I den alkaliska elektrolysörens väteproduktionsprocess, hur man får enheten att fungera stabilt, utöver kvaliteten på själva elektrolysören, där lutcirkulationsmängden i inställningen också är en viktig inverkansfaktor.
Nyligen, vid China Industrial Gases Association Hydrogen Professional Committees Safety Production Technology Exchange Meeting, delade Huang Li, chef för Hydrogen Water Electrolysis Hydrogen Operation and Maintenance Program, med sig av våra erfarenheter av inställning av vätgas- och lutcirkulationsvolymen i själva test-, drift- och underhållsprocessen.
Följande är originaldokumentet.
———————
Mot bakgrund av den nationella strategin för dubbla koldioxidutsläpp har Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd, som har specialiserat sig på vätgasproduktion i 25 år och var först med att engagera sig inom vätgasenergi, börjat utöka utvecklingen av grön vätgasteknik och utrustning, inklusive design av rännor för elektrolystankar, tillverkning av utrustning, elektrodplätering samt testning, drift och underhåll av elektrolystankar.
EnArbetsprincip för alkalisk elektrolysör
Genom att leda en likström genom en elektrolysör fylld med elektrolyt reagerar vattenmolekyler elektrokemiskt på elektroderna och sönderdelas till väte och syre. För att förbättra elektrolytens konduktivitet är den vanligaste elektrolyten en vattenlösning med en koncentration av 30 % kaliumhydroxid eller 25 % natriumhydroxid.
Elektrolysören består av flera elektrolytiska celler. Varje elektrolyskammare består av katod, anod, membran och elektrolyt. Membranets huvudsakliga funktion är att förhindra gaspermeation. I den nedre delen av elektrolysören finns ett gemensamt inlopp och utlopp, och i den övre delen strömmar en gas-vätskeblandning av alkali och oxi-alkali. När en viss likströmsspänning passerar, när spänningen överstiger den teoretiska sönderdelningsspänningen för vatten på 1,23 V och den termiska neutralspänningen på 1,48 V över ett visst värde, sker en redoxreaktion mellan elektroden och vätskan, varvid vatten sönderdelas till väte och syre.
Två Hur luten cirkuleras
1️⃣Väte, syre-sidlutblandad cykel
I denna form av cirkulation kommer luten in i lutcirkulationspumpen genom anslutningsröret i botten av vätgasseparatorn och syreseparatorn, och kommer sedan in i katod- och anodkammaren i elektrolysatorn efter kylning och filtrering. Fördelarna med blandad cirkulation är enkel struktur, kort process, låg kostnad och att säkerställa samma storlek på lutcirkulationen i katod- och anodkammaren i elektrolysatorn. Nackdelen är att det å ena sidan kan påverka renheten hos väte och syre, och å andra sidan kan det orsaka att nivån i vätgas-syreseparatorn blir ojusterad, vilket kan leda till ökad risk för vätgas-syreblandning. För närvarande är vätgas-syresidan av lutblandningscykeln den vanligaste processen.
2️⃣Separat cirkulation av väte- och syrelut
Denna form av cirkulation kräver två lutcirkulationspumpar, dvs. två interna cirkulationer. Luten i botten av vätgasseparatorn passerar genom vätgassidans cirkulationspump, kyls och filtreras och kommer sedan in i elektrolysörens katodkammare; luten i botten av syreseparatorn passerar genom syresidans cirkulationspump, kyls och filtreras och kommer sedan in i elektrolysörens anodkammare. Fördelen med oberoende lutcirkulation är att vätgasen och syret som produceras genom elektrolysen har hög renhet, vilket fysiskt undviker risken för att blanda vätgas- och syreseparatorn; nackdelen är att strukturen och processen är komplicerad och kostsam, och det är också nödvändigt att säkerställa enhetligheten i flödeshastighet, tryckhöjd, effekt och andra parametrar för pumparna på båda sidor, vilket ökar operationens komplexitet och ställer kravet på att kontrollera stabiliteten på båda sidor av systemet.
Tre Inverkan av cirkulerande flödeshastighet för lut på vätgasproduktion med elektrolytiskt vatten och elektrolysörens arbetsförhållanden
1️⃣Överdriven cirkulation av lut
(1) Effekt på väte- och syrets renhet
Eftersom väte och syre har en viss löslighet i luten är cirkulationsvolymen för stor, vilket leder till att den totala mängden löst väte och syre ökar och kommer in i varje kammare med luten, vilket gör att renheten hos väte och syre minskar i elektrolysörens utlopp. Cirkulationsvolymen är för stor, vilket gör att uppehållstiden för väte- och syreseparatorn blir för kort, och gasen som inte har separerats helt förs tillbaka in i elektrolysörens inre med luten. Detta påverkar effektiviteten i elektrolysörens elektrokemiska reaktion och renheten hos väte och syre. Detta kommer vidare att påverka effektiviteten i den elektrokemiska reaktionen i elektrolysören och renheten hos väte och syre, och påverkar ytterligare förmågan hos väte- och syrereningsutrustningen att dehydrogenera och deoxygenera, vilket resulterar i dålig effekt av väte- och syrereningen och påverkar produktkvaliteten.
(2) Effekt på tanktemperaturen
Under förutsättning att lutkylarens utloppstemperatur förblir oförändrad, kommer för mycket lutflöde att ta bort mer värme från elektrolysören, vilket gör att tanktemperaturen sjunker och effekten ökar.
(3) Effekt på ström och spänning
Överdriven cirkulation av lut påverkar strömmens och spänningens stabilitet. För stort vätskeflöde stör den normala fluktuationen av ström och spänning, vilket gör att ström och spänning inte stabiliseras lätt. Detta orsakar fluktuationer i likriktarskåpets och transformatorns arbetsförhållanden, vilket påverkar vätgasproduktionen och kvaliteten.
(4) Ökad energiförbrukning
Överdriven lutcirkulation kan också leda till ökad energiförbrukning, ökade driftskostnader och minskad systemeffektivitet. Främst ökar den interna cirkulationsprocessen för extra kylvatten och extern cirkulation, spray och fläkt, kylvattenbelastning etc., vilket ökar strömförbrukningen och den totala energiförbrukningen.
(5) Orsakar utrustningsfel
Överdriven lutcirkulation ökar belastningen på lutcirkulationspumpen, vilket motsvarar ökat flöde, tryck- och temperaturfluktuationer i elektrolysören, vilket i sin tur påverkar elektroderna, membranen och packningarna inuti elektrolysören, vilket kan leda till fel eller skador på utrustningen, och en ökad arbetsbelastning för underhåll och reparation.
2️⃣Lutcirkulationen är för liten
(1) Effekt på tanktemperaturen
När den cirkulerande lutvolymen är otillräcklig kan värmen i elektrolysören inte avlägsnas i tid, vilket resulterar i en temperaturökning. Den höga temperaturen gör att det mättade ångtrycket för vatten i gasfasen stiger och vattenhalten ökar. Om vattnet inte kan kondenseras tillräckligt kommer det att öka belastningen på reningssystemet och påverka reningseffekten, och det kommer också att påverka effekten och livslängden för katalysatorn och adsorbenten.
(2) Påverkan på membranets livslängd
En kontinuerlig hög temperatur i miljön påskyndar membranets åldrande, vilket försämrar dess prestanda eller till och med leder till sprängning. Detta kan lätt orsaka att membranet blir ömsesidigt permeabelt mellan väte och syre, vilket påverkar väte och syre. När ömsesidig infiltration närmar sig den nedre explosionsgränsen ökar sannolikheten för fara i elektrolysören avsevärt. Samtidigt kommer kontinuerlig hög temperatur också att orsaka läckage och skador på tätningspackningen, vilket förkortar dess livslängd.
(3) Effekt på elektroder
Om den cirkulerande mängden lut är för liten kan den producerade gasen inte lämna elektrodens aktiva centrum snabbt, och elektrolyseffektiviteten påverkas. Om elektroden inte kan komma i full kontakt med luten för att utföra den elektrokemiska reaktionen, kommer partiell urladdningsavvikelse och torrförbränning att uppstå, vilket accelererar avgivningen av katalysatorn på elektroden.
(4) Effekt på cellspänning
Mängden lut som cirkulerar är för liten, eftersom väte- och syrebubblorna som genereras i elektrodens aktiva centrum inte kan avlägsnas i tid, och mängden upplösta gaser i elektrolyten ökar, vilket orsakar en ökning av spänningen i den lilla kammaren och en ökad strömförbrukning.
Fyra metoder för att bestämma optimal lutcirkulationsflödeshastighet
För att lösa ovanstående problem är det nödvändigt att vidta motsvarande åtgärder, såsom att regelbundet kontrollera lutcirkulationssystemet för att säkerställa dess normala drift; upprätthålla goda värmeavledningsförhållanden runt elektrolysören; och justera elektrolysörens driftsparametrar, om nödvändigt, för att undvika att lutcirkulation uppstår för stor eller för liten.
Det optimala flödet för lutcirkulationen måste bestämmas baserat på specifika tekniska parametrar för elektrolysören, såsom elektrolysörens storlek, antal kammare, driftstryck, reaktionstemperatur, värmealstring, lutkoncentration, lutkylare, väte-syreseparator, strömtäthet, gasrenhet och andra krav, utrustningens och rörens hållbarhet och andra faktorer.
Tekniska parametrar Mått:
storlekar 4800x2240x2281mm
totalvikt 40700 kg
Effektiv kammarstorlek 1830, antal kammare 238
Elektrolysatorns strömtäthet 5000A/m²
driftstryck 1,6 MPa
reaktionstemperatur 90 ℃ ± 5 ℃
En uppsättning elektrolysörprodukt vätevolym 1300 Nm³/h
Produktens syre 650 Nm³/h
likström n13100A, likspänning 480V
Lutkylare Φ700x4244mm
värmeväxlingsyta 88,2 m²
Väte- och syreseparator Φ1300x3916mm
syrgasseparator Φ1300x3916mm
Kaliumhydroxidlösningskoncentration 30 %
Rent vattenresistansvärde >5MΩ·cm
Förhållandet mellan kaliumhydroxidlösning och elektrolysör:
Gör rent vatten ledande, avled väte och syre och avlägsna värme. Kylvattenflödet används för att kontrollera luttemperaturen så att temperaturen i elektrolysörreaktionen är relativt stabil, och värmegenereringen från elektrolysören och kylvattenflödet används för att matcha systemets värmebalans för att uppnå bästa möjliga arbetsförhållanden och de mest energibesparande driftsparametrarna.
Baserat på faktisk verksamhet:
Lutcirkulationsvolymkontroll vid 60 m³/h
Kylvattenflödet öppnar vid cirka 95 %,
Elektrolysörens reaktionstemperatur kontrolleras vid 90 °C vid full belastning.
Den optimala likströmsförbrukningen för elektrolysören är 4,56 kWh/Nm³H₂.
Femsammanfatta
Sammanfattningsvis är cirkulationsvolymen för lut en viktig parameter i processen för vätgasproduktion genom vattenelektrolys, vilken är relaterad till gasens renhet, kammarens spänning, elektrolysörens temperatur och andra parametrar. Det är lämpligt att kontrollera cirkulationsvolymen till 2~4 gånger/h/min lutbytet i tanken. Genom att effektivt kontrollera cirkulationsvolymen för lut säkerställs stabil och säker drift av utrustningen för vätgasproduktion genom vattenelektrolys under en lång tidsperiod.
I vätgasproduktionsprocessen genom vattenelektrolys i alkalisk elektrolysör är optimering av arbetsförhållandena och designen av elektrolysörens löpränna, i kombination med val av elektrodmaterial och membranmaterial, nyckeln till att öka strömmen, minska tankspänningen och spara energiförbrukning.
——Kontakta oss——
Tel: +86 028 6259 0080
Fax: +86 028 6259 0100
E-mail: tech@allygas.com
Publiceringstid: 9 januari 2025