Šarminio elektrolizerio vandenilio gamybos procese, kaip užtikrinti stabilų įrenginio veikimą, be paties elektrolizerio kokybės, kuriame šarmo cirkuliacijos kiekis taip pat yra svarbus įtakos veiksnys.
Neseniai Kinijos pramoninių dujų asociacijos Vandenilio profesinio komiteto saugos gamybos technologijų mainų susitikime Vandenilio vandens elektrolizės vandenilio eksploatavimo ir priežiūros programos vadovas Huang Li pasidalijo savo patirtimi apie vandenilio ir šarmo cirkuliacijos tūrio nustatymą faktiniame bandymų, eksploatavimo ir priežiūros procese.
Toliau pateikiamas originalus dokumentas.
——————
Įgyvendindama nacionalinę dvigubo anglies dioksido strategiją, „Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd.“, 25 metus specializuojanti vandenilio gamyboje ir pirmoji įsitraukusi į vandenilio energetikos sritį, pradėjo plėsti žaliojo vandenilio technologijų ir įrangos kūrimą, įskaitant elektrolizės bakų tekėjimo linijų projektavimą, įrangos gamybą, elektrodų dengimą, taip pat elektrolizės bakų bandymus, eksploatavimą ir priežiūrą.
VienasŠarminio elektrolizerio veikimo principas
Leidžiant nuolatinę srovę per elektrolitu užpildytą elektrolizatorių, vandens molekulės elektrochemiškai reaguoja ant elektrodų ir suskaidomos į vandenilį ir deguonį. Siekiant padidinti elektrolito laidumą, bendras elektrolitas yra vandeninis tirpalas, kurio koncentracija yra 30 % kalio hidroksido arba 25 % natrio hidroksido.
Elektrolizerį sudaro keli elektrolizės elementai. Kiekvieną elektrolizės kamerą sudaro katodas, anodas, diafragma ir elektrolitas. Pagrindinė diafragmos funkcija – užkirsti kelią dujų prasiskverbimui. Apatinėje elektrolizerio dalyje yra bendras įleidimo ir išleidimo angos, o viršutinėje dalyje – dujų ir skysčio mišinio šarmų ir deguonies-šarmų srauto kanalas. Įjungus tam tikrą nuolatinės srovės įtampą, kai virš tam tikros vertės teorinė vandens skilimo įtampa 1,23 V ir terminė neutrali įtampa 1,48 V, tarp elektrodo ir skysčio sąsajos vyksta redokso reakcija, vanduo skyla į vandenilį ir deguonį.
Du Kaip cirkuliuoja šarmas
1️⃣Vandenilio, deguonies ir šarmų mišrus ciklas
Šios cirkuliacijos metu šarmas patenka į šarmo cirkuliacinį siurblį per jungiamąjį vamzdį vandenilio separatoriaus ir deguonies separatoriaus apačioje, o po aušinimo ir filtravimo patenka į elektrolizatoriaus katodo ir anodo kameras. Mišrios cirkuliacijos privalumai yra paprasta konstrukcija, trumpas procesas, maža kaina ir galimybė užtikrinti vienodą šarmo cirkuliacijos kiekį elektrolizatoriaus katodo ir anodo kamerose; trūkumas yra tas, kad, viena vertus, tai gali paveikti vandenilio ir deguonies grynumą, kita vertus, tai gali sutrikdyti vandenilio ir deguonies separatoriaus lygį, o tai gali padidinti vandenilio ir deguonies susimaišymo riziką. Šiuo metu labiausiai paplitęs šarmo maišymo ciklo procesas yra vandenilio ir deguonies pusė.
2️⃣Atskira vandenilio ir deguonies cirkuliacija šoniniame šarme
Šiai cirkuliacijos formai reikalingi du šarmo cirkuliaciniai siurbliai, t. y. dvi vidinės cirkuliacijos. Šarmas vandenilio separatoriaus apačioje praeina per vandenilio pusės cirkuliacinį siurblį, yra aušinamas ir filtruojamas, o tada patenka į elektrolizatoriaus katodo kamerą; šarmas deguonies separatoriaus apačioje praeina per deguonies pusės cirkuliacinį siurblį, yra aušinamas ir filtruojamas, o tada patenka į elektrolizatoriaus anodo kamerą. Nepriklausomos šarmo cirkuliacijos privalumas yra tas, kad elektrolizės metu susidaręs vandenilis ir deguonis yra labai gryni, fiziškai išvengiant vandenilio ir deguonies separatoriaus susimaišymo rizikos; trūkumas yra tas, kad konstrukcija ir procesas yra sudėtingi ir brangūs, taip pat būtina užtikrinti abiejų pusių siurblių srauto greičio, slėgio, galios ir kitų parametrų pastovumą, o tai padidina veikimo sudėtingumą ir iškelia reikalavimą kontroliuoti abiejų sistemos pusių stabilumą.
Trys cirkuliuojančio šarmo srauto greičio įtaka vandenilio gamybai elektrolizės metu ir elektrolizatoriaus darbo sąlyga
1️⃣Per didelė šarmų cirkuliacija
(1) Poveikis vandenilio ir deguonies grynumui
Kadangi vandenilis ir deguonis šarme tam tikru mastu tirpsta, cirkuliacijos tūris yra per didelis, todėl bendras ištirpusio vandenilio ir deguonies kiekis padidėja ir kartu su šarmu patenka į kiekvieną kamerą, todėl elektrolizatoriaus išleidimo angoje sumažėja vandenilio ir deguonies grynumas; cirkuliacijos tūris yra per didelis, todėl vandenilio ir deguonies skysčio separatoriaus sulaikymo laikas yra per trumpas, o nevisiškai atskirtos dujos kartu su šarmu grąžinamos į elektrolizatoriaus vidų, o tai turi įtakos elektrolizatoriaus elektrocheminės reakcijos efektyvumui ir vandenilio bei deguonies grynumui, be to, tai turės įtakos elektrocheminės reakcijos efektyvumui elektrolizeryje ir vandenilio bei deguonies grynumui, taip pat vandenilio ir deguonies valymo įrangos gebėjimui dehidrinti ir deoksigenuoti, dėl to sumažės vandenilio ir deguonies valymo efektyvumas ir pablogės produktų kokybė.
(2) Poveikis bako temperatūrai
Jei šarmo aušintuvo išleidimo temperatūra nesikeičia, per didelis šarmo srautas iš elektrolizerio atims daugiau šilumos, todėl sumažės bako temperatūra ir padidės galia.
(3) Poveikis srovei ir įtampai
Per didelė šarmo cirkuliacija paveiks srovės ir įtampos stabilumą. Per didelis skysčio srautas sutrikdys normalų srovės ir įtampos svyravimą, dėl ko srovė ir įtampa nebus lengvai stabilizuojami, sukels lygintuvo spintelės ir transformatoriaus darbinės būklės svyravimus, o tai turės įtakos vandenilio gamybai ir kokybei.
(4) Padidėjęs energijos suvartojimas
Per didelė šarmo cirkuliacija taip pat gali padidinti energijos suvartojimą, eksploatavimo išlaidas ir sumažinti sistemos energijos vartojimo efektyvumą. Daugiausia dėl padidėjusios pagalbinės aušinimo vandens vidinės cirkuliacijos sistemos ir išorinės cirkuliacijos purškimo bei ventiliatoriaus, atšaldyto vandens apkrovos ir kt., todėl padidėja energijos suvartojimas, o bendros energijos sąnaudos didėja.
(5) Įrangos gedimo priežastis
Per didelė šarmo cirkuliacija padidina šarmo cirkuliacinio siurblio apkrovą, o tai atitinka padidėjusį srauto greitį, slėgio ir temperatūros svyravimus elektrolizeryje, o tai savo ruožtu veikia elektrolizerio viduje esančius elektrodus, diafragmas ir tarpiklius, o tai gali sukelti įrangos gedimus ar pažeidimus, taip pat padidinti priežiūros ir remonto darbo krūvį.
2️⃣Per maža šarmų cirkuliacija
(1) Poveikis bako temperatūrai
Kai cirkuliuojančio šarmo tūris yra nepakankamas, elektrolizeryje esanti šiluma negali būti laiku pašalinta, todėl pakyla temperatūra. Dėl aukštos temperatūros padidėja vandens sočiųjų garų slėgis dujų fazėje ir vandens kiekis. Jei vanduo negali būti pakankamai kondensuotas, padidės valymo sistemos apkrova ir paveiks valymo efektą, taip pat katalizatoriaus ir adsorbento veikimą ir tarnavimo laiką.
(2) Poveikis diafragmos tarnavimo laikui
Nuolatinė aukšta temperatūra pagreitina diafragmos senėjimą, sumažina jos veikimą ar net plyšta, todėl abiejose diafragmos pusėse gali atsirasti vandenilio ir deguonies abipusis pralaidumas, o tai turi įtakos vandenilio ir deguonies grynumui. Kai abipusė infiltracija artėja prie apatinės sprogimo ribos, labai padidėja elektrolizės pavojaus tikimybė. Tuo pačiu metu nuolatinė aukšta temperatūra taip pat gali pažeisti sandarinimo tarpinę dėl nuotėkio, sutrumpinant jos tarnavimo laiką.
(3) Poveikis elektrodams
Jei cirkuliuojančio šarmo kiekis yra per mažas, susidariusios dujos negali greitai palikti aktyvaus elektrodo centro ir tai paveikia elektrolizės efektyvumą; jei elektrodas negali visiškai kontaktuoti su šarmu, kad vyktų elektrocheminė reakcija, atsiras dalinis išlydžio sutrikimas ir sausas degimas, o tai pagreitins katalizatoriaus išsiskyrimą nuo elektrodo.
(4) Poveikis ląstelės įtampai
Cirkuliuojančio šarmo kiekis yra per mažas, nes aktyviajame elektrodo centre susidarę vandenilio ir deguonies burbuliukai negali būti laiku pašalinti, o ištirpusių dujų kiekis elektrolite padidėja, todėl padidėja mažosios kameros įtampa ir energijos suvartojimas.
Keturi optimalaus šarmo cirkuliacijos srauto nustatymo metodai
Norint išspręsti minėtas problemas, būtina imtis atitinkamų priemonių, pavyzdžiui, reguliariai tikrinti šarmų cirkuliacijos sistemą, siekiant užtikrinti normalų jos veikimą; palaikyti geras šilumos išsklaidymo sąlygas aplink elektrolizerį; ir prireikus reguliuoti elektrolizerio veikimo parametrus, kad būtų išvengta per didelio arba per mažo šarmų cirkuliacijos tūrio.
Optimalus šarmo cirkuliacijos srautas turi būti nustatytas atsižvelgiant į konkrečius elektrolizerio techninius parametrus, tokius kaip elektrolizerio dydis, kamerų skaičius, darbinis slėgis, reakcijos temperatūra, šilumos generavimas, šarmo koncentracija, šarmo aušintuvas, vandenilio ir deguonies separatorius, srovės tankis, dujų grynumas ir kiti reikalavimai, įrangos ir vamzdynų patvarumas bei kiti veiksniai.
Techniniai parametrai Matmenys:
Dydžiai 4800x2240x2281 mm
Bendras svoris 40700 kg
Efektyvus kameros dydis 1830, kamerų skaičius 238
Elektrolizerio srovės tankis 5000 A/m²
darbinis slėgis 1,6 MPa
reakcijos temperatūra 90 ℃ ± 5 ℃
Vieno elektrolizerio produkto vandenilio tūrio rinkinys 1300 Nm³/h
Produktas Deguonis 650 Nm³/h
nuolatinė srovė n13100A, nuolatinė įtampa 480V
Šarmų aušintuvas Φ700x4244mm
šilumos mainų plotas 88,2 m²
Vandenilio ir deguonies separatorius Φ1300x3916mm
deguonies separatorius Φ1300x3916mm
Kalio hidroksido tirpalo koncentracija 30 %
Gryno vandens varžos vertė >5 MΩ·cm
Kalio hidroksido tirpalo ir elektrolizatoriaus ryšys:
Padarykite gryną vandenį laidų, ištraukite vandenilį ir deguonį bei pašalinkite šilumą. Aušinimo vandens srautas naudojamas šarmo temperatūrai reguliuoti, kad elektrolizerio reakcijos temperatūra būtų santykinai stabili, o elektrolizerio generuojama šiluma ir aušinimo vandens srautas naudojami sistemos šilumos balansui suderinti, kad būtų pasiektos geriausios darbo sąlygos ir energiją taupantys veikimo parametrai.
Remiantis faktinėmis operacijomis:
Šarmo cirkuliacijos tūrio reguliavimas esant 60 m³/h greičiui,
Aušinimo vandens srautas atsidaro maždaug 95%,
Elektrolizerio reakcijos temperatūra kontroliuojama ties 90 °C esant pilnai apkrovai.
Optimalios elektrolizerio nuolatinės srovės energijos sąnaudos yra 4,56 kWh/Nm³H₂.
Penkiapibendrinti
Apibendrinant galima teigti, kad šarmo cirkuliacijos tūris yra svarbus vandenilio gamybos vandens elektrolizės būdu proceso parametras, susijęs su dujų grynumu, kameros įtampa, elektrolizatoriaus temperatūra ir kitais parametrais. Tikslinga kontroliuoti cirkuliacijos tūrį, keičiant šarmą bake 2–4 kartus per valandą per minutę. Efektyviai kontroliuojant šarmo cirkuliacijos tūrį, užtikrinamas stabilus ir saugus vandens elektrolizės vandenilio gamybos įrangos veikimas ilgą laiką.
Vandenilio gamybos procese, naudojant vandens elektrolizę šarminiame elektrolizeryje, darbo sąlygų parametrų ir elektrolizerio bėgio konstrukcijos optimizavimas kartu su elektrodų ir diafragmos medžiagų parinkimu yra pagrindiniai veiksniai, lemiantys srovės padidinimą, bako įtampos mažinimą ir energijos suvartojimo taupymą.
——Susisiekite su mumis——
Tel.: +86 028 6259 0080
Faksas: +86 028 6259 0100
E-mail: tech@allygas.com
Įrašo laikas: 2025 m. sausio 9 d.
