a ilość rozpuszczonych gazów w elektrolicie wzrasta, co powoduje wzrost napięcia w małej komorze i wzrost zużycia energii.
Cztery metody określania optymalnej szybkości przepływu cyrkulacji ługu
Aby rozwiązać powyższe problemy, konieczne jest podjęcie odpowiednich środków, takich jak regularne sprawdzanie układu cyrkulacji ługu w celu zapewnienia jego prawidłowej pracy, utrzymywanie dobrych warunków odprowadzania ciepła wokół elektrolizera oraz, w razie potrzeby, dostosowywanie parametrów pracy elektrolizera, aby uniknąć wystąpienia zbyt dużej lub zbyt małej objętości cyrkulacji ługu.
Optymalną szybkość przepływu ługu należy określić na podstawie konkretnych parametrów technicznych elektrolizera, takich jak rozmiar elektrolizera, liczba komór, ciśnienie robocze, temperatura reakcji, wytwarzanie ciepła, stężenie ługu, chłodnica ługu, separator wodoru i tlenu, gęstość prądu, czystość gazu i inne wymagania, trwałość urządzeń i rurociągów oraz inne czynniki.
Parametry techniczne Wymiary:
rozmiary 4800x2240x2281mm
masa całkowita 40700 kg
Efektywny rozmiar komory 1830, liczba komór 238个
Gęstość prądu elektrolizera 5000A/m²
ciśnienie robocze 1,6Mpa
temperatura reakcji 90℃±5℃
Pojedynczy zestaw elektrolizera, objętość wodoru 1300 Nm³/h
Tlen produktowy 650Nm³/h
prąd stały n13100A, napięcie stałe 480V
Chłodnica ługu Φ700x4244mm
powierzchnia wymiany ciepła 88,2m²
Separator wodoru i tlenu Φ1300x3916mm
separator tlenu Φ1300x3916mm
Stężenie roztworu wodorotlenku potasu 30%
Wartość oporu czystej wody >5MΩ·cm
Związek między roztworem wodorotlenku potasu a elektrolizerem:
Czysta woda ma właściwości przewodzące, uwalnia wodór i tlen oraz odprowadza ciepło. Przepływ wody chłodzącej służy do kontrolowania temperatury ługu, tak aby temperatura reakcji elektrolizera była względnie stabilna, a generowanie ciepła przez elektrolizer i przepływ wody chłodzącej służą do dopasowania bilansu cieplnego systemu, aby uzyskać najlepsze warunki pracy i najbardziej energooszczędne parametry operacyjne.
Na podstawie rzeczywistych operacji:
Regulacja objętości cyrkulacji ługu na poziomie 60 m³/h,
Przepływ wody chłodzącej otwiera się przy około 95%,
Temperaturę reakcji elektrolizera kontroluje się na poziomie 90°C przy pełnym obciążeniu,
Optymalne zużycie prądu stałego elektrolizera wynosi 4,56 kWh/Nm³H₂.
Pięćstreszczać
Podsumowując, objętość cyrkulacji ługu jest ważnym parametrem w procesie produkcji wodoru metodą elektrolizy wody, który jest powiązany z czystością gazu, napięciem w komorze, temperaturą elektrolizera i innymi parametrami. Zaleca się kontrolowanie objętości cyrkulacji ługu w zbiorniku z częstotliwością 2–4 razy na godzinę i minutę. Efektywna kontrola objętości cyrkulacji ługu zapewnia stabilną i bezpieczną pracę urządzeń do produkcji wodoru metodą elektrolizy wody przez długi czas.
W procesie produkcji wodoru poprzez elektrolizę wody w elektrolizerze alkalicznym optymalizacja parametrów warunków pracy i konstrukcja kanału elektrolizera, w połączeniu z doborem materiału elektrody i materiału membrany, odgrywają kluczową rolę w zwiększaniu prądu, obniżaniu napięcia w zbiorniku i oszczędzaniu energii.
——Skontaktuj się z nami——
Tel.: +86 028 6259 0080
Faks: +86 028 6259 0100
E-mail: tech@allygas.com
Czas publikacji: 09-01-2025
