Emäksisen elektrolyyserin vedyn tuotantoprosessissa, miten saada laite toimimaan vakaasti, itse elektrolyyserin laadun lisäksi, jossa myös asetuksen lipeän kiertomäärä on tärkeä vaikutustekijä.
Hiljattain Kiinan teollisuuskaasuyhdistyksen vedyn ammattilaiskomitean turvallisuustuotantoteknologian vaihtokokouksessa vety-vesielektrolyysi-vedyn käyttö- ja kunnossapito-ohjelman johtaja Huang Li jakoi kokemuksiaan vedyn ja lipeän kiertomäärän asettamisesta varsinaisessa testaus-, käyttö- ja kunnossapitoprosessissa.
Seuraava on alkuperäinen paperi.
——————
Kansallisen kaksoishiilistrategian taustalla Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd, joka on erikoistunut vedyn tuotantoon 25 vuoden ajan ja oli ensimmäinen vetyenergia-alalla mukana oleva yritys, on alkanut laajentaa vihreän vetyteknologian ja -laitteiden kehittämistä, mukaan lukien elektrolyysisäiliöiden juoksuputkien suunnittelu, laitteiden valmistus, elektrodipinnoitus sekä elektrolyysisäiliöiden testaus, käyttö ja huolto.
YksiAlkalisen elektrolyyserin toimintaperiaate
Johdettaessa tasavirtaa elektrolyytillä täytetyn elektrolyyserin läpi, vesimolekyylit reagoivat sähkökemiallisesti elektrodeilla ja hajoavat vedyksi ja hapeksi. Elektrolyytin johtavuuden parantamiseksi yleinen elektrolyytti on vesiliuos, jonka pitoisuus on 30 % kaliumhydroksidia tai 25 % natriumhydroksidia.
Elektrolyysilaite koostuu useista elektrolyysikennoista. Jokainen elektrolyysikammio koostuu katodista, anodista, diafragmasta ja elektrolyytistä. Diafragman päätehtävänä on estää kaasun läpäisy. Elektrolyysilaitteen alaosassa on yhteinen sisääntulo ja ulostulo, yläosassa alkalin ja happi-alkalin kaasu-nesteseoksen virtauskanava. Tietyn jännitteen tasavirta ylittää veden teoreettisen hajoamisjännitteen 1,23 V ja termisen neutraalijännitteen 1,48 V tietyn arvon yläpuolella. Elektrodin ja nesteen rajapinnalla tapahtuu redox-reaktio, jossa vesi hajoaa vedyksi ja hapeksi.
Kaksi Miten lipeä kierrätetään
1️⃣Vety, happi ja lipeä -sekoituskierto
Tässä kiertomuodossa lipeä tulee lipeän kiertopumppuun vedynerottimen ja hapenerottimen pohjassa olevan liitosputken kautta ja sitten jäähdytyksen ja suodatuksen jälkeen elektrolysaattorin katodi- ja anodikammioihin. Sekakierron etuja ovat yksinkertainen rakenne, lyhyt prosessi, alhaiset kustannukset ja se, että se voi varmistaa saman lipeän kierron elektrolysaattorin katodi- ja anodikammioihin. Haittapuolena on, että se voi yhtäältä vaikuttaa vedyn ja hapen puhtauteen ja toisaalta aiheuttaa vety-happierottimen tason säädön poikkeaman, mikä voi lisätä vedyn ja hapen sekoittumisriskiä. Tällä hetkellä lipeän sekoitussyklin vety-happipuoli on yleisin prosessi.
2️⃣Vedyn ja hapen sivuliemen erillinen kierto
Tämä kiertomuoto vaatii kaksi lipeäkiertopumppua eli kaksi sisäistä kiertoa. Vetyerottimen pohjalla oleva lipeä kulkee vetypuolen kiertopumpun läpi, jäähdytetään ja suodatetaan ja sitten elektrolysaattorin katodikammioon; happierottimen pohjalla oleva lipeä kulkee happipuolen kiertopumpun läpi, jäähdytetään ja suodatetaan ja sitten elektrolysaattorin anodikammioon. Lipeän itsenäisen kierron etuna on, että elektrolyysillä tuotettu vety ja happi ovat erittäin puhtaita, mikä estää vedyn ja hapen sekoittumisen fyysisesti. Haittapuolena on rakenteen ja prosessin monimutkaisuus ja kustannukset, ja on myös varmistettava pumppujen virtausnopeuden, paineen, tehon ja muiden parametrien yhdenmukaisuus molemmilla puolilla, mikä lisää toiminnan monimutkaisuutta ja asettaa esiin vaatimuksen järjestelmän molempien puolien vakauden hallitsemisesta.
Lipeän kiertovirtausnopeuden vaikutus elektrolyysiveden vedyn tuotantoon ja elektrolyysilaitteen toimintaolosuhteisiin
1️⃣Liian liiallinen lipeän kierto
(1) Vaikutus vedyn ja hapen puhtauteen
Koska vedyllä ja hapella on tietty liukoisuus lipeään, kiertotilavuus on liian suuri, joten liuenneen vedyn ja hapen kokonaismäärä kasvaa ja pääsee lipeän mukana jokaiseen kammioon, mikä aiheuttaa vedyn ja hapen puhtauden heikkenemistä elektrolyysilaitteen ulostulossa; kiertotilavuus on liian suuri, joten vedyn ja hapen nesteerottimen viipymäaika on liian lyhyt, ja täysin erottumaton kaasu tuodaan takaisin elektrolyysilaitteen sisälle lipeän mukana, mikä vaikuttaa elektrolyysilaitteen sähkökemiallisen reaktion tehokkuuteen ja vedyn ja hapen puhtauteen. Tämä vaikuttaa edelleen elektrolyysilaitteen sähkökemiallisen reaktion tehokkuuteen ja vedyn ja hapen puhtauteen sekä vaikuttaa edelleen vedyn ja hapen puhdistuslaitteiden kykyyn dehydrata ja poistaa happea, mikä johtaa vedyn ja hapen puhdistuksen heikkoon tehoon ja vaikuttaa tuotteiden laatuun.
(2) Vaikutus säiliön lämpötilaan
Jos lipeäjäähdyttimen ulostulolämpötila pysyy muuttumattomana, liian suuri lipeävirtaus vie elektrolyysilaitteesta enemmän lämpöä, mikä aiheuttaa säiliön lämpötilan laskun ja tehon kasvun.
(3) Vaikutus virtaan ja jännitteeseen
Liiallinen lipeän kierto vaikuttaa virran ja jännitteen vakauteen. Liiallinen nesteen virtaus häiritsee virran ja jännitteen normaalia vaihtelua, jolloin virtaa ja jännitettä ei ole helppo vakauttaa. Tämä aiheuttaa vaihteluita tasasuuntaajakaapin ja muuntajan toimintakunnossa ja siten vaikuttaa vedyn tuotantoon ja laatuun.
(4) Lisääntynyt energiankulutus
Liiallinen lipeän kierto voi myös johtaa lisääntyneeseen energiankulutukseen, käyttökustannusten nousuun ja järjestelmän energiatehokkuuden laskuun. Pääasiassa sisäisen jäähdytysveden lisäkierron ja ulkoisen kierron suihkun ja puhaltimen, jäähdytetyn veden kuormituksen jne. lisääntyessä energiankulutus kasvaa, mikä lisää kokonaisenergiankulutusta.
(5) Aiheuttaa laitevian
Liiallinen lipeän kierto lisää lipeän kiertopumpun kuormitusta, mikä vastaa elektrolysaattorin virtausnopeuden, paineen ja lämpötilan vaihteluiden kasvua. Tämä puolestaan vaikuttaa elektrolysaattorin sisällä oleviin elektrodeihin, kalvoihin ja tiivisteisiin, mikä voi johtaa laitteiden toimintahäiriöihin tai vaurioihin sekä lisätä huolto- ja korjaustarvetta.
2️⃣Lipeän kierto liian heikko
(1) Vaikutus säiliön lämpötilaan
Kun kiertävän lipeän tilavuus on riittämätön, elektrolyysilaitteen lämpöä ei voida poistaa ajoissa, mikä johtaa lämpötilan nousuun. Korkea lämpötila nostaa veden kylläisen höyrynpainetta kaasufaasissa ja lisää vesipitoisuutta. Jos vettä ei voida tiivistää riittävästi, se lisää puhdistusjärjestelmän kuormitusta ja vaikuttaa puhdistustehoon. Se vaikuttaa myös katalyytin ja adsorbentin tehoon ja käyttöikään.
(2) Vaikutus kalvon käyttöikään
Jatkuva korkea lämpötila kiihdyttää kalvon ikääntymistä, heikentää sen suorituskykyä tai jopa rikkoutuu. Tämä voi helposti aiheuttaa vedyn ja hapen keskinäisen läpäisevyyden häiriön kalvon molemmilla puolilla, mikä vaikuttaa vedyn ja hapen puhtauteen. Kun keskinäinen läpäisykyky lähestyy alarajaa, elektrolyysirivin vaara kasvaa huomattavasti. Jatkuva korkea lämpötila aiheuttaa myös tiivisteen vuotovaurioita, mikä lyhentää sen käyttöikää.
(3) Vaikutus elektrodeihin
Jos kiertävän lipeän määrä on liian pieni, tuotettu kaasu ei pääse poistumaan elektrodin aktiivisesta keskuksesta nopeasti, mikä vaikuttaa elektrolyysin tehokkuuteen; jos elektrodi ei pääse täysin kosketuksiin lipeän kanssa sähkökemiallisen reaktion suorittamiseksi, esiintyy osittainen purkaushäiriö ja kuivapalaminen, mikä kiihdyttää katalyytin irtoamista elektrodilta.
(4) Vaikutus kennojännitteeseen
Kiertävän lipeän määrä on liian pieni, koska elektrodin aktiivisessa keskuksessa syntyviä vety- ja happikuplia ei voida poistaa ajoissa, ja elektrolyytissä liuenneiden kaasujen määrä kasvaa, mikä aiheuttaa pienen kammion jännitteen nousun ja tehonkulutuksen kasvun.
Neljä menetelmää lipeän optimaalisen kiertovirtausnopeuden määrittämiseksi
Yllä mainittujen ongelmien ratkaisemiseksi on tarpeen ryhtyä vastaaviin toimenpiteisiin, kuten tarkistaa säännöllisesti lipeän kiertojärjestelmä sen normaalin toiminnan varmistamiseksi; ylläpitää hyviä lämmönpoisto-olosuhteita elektrolysaattorin ympärillä; ja säätää elektrolysaattorin käyttöparametreja tarvittaessa liian suuren tai liian pienen lipeän kiertomäärän välttämiseksi.
Optimaalinen lipeän kierron virtausnopeus on määritettävä elektrolyysilaitteen teknisten parametrien, kuten elektrolyysilaitteen koon, kammioiden lukumäärän, käyttöpaineen, reaktiolämpötilan, lämmöntuotannon, lipeäpitoisuuden, lipeäjäähdyttimen, vety-happi-erottimen, virrantiheyden, kaasun puhtauden ja muiden vaatimusten, laitteiden ja putkistojen kestävyyden ja muiden tekijöiden, perusteella.
Tekniset parametrit Mitat:
Mitat 4800x2240x2281 mm
Kokonaispaino 40700 kg
Tehokas kammion koko 1830, kammioiden lukumäärä 238
Elektrolyyserin virrantiheys 5000 A/m²
käyttöpaine 1,6 MPa
reaktiolämpötila 90 ℃ ± 5 ℃
Yhden elektrolyysilaitteen tuotesarjan vedyn tilavuus 1300 Nm³/h
Tuote Happi 650Nm³/h
tasavirta n13100A, tasajännite 480V
Lipeäjäähdytin Φ700x4244mm
lämmönvaihtopinta-ala 88,2 m²
Vedyn ja hapen erotin Φ1300x3916mm
happierotin Φ1300x3916mm
Kaliumhydroksidiliuos, pitoisuus 30 %
Puhtaan veden vastusarvo >5 MΩ·cm
Kaliumhydroksidiliuoksen ja elektrolyyserin välinen suhde:
Tee puhdasta vettä johtavaksi, tuo esiin vetyä ja happea ja vie pois lämpöä. Jäähdytysveden virtausta käytetään lipeän lämpötilan säätämiseen siten, että elektrolyysilaitteen reaktiolämpötila on suhteellisen vakaa, ja elektrolyysilaitteen lämmöntuottoa ja jäähdytysveden virtausta käytetään järjestelmän lämpötasapainon sovittamiseen parhaiden toimintaolosuhteiden ja energiansäästöisimpien käyttöparametrien saavuttamiseksi.
Todelliseen toimintaan perustuen:
Lipeän kiertonopeuden säätö 60 m³/h:ssa
Jäähdytysveden virtaus avautuu noin 95%:ssa
Elektrolyyserin reaktiolämpötila säädetään 90 °C:seen täydellä kuormalla.
Elektrolyyserin optimaalinen tasavirrankulutus on 4,56 kWh/Nm³H₂.
Viisiyhteenveto
Yhteenvetona voidaan todeta, että lipeän kiertotilavuus on tärkeä parametri vedyn tuotantoprosessissa vesielektrolyysillä, ja se liittyy kaasun puhtauteen, kammion jännitteeseen, elektrolyysilaitteen lämpötilaan ja muihin parametreihin. On tarkoituksenmukaista säätää kiertotilavuutta siten, että lipeän vaihto säiliössä tapahtuu 2–4 kertaa tunnissa minuutissa. Lipeän kiertotilavuuden tehokas säätö varmistaa vesielektrolyysin vedyntuotantolaitteiden vakaan ja turvallisen toiminnan pitkällä aikavälillä.
Vedyn tuotantoprosessissa, jossa käytetään vesielektrolyysiä alkalisessa elektrolyysilaitteessa, työolosuhteiden parametrien ja elektrolyysilaitteen juoksuputken suunnittelun optimointi yhdistettynä elektrodimateriaalin ja kalvomateriaalin valintaan ovat avainasemassa virran lisäämisessä, säiliön jännitteen alentamisessa ja energiankulutuksen säästämisessä.
——Ota yhteyttä——
Puh: +86 028 6259 0080
Faksi: +86 028 6259 0100
E-mail: tech@allygas.com
Julkaisun aika: 09.01.2025
