Sārmainā elektrolizatora ūdeņraža ražošanas procesā, kā panākt ierīces stabilu darbību, papildus paša elektrolizatora kvalitātei, kurā svarīgs ietekmējošs faktors ir arī iestatījuma sārmu cirkulācijas daudzums.
Nesen Ķīnas Rūpniecisko gāzu asociācijas Ūdeņraža profesionālās komitejas Drošības ražošanas tehnoloģiju apmaiņas sanāksmē Ūdeņraža ūdens elektrolīzes ūdeņraža ekspluatācijas un apkopes programmas vadītājs Huans Li dalījās pieredzē par ūdeņraža un sārmu cirkulācijas apjoma iestatīšanu faktiskajā testēšanas, ekspluatācijas un apkopes procesā.
Tālāk ir sniegts oriģinālais raksts.
——————
Saskaņā ar valsts divējāda oglekļa stratēģijas fonu uzņēmums Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd, kas jau 25 gadus specializējas ūdeņraža ražošanā un bija pirmais, kas iesaistījās ūdeņraža enerģijas jomā, ir sācis paplašināt zaļā ūdeņraža tehnoloģiju un iekārtu attīstību, tostarp elektrolīzes tvertņu vadu projektēšanu, iekārtu ražošanu, elektrodu pārklāšanu, kā arī elektrolīzes tvertņu testēšanu, ekspluatāciju un apkopi.
ViensSārmainā elektrolizatora darbības princips
Caur elektrolīzeru, kas piepildīts ar elektrolītu, laižot līdzstrāvu, ūdens molekulas elektroķīmiski reaģē uz elektrodiem un sadalās ūdeņradī un skābeklī. Lai uzlabotu elektrolīta vadītspēju, vispārējais elektrolīts ir ūdens šķīdums ar 30% kālija hidroksīda vai 25% nātrija hidroksīda koncentrāciju.
Elektrolizators sastāv no vairākām elektrolītiskām šūnām. Katra elektrolīzes kamera sastāv no katoda, anoda, diafragmas un elektrolīta. Diafragmas galvenā funkcija ir novērst gāzes caurlaidību. Elektrolizatora apakšējā daļā ir kopīga ieplūde un izplūde, bet augšējā daļā ir sārmu un oksīdu gāzes-šķidruma maisījuma plūsmas kanāls. Kad spriegums nonāk līdzstrāvā, tas pārsniedz noteiktu vērtību, kas pārsniedz teorētisko ūdens sadalīšanās spriegumu 1,23 V un termisko neitrālo spriegumu 1,48 V, starp elektrodu un šķidruma saskarni notiek redoksreakcija, ūdens sadalās ūdeņradī un skābeklī.
Divi Kā sārms tiek cirkulēts
1️⃣Ūdeņraža, skābekļa un sārmu jauktais cikls
Šādā cirkulācijas veidā sārmi nonāk sārmu cirkulācijas sūknī caur savienojošo cauruli ūdeņraža separatora un skābekļa separatora apakšā un pēc atdzesēšanas un filtrēšanas nonāk elektrolizatora katoda un anoda kamerās. Jauktās cirkulācijas priekšrocības ir vienkārša struktūra, īss process, zemas izmaksas un tā var nodrošināt vienāda apjoma sārmu cirkulāciju elektrolizatora katoda un anoda kamerās; trūkums ir tāds, ka, no vienas puses, tas var ietekmēt ūdeņraža un skābekļa tīrību, un, no otras puses, tas var izraisīt ūdeņraža-skābekļa separatora līmeņa novirzi, kas var palielināt ūdeņraža-skābekļa sajaukšanās risku. Pašlaik visizplatītākais process ir sārmu sajaukšanas cikla ūdeņraža-skābekļa puse.
2️⃣Atsevišķa ūdeņraža un skābekļa cirkulācija sānu sārmos
Šāda veida cirkulācijai nepieciešami divi sārmu cirkulācijas sūkņi, t. i., divas iekšējās cirkulācijas. Sārmi ūdeņraža separatora apakšā iziet cauri ūdeņraža puses cirkulācijas sūknim, tiek atdzesēti un filtrēti un pēc tam nonāk elektrolizatora katoda kamerā; sārmi skābekļa separatora apakšā iziet cauri skābekļa puses cirkulācijas sūknim, tiek atdzesēti un filtrēti un pēc tam nonāk elektrolizatora anoda kamerā. Sārmu neatkarīgas cirkulācijas priekšrocība ir tā, ka elektrolīzes rezultātā iegūtais ūdeņradis un skābeklis ir augstas tīrības pakāpes, fiziski novēršot ūdeņraža un skābekļa separatora sajaukšanās risku; trūkums ir sarežģītā struktūra un process, kā arī dārgas izmaksas, un ir jānodrošina abu pušu sūkņu plūsmas ātruma, spiediena, jaudas un citu parametru konsekvence, kas palielina darbības sarežģītību un rada nepieciešamību kontrolēt sistēmas stabilitāti abās pusēs.
Trīs sārmu cirkulācijas plūsmas ātruma ietekme uz ūdeņraža ražošanu elektrolītiskā ūdenī un elektrolizatora darba apstākļi
1️⃣Pārmērīga sārmu cirkulācija
(1) Ietekme uz ūdeņraža un skābekļa tīrību
Tā kā ūdeņradim un skābeklim sārmos ir noteikta šķīdība, cirkulācijas tilpums ir pārāk liels, tāpēc kopējais izšķīdušā ūdeņraža un skābekļa daudzums palielinās un nonāk katrā kamerā kopā ar sārmiem, kā rezultātā samazinās ūdeņraža un skābekļa tīrība elektrolizatora izejā; cirkulācijas tilpums ir pārāk liels, tāpēc ūdeņraža un skābekļa šķidruma separatora aiztures laiks ir pārāk īss, un gāze, kas nav pilnībā atdalīta, kopā ar sārmiem tiek atgriezta elektrolizatora iekšpusē, kas ietekmē elektrolizatora elektroķīmiskās reakcijas efektivitāti un ūdeņraža un skābekļa tīrību, un vēl vairāk tas ietekmēs elektroķīmiskās reakcijas efektivitāti elektrolizatorā un ūdeņraža un skābekļa tīrību, kā arī vēl vairāk ietekmēs ūdeņraža un skābekļa attīrīšanas iekārtu spēju dehidrogenēt un deoksigenēt, kā rezultātā pasliktinās ūdeņraža un skābekļa attīrīšanas efekts un ietekmē produktu kvalitāti.
(2) Ietekme uz tvertnes temperatūru
Ja sārmu dzesētāja izejas temperatūra paliek nemainīga, pārāk liela sārmu plūsma atņems elektrolizatoram vairāk siltuma, izraisot tvertnes temperatūras pazemināšanos un jaudas palielināšanos.
(3) Ietekme uz strāvu un spriegumu
Pārmērīga sārmu cirkulācija ietekmēs strāvas un sprieguma stabilitāti. Pārmērīga šķidruma plūsma traucēs normālas strāvas un sprieguma svārstības, apgrūtinot strāvas un sprieguma stabilizēšanu, izraisot svārstības taisngrieža skapja un transformatora darba stāvoklī un tādējādi ietekmējot ūdeņraža ražošanu un kvalitāti.
(4) Palielināts enerģijas patēriņš
Pārmērīga sārmu cirkulācija var izraisīt arī palielinātu enerģijas patēriņu, palielinātas ekspluatācijas izmaksas un samazināt sistēmas energoefektivitāti. Galvenokārt palielinoties papildu dzesēšanas ūdens iekšējai cirkulācijai un ārējai cirkulācijai smidzinātājā un ventilatorā, atdzesēta ūdens slodzei utt., kā rezultātā palielinās enerģijas patēriņš, palielinās arī kopējais enerģijas patēriņš.
(5) Izraisa iekārtas kļūmi
Pārmērīga sārmu cirkulācija palielina sārmu cirkulācijas sūkņa slodzi, kas atbilst palielinātam plūsmas ātrumam, spiediena un temperatūras svārstībām elektrolizatorā, kas savukārt ietekmē elektrodus, diafragmas un blīves elektrolizatora iekšpusē, kas var izraisīt iekārtu darbības traucējumus vai bojājumus, kā arī palielināt apkopes un remonta darba apjomu.
2️⃣Sārmu cirkulācija ir pārāk maza
(1) Ietekme uz tvertnes temperatūru
Ja cirkulējošā sārma tilpums ir nepietiekams, siltumu elektrolizatorā nevar savlaicīgi aizvadīt, kā rezultātā paaugstinās temperatūra. Augstas temperatūras vide palielina ūdens piesātinātā tvaika spiedienu gāzes fāzē un ūdens saturu. Ja ūdeni nevar pietiekami kondensēt, tas palielinās attīrīšanas sistēmas slodzi un ietekmēs attīrīšanas efektu, kā arī katalizatora un adsorbenta iedarbību un kalpošanas laiku.
(2) Ietekme uz diafragmas kalpošanas laiku
Nepārtraukta augsta temperatūra paātrinās diafragmas novecošanos, pasliktinās tās veiktspēju vai pat plīst, viegli izraisot ūdeņraža un skābekļa savstarpēju caurlaidību diafragmā abās pusēs, ietekmējot ūdeņraža un skābekļa tīrību. Kad savstarpējā infiltrācija tuvojas apakšējai robežai, ievērojami palielinās elektrolīzera sprādziena risks. Vienlaikus nepārtraukta augsta temperatūra var izraisīt arī blīvējuma bojājumus, saīsinot tā kalpošanas laiku.
(3) Ietekme uz elektrodiem
Ja cirkulējošā sārma daudzums ir pārāk mazs, saražotā gāze nevar ātri atstāt elektroda aktīvo centru, un tas ietekmē elektrolīzes efektivitāti; ja elektrods nevar pilnībā saskarties ar sārmu, lai veiktu elektroķīmisko reakciju, rodas daļēja izlādes anomālija un sausa sadegšana, paātrinot katalizatora atdalīšanos no elektroda.
(4) Ietekme uz šūnas spriegumu
Cirkulējošā sārma daudzums ir pārāk mazs, jo elektroda aktīvajā centrā radītos ūdeņraža un skābekļa burbuļus nevar savlaicīgi aizvadīt, un palielinās izšķīdušo gāzu daudzums elektrolītā, izraisot mazās kameras sprieguma palielināšanos un enerģijas patēriņa pieaugumu.
Četras metodes optimālā sārmu cirkulācijas plūsmas ātruma noteikšanai
Lai atrisinātu iepriekš minētās problēmas, ir jāveic atbilstoši pasākumi, piemēram, regulāri jāpārbauda sārmu cirkulācijas sistēma, lai nodrošinātu tās normālu darbību; jāuztur labi siltuma izkliedes apstākļi ap elektrolizatoru; un, ja nepieciešams, jāpielāgo elektrolizatora darbības parametri, lai izvairītos no pārāk liela vai pārāk maza sārmu cirkulācijas tilpuma.
Optimālais sārmu cirkulācijas plūsmas ātrums jānosaka, pamatojoties uz konkrētiem elektrolizatora tehniskajiem parametriem, piemēram, elektrolizatora izmēru, kameru skaitu, darba spiedienu, reakcijas temperatūru, siltuma veidošanos, sārmu koncentrāciju, sārmu dzesētāju, ūdeņraža-skābekļa separatoru, strāvas blīvumu, gāzes tīrību un citām prasībām, iekārtu un cauruļvadu izturību un citiem faktoriem.
Tehniskie parametri Izmēri:
izmēri 4800x2240x2281 mm
Kopējais svars 40700 kg
Efektīvais kameras izmērs 1830, kameru skaits 238
Elektrolizatora strāvas blīvums 5000 A/m²
darba spiediens 1,6 MPa
reakcijas temperatūra 90 ℃ ± 5 ℃
Viens elektrolizatora produkta ūdeņraža komplekts, tilpums 1300 Nm³/h
Produkts Skābeklis 650Nm³/h
līdzstrāva n13100A, līdzstrāvas spriegums 480V
Sārmu dzesētājs Φ700x4244mm
siltumapmaiņas laukums 88,2 m²
Ūdeņraža un skābekļa separators Φ1300x3916mm
skābekļa separators Φ1300x3916mm
Kālija hidroksīda šķīdums, koncentrācija 30%
Tīra ūdens pretestības vērtība >5 MΩ·cm
Kālija hidroksīda šķīduma un elektrolizatora saistība:
Padarīt tīru ūdeni vadošu, izvadīt ūdeņradi un skābekli un atņemt siltumu. Dzesēšanas ūdens plūsma tiek izmantota, lai kontrolētu sārmu temperatūru, lai elektrolizatora reakcijas temperatūra būtu relatīvi stabila, un elektrolizatora radītā siltuma un dzesēšanas ūdens plūsmas attiecība tiek izmantota, lai saskaņotu sistēmas siltuma līdzsvaru, lai sasniegtu labākos darba apstākļus un enerģijas taupīšanas parametrus.
Pamatojoties uz faktiskajām darbībām:
Sārmu cirkulācijas tilpuma kontrole pie 60 m³/h,
Dzesēšanas ūdens plūsma atveras aptuveni 95% robežās.
Elektrolizatora reakcijas temperatūra tiek kontrolēta 90°C pie pilnas slodzes.
Optimālais elektrolizatora līdzstrāvas enerģijas patēriņš ir 4,56 kWh/Nm³H₂.
Pieciapkopot
Rezumējot, sārmu cirkulācijas tilpums ir svarīgs parametrs ūdeņraža ražošanas procesā ar ūdens elektrolīzi, kas ir saistīts ar gāzes tīrību, kameras spriegumu, elektrolizatora temperatūru un citiem parametriem. Ir lietderīgi kontrolēt cirkulācijas tilpumu ar 2–4 sārmu nomaiņas ātrumu stundā tvertnē. Efektīvi kontrolējot sārmu cirkulācijas tilpumu, tiek nodrošināta ūdens elektrolīzes ūdeņraža ražošanas iekārtu stabila un droša darbība ilgu laiku.
Ūdeņraža ražošanas procesā, izmantojot ūdens elektrolīzi sārmainā elektrolizatorā, darba apstākļu parametru un elektrolizatora vadotnes konstrukcijas optimizācija apvienojumā ar elektrodu materiāla un diafragmas materiāla izvēli ir galvenais, lai palielinātu strāvu, samazinātu tvertnes spriegumu un ietaupītu enerģijas patēriņu.
——Sazinieties ar mums——
Tālrunis: +86 028 6259 0080
Fakss: +86 028 6259 0100
E-mail: tech@allygas.com
Publicēšanas laiks: 2025. gada 9. janvāris
