I den alkaliske elektrolysers brintproduktionsproces er det vigtigt at huske på, hvordan man sikrer en stabil drift af enheden, udover selve elektrolysatorens kvalitet, hvor mængden af ludcirkulationen i indstillingen også er en vigtig faktor.
For nylig delte Huang Li, leder af Hydrogen Water Electrolysis Hydrogen Operation and Maintenance Program, vores erfaringer med indstilling af hydrogen- og ludcirkulationsvolumen i den faktiske test-, drifts- og vedligeholdelsesproces på China Industrial Gases Association Hydrogen Professional Committees Safety Production Technology Exchange Meeting.
Følgende er det originale papir.
———————
Med baggrund i den nationale dual-carbon-strategi er Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd, som har specialiseret sig i brintproduktion i 25 år og var den første til at involvere sig inden for brintenergi, begyndt at udvide udviklingen af grøn brintteknologi og -udstyr, herunder design af udløbere til elektrolysetanke, fremstilling af udstyr, elektrodebelægning samt testning, drift og vedligeholdelse af elektrolysetanke.
EnArbejdsprincip for alkalisk elektrolyser
Ved at føre en jævnstrøm gennem en elektrolysør fyldt med elektrolyt, reagerer vandmolekyler elektrokemisk på elektroderne og nedbrydes til hydrogen og ilt. For at forbedre elektrolyttens ledningsevne er den generelle elektrolyt en vandig opløsning med en koncentration på 30% kaliumhydroxid eller 25% natriumhydroxid.
Elektrolysatoren består af flere elektrolyseceller. Hvert elektrolysekammer består af en katode, anode, membran og elektrolyt. Membranens hovedfunktion er at forhindre gaspermeation. I den nederste del af elektrolysatoren er der et fælles indløb og udløb, og den øvre del af strømningskanalen for gas-væske-blandingen af alkali og oxy-alkali er en blanding. Når spændingen overstiger den teoretiske dekomponeringsspænding for vand på 1,23 V og en termisk neutralspænding på 1,48 V, finder en redoxreaktion sted mellem elektroden og væsken, hvor vand nedbrydes til hydrogen og oxygen.
To Hvordan luden cirkuleres
1️⃣Blandingscyklus med hydrogen og ilt
I denne form for cirkulation kommer luden ind i ludcirkulationspumpen gennem forbindelsesrøret i bunden af hydrogenseparatoren og iltseparatoren, og kommer derefter ind i katode- og anodekamrene i elektrolysatoren efter afkøling og filtrering. Fordelene ved blandet cirkulation er enkel struktur, kort proces, lave omkostninger og kan sikre den samme størrelse af ludcirkulation i katode- og anodekamrene i elektrolysatoren; ulempen er, at det på den ene side kan påvirke renheden af hydrogen og ilt, og på den anden side kan det forårsage, at niveauet i hydrogen-iltseparatoren er ude af justering, hvilket kan resultere i en øget risiko for hydrogen-iltblanding. I øjeblikket er hydrogen-ilt-siden af ludblandingscyklussen den mest almindelige proces.
2️⃣Separat cirkulation af hydrogen- og iltsidelud
Denne form for cirkulation kræver to ludcirkulationspumper, dvs. to interne cirkulationer. Luden i bunden af hydrogenseparatoren passerer gennem hydrogensidecirkulationspumpen, afkøles og filtreres og kommer derefter ind i elektrolysatorens katodekammer; luden i bunden af iltseparatoren passerer gennem iltsidecirkulationspumpen, afkøles og filtreres og kommer derefter ind i elektrolysatorens anodekammer. Fordelen ved uafhængig cirkulation af lud er, at hydrogen og ilt produceret ved elektrolyse har høj renhed, hvilket fysisk undgår risikoen for at blande hydrogen og iltseparatoren; ulempen er, at strukturen og processen er kompliceret og dyr, og det er også nødvendigt at sikre ensartethed i flowhastighed, løftehøjde, effekt og andre parametre for pumperne på begge sider, hvilket øger operationens kompleksitet og stiller krav om at kontrollere stabiliteten på begge sider af systemet.
Tre Indflydelse af cirkulerende strømningshastighed for lud på hydrogenproduktion med elektrolytisk vand og elektrolysørens driftsforhold
1️⃣Overdreven cirkulation af lud
(1) Effekt på renheden af brint og ilt
Fordi hydrogen og ilt har en vis opløselighed i luden, er cirkulationsvolumenet for stort, så den samlede mængde opløst hydrogen og ilt øges og trænger ind i hvert kammer med luden, hvilket forårsager, at renheden af hydrogen og ilt reduceres i elektrolysatorens udløb. Cirkulationsvolumenet er for stort, så retentionstiden for hydrogen- og iltseparatoren er for kort, og den gas, der ikke er blevet fuldstændigt adskilt, føres tilbage til elektrolysatorens indre med luden, hvilket påvirker effektiviteten af elektrolysatorens elektrokemiske reaktion og renheden af hydrogen og ilt. Dette vil yderligere påvirke effektiviteten af den elektrokemiske reaktion i elektrolysatoren og renheden af hydrogen og ilt, og yderligere påvirke hydrogen- og iltrensningsudstyrets evne til at dehydrogenere og deoxygenere, hvilket resulterer i dårlig effekt af hydrogen- og iltrensningen og påvirker produkternes kvalitet.
(2) Effekt på tanktemperaturen
Under forudsætning af at ludkølerens udløbstemperatur forbliver uændret, vil for meget ludstrøm fjerne mere varme fra elektrolysatoren, hvilket får tanktemperaturen til at falde og effekten til at øges.
(3) Effekt på strøm og spænding
Overdreven cirkulation af lud vil påvirke stabiliteten af strøm og spænding. Overdreven væskegennemstrømning vil forstyrre den normale udsving i strøm og spænding, hvilket vil forårsage, at strøm og spænding ikke let kan stabiliseres, hvilket forårsager udsving i ensretterskabets og transformerens driftstilstand og dermed påvirker produktionen og kvaliteten af brint.
(4) Øget energiforbrug
Overdreven ludcirkulation kan også føre til øget energiforbrug, øgede driftsomkostninger og reduceret systemenergieffektivitet. Primært i stigende grad i det interne cirkulationssystem for hjælpekølevand og ekstern cirkulation, sprøjte- og ventilatorcirkulation, kølevandsbelastning osv., hvilket øger strømforbruget og det samlede energiforbrug.
(5) Forårsager udstyrsfejl
Overdreven ludcirkulation øger belastningen på ludcirkulationspumpen, hvilket svarer til øget flowhastighed, tryk- og temperaturudsving i elektrolysatoren, hvilket igen påvirker elektroderne, membranerne og pakningerne inde i elektrolysatoren, hvilket kan føre til funktionsfejl eller skader på udstyret og en øget arbejdsbyrde for vedligeholdelse og reparation.
2️⃣Ludcirkulation for lille
(1) Effekt på tanktemperatur
Når den cirkulerende mængde lud er utilstrækkelig, kan varmen i elektrolysatoren ikke fjernes i tide, hvilket resulterer i en temperaturstigning. Miljøet med høj temperatur får det mættede damptryk af vand i gasfasen til at stige, og vandindholdet stiger. Hvis vandet ikke kan kondenseres tilstrækkeligt, vil det øge belastningen af rensningssystemet og påvirke rensningseffekten, og det vil også påvirke katalysatorens og adsorbentens effekt og levetid.
(2) Indvirkning på membranens levetid
Vedvarende høje temperaturer i miljøet vil fremskynde membranens aldring, forringe dens ydeevne eller endda sprænge, hvilket let kan forårsage, at membranen på begge sider af hydrogen og ilt gensidigt kan gennemtrænge den, hvilket påvirker renheden af hydrogen og ilt. Når den gensidige infiltration nærmer sig den nedre eksplosionsgrænse, øges sandsynligheden for elektrolyserfare betydeligt. Samtidig vil den vedvarende høje temperatur også forårsage lækage og beskadige tætningspakningen, hvilket forkorter dens levetid.
(3) Effekt på elektroder
Hvis den cirkulerende mængde lud er for lille, kan den producerede gas ikke forlade elektrodens aktive centrum hurtigt, og elektrolyseeffektiviteten påvirkes. Hvis elektroden ikke kan komme i fuld kontakt med luden for at udføre den elektrokemiske reaktion, vil der forekomme delvis udladningsunormalitet og tørforbrænding, hvilket fremskynder afgivelsen af katalysatoren på elektroden.
(4) Effekt på cellespænding
Mængden af cirkulerende lud er for lille, fordi de hydrogen- og iltbobler, der genereres i elektrodens aktive centrum, ikke kan fjernes i tide, og mængden af opløste gasser i elektrolytten stiger, hvilket forårsager en stigning i spændingen i det lille kammer og et stigende strømforbrug.
Fire metoder til bestemmelse af optimal ludcirkulationshastighed
For at løse ovenstående problemer er det nødvendigt at træffe passende foranstaltninger, såsom regelmæssig kontrol af ludcirkulationssystemet for at sikre dets normale drift; opretholdelse af gode varmeafledningsforhold omkring elektrolysatoren; og justering af elektrolysatorens driftsparametre, hvis det er nødvendigt, for at undgå forekomst af for stor eller for lille ludcirkulation.
Den optimale ludcirkulationshastighed skal bestemmes ud fra specifikke tekniske parametre for elektrolyseren, såsom elektrolyserens størrelse, antal kamre, driftstryk, reaktionstemperatur, varmeudvikling, ludkoncentration, ludkøler, hydrogen-iltseparator, strømtæthed, gasrenhed og andre krav, udstyrs og rørledningers holdbarhed og andre faktorer.
Tekniske parametre Dimensioner:
størrelser 4800x2240x2281mm
samlet vægt 40700 kg
Effektiv kammerstørrelse 1830, antal kamre 238
Elektrolysatorens strømtæthed 5000A/m²
driftstryk 1,6 MPa
reaktionstemperatur 90 ℃ ± 5 ℃
Enkelt sæt elektrolysørprodukt hydrogenvolumen 1300 Nm³/t
Produktilt 650 Nm³/t
jævnstrøm n13100A, jævnspænding 480V
Ludkøler Φ700x4244mm
varmevekslingsareal 88,2 m²
Hydrogen- og iltseparator Φ1300x3916mm
iltseparator Φ1300x3916mm
Kaliumhydroxidopløsningskoncentration 30%
Ren vandmodstandsværdi >5MΩ·cm
Forholdet mellem kaliumhydroxidopløsning og elektrolysør:
Gør rent vand ledende, udleder hydrogen og ilt, og fjerner varme. Kølevandsstrømmen bruges til at kontrollere ludtemperaturen, så temperaturen i elektrolysatorreaktionen er relativt stabil, og varmeproduktionen fra elektrolysatoren og kølevandsstrømmen bruges til at matche systemets varmebalance for at opnå de bedste driftsforhold og de mest energibesparende driftsparametre.
Baseret på faktiske operationer:
Ludcirkulationsvolumenkontrol ved 60 m³/t
Kølevandsstrømmen åbner ved ca. 95%,
Elektrolysatorens reaktionstemperatur styres til 90 °C ved fuld belastning.
Det optimale DC-strømforbrug for elektrolysatoren er 4,56 kWh/Nm³H₂.
Femsammenfatte
Kort sagt er cirkulationsvolumenet af lud en vigtig parameter i processen med hydrogenproduktion ved vandelektrolyse, som er relateret til gassens renhed, kammerspænding, elektrolysatortemperatur og andre parametre. Det er passende at kontrollere cirkulationsvolumenet til 2~4 gange/t/min lududskiftningen i tanken. Ved effektivt at kontrollere cirkulationsvolumenet af lud sikres stabil og sikker drift af vandelektrolyse-hydrogenproduktionsudstyret i en lang periode.
I hydrogenproduktionsprocessen ved vandelektrolyse i alkaliske elektrolysører er optimering af driftsparametre og design af elektrolysørens løberør, kombineret med valg af elektrodemateriale og membranmateriale, nøglen til at øge strømmen, reducere tankspændingen og spare energiforbruget.
——Kontakt os——
Tlf.: +86 028 6259 0080
Fax: +86 028 6259 0100
E-mail: tech@allygas.com
Opslagstidspunkt: 9. januar 2025
