การหมุนเวียนของไฮโดรเจนและด่างในเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบด่าง กระบวนการผลิตไฮโดรเจนจากการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า

ในกระบวนการผลิตไฮโดรเจนด้วยเครื่องแยกน้ำด่างนั้น นอกจากคุณภาพของเครื่องแยกน้ำด่างเองแล้ว การตั้งค่าปริมาณการหมุนเวียนของสารละลายด่างก็เป็นปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งที่จะทำให้เครื่องทำงานได้อย่างเสถียร

เมื่อเร็วๆ นี้ ในการประชุมแลกเปลี่ยนเทคโนโลยีการผลิตที่ปลอดภัยของคณะกรรมการผู้เชี่ยวชาญด้านไฮโดรเจน สมาคมก๊าซอุตสาหกรรมแห่งประเทศจีน หวง หลี่ หัวหน้าโครงการปฏิบัติการและบำรุงรักษาไฮโดรเจนจากกระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า ได้แบ่งปันประสบการณ์ของเราเกี่ยวกับการตั้งค่าปริมาณการหมุนเวียนของไฮโดรเจนและด่างในกระบวนการทดสอบ การปฏิบัติงาน และการบำรุงรักษาจริง

ต่อไปนี้คือเอกสารต้นฉบับ

——————

ภายใต้กรอบยุทธศาสตร์คาร์บอนคู่ระดับชาติ บริษัท อัลลี ไฮโดรเจน เอนเนอร์จี เทคโนโลยี จำกัด ซึ่งเชี่ยวชาญด้านการผลิตไฮโดรเจนมา 25 ปี และเป็นบริษัทแรกที่เข้ามามีส่วนร่วมในด้านพลังงานไฮโดรเจน ได้เริ่มขยายการพัฒนาเทคโนโลยีและอุปกรณ์ไฮโดรเจนสีเขียว รวมถึงการออกแบบตัววิ่งในถังอิเล็กโทรไลซิส การผลิตอุปกรณ์ การชุบอิเล็กโทรด ตลอดจนการทดสอบ การใช้งาน และการบำรุงรักษาถังอิเล็กโทรไลซิส

หนึ่งหลักการทำงานของเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบด่าง

โดยการปล่อยกระแสตรงผ่านเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าที่บรรจุสารละลายอิเล็กโทรไลต์ โมเลกุลของน้ำจะทำปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าบนขั้วไฟฟ้าและสลายตัวเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน เพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้าของสารละลายอิเล็กโทรไลต์ สารละลายอิเล็กโทรไลต์ทั่วไปจึงเป็นสารละลายในน้ำที่มีความเข้มข้นของโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ 30% หรือโซเดียมไฮดรอกไซด์ 25%

เครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าประกอบด้วยเซลล์อิเล็กโทรไลต์หลายเซลล์ แต่ละห้องอิเล็กโทรไลซิสประกอบด้วยแคโทด แอโนด ไดอะแฟรม และอิเล็กโทรไลต์ หน้าที่หลักของไดอะแฟรมคือการป้องกันการซึมผ่านของก๊าซ ในส่วนล่างของเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้ามีทางเข้าและทางออกร่วมกัน ส่วนบนเป็นช่องทางการไหลของส่วนผสมก๊าซและของเหลวของด่างและออกซิเจน-ด่าง เมื่อป้อนกระแสตรงที่มีแรงดันไฟฟ้าระดับหนึ่ง เมื่อแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าการสลายตัวทางทฤษฎีของน้ำ 1.23 โวลต์ และแรงดันไฟฟ้าที่เป็นกลางทางความร้อน 1.48 โวลต์ ขึ้นไป จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชันที่ส่วนต่อประสานระหว่างอิเล็กโทรดและของเหลว ทำให้น้ำสลายตัวเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน

สอง วิธีการหมุนเวียนของด่าง

1️⃣วงจรผสมไฮโดรเจนและออกซิเจนในสารละลายด่าง

ในระบบหมุนเวียนแบบนี้ สารละลายด่างจะเข้าสู่ปั๊มหมุนเวียนสารละลายด่างผ่านท่อเชื่อมต่อที่ด้านล่างของตัวแยกไฮโดรเจนและตัวแยกออกซิเจน จากนั้นจึงเข้าสู่ห้องแคโทดและแอโนดของเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าหลังจากผ่านการระบายความร้อนและการกรอง ข้อดีของระบบหมุนเวียนแบบผสมคือ โครงสร้างเรียบง่าย กระบวนการสั้น ต้นทุนต่ำ และสามารถรับประกันได้ว่าปริมาณสารละลายด่างที่หมุนเวียนเข้าสู่ห้องแคโทดและแอโนดของเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าจะมีขนาดเท่ากัน ข้อเสียคือ ในด้านหนึ่ง อาจส่งผลกระทบต่อความบริสุทธิ์ของไฮโดรเจนและออกซิเจน และในอีกด้านหนึ่ง อาจทำให้ระดับของตัวแยกไฮโดรเจน-ออกซิเจนไม่สมดุล ซึ่งอาจส่งผลให้ความเสี่ยงของการผสมไฮโดรเจน-ออกซิเจนเพิ่มขึ้น ปัจจุบัน กระบวนการหมุนเวียนแบบผสมด้านไฮโดรเจน-ออกซิเจนเป็นกระบวนการที่ใช้กันมากที่สุด

2️⃣การหมุนเวียนแยกกันของไฮโดรเจนและออกซิเจนในสารละลายด่างด้านข้าง

ระบบหมุนเวียนแบบนี้ต้องใช้ปั๊มหมุนเวียนด่างสองตัว กล่าวคือมีการหมุนเวียนภายในสองระบบ ด่างที่ด้านล่างของตัวแยกไฮโดรเจนจะไหลผ่านปั๊มหมุนเวียนด้านไฮโดรเจน ถูกทำให้เย็นลงและกรอง แล้วจึงเข้าสู่ห้องแคโทดของเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้า ส่วนด่างที่ด้านล่างของตัวแยกออกซิเจนจะไหลผ่านปั๊มหมุนเวียนด้านออกซิเจน ถูกทำให้เย็นลงและกรอง แล้วจึงเข้าสู่ห้องแอโนดของเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้า ข้อดีของการหมุนเวียนด่างแบบแยกอิสระคือ ไฮโดรเจนและออกซิเจนที่ผลิตได้จากการอิเล็กโทรไลซิสมีความบริสุทธิ์สูง ช่วยหลีกเลี่ยงความเสี่ยงจากการผสมกันของไฮโดรเจนและออกซิเจนในเครื่องแยก ข้อเสียคือ โครงสร้างและกระบวนการมีความซับซ้อนและมีราคาแพง และยังจำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าอัตราการไหล แรงดัน กำลัง และพารามิเตอร์อื่นๆ ของปั๊มทั้งสองด้านมีความสม่ำเสมอ ซึ่งเพิ่มความซับซ้อนในการทำงาน และทำให้ต้องควบคุมเสถียรภาพของระบบทั้งสองด้าน

สาม ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่ออัตราการไหลเวียนของสารละลายด่างต่อการผลิตไฮโดรเจนโดยน้ำอิเล็กโทรไลซิสและสภาวะการทำงานของเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์

1️⃣การหมุนเวียนของด่างมากเกินไป

(1) ผลกระทบต่อความบริสุทธิ์ของไฮโดรเจนและออกซิเจน

เนื่องจากไฮโดรเจนและออกซิเจนมีความสามารถในการละลายในน้ำด่างในระดับหนึ่ง หากปริมาตรการหมุนเวียนมากเกินไป ปริมาณไฮโดรเจนและออกซิเจนที่ละลายทั้งหมดจะเพิ่มขึ้นและเข้าสู่แต่ละห้องพร้อมกับน้ำด่าง ซึ่งจะทำให้ความบริสุทธิ์ของไฮโดรเจนและออกซิเจนที่ออกจากเครื่องแยกน้ำด่างลดลง นอกจากนี้ หากปริมาตรการหมุนเวียนมากเกินไป เวลาในการกักเก็บของตัวแยกของเหลวไฮโดรเจนและออกซิเจนจะสั้นเกินไป และก๊าซที่ยังแยกไม่สมบูรณ์จะถูกนำกลับเข้าไปในเครื่องแยกน้ำด่างอีกครั้งพร้อมกับน้ำด่าง ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพของปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าในเครื่องแยกน้ำด่างและความบริสุทธิ์ของไฮโดรเจนและออกซิเจน และยังส่งผลต่อความสามารถของอุปกรณ์การทำให้บริสุทธิ์ไฮโดรเจนและออกซิเจนในการกำจัดไฮโดรเจนและออกซิเจน ส่งผลให้ประสิทธิภาพการทำให้บริสุทธิ์ไฮโดรเจนและออกซิเจนลดลงและส่งผลกระทบต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์

(2) ผลกระทบต่ออุณหภูมิของถัง

ภายใต้เงื่อนไขที่อุณหภูมิขาออกของเครื่องทำความเย็นด่างยังคงไม่เปลี่ยนแปลง หากปริมาณด่างไหลมากเกินไป จะดึงความร้อนออกจากเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้ามากขึ้น ทำให้อุณหภูมิในถังลดลงและกำลังไฟฟ้าเพิ่มขึ้น

(3) ผลกระทบต่อกระแสและแรงดัน

การหมุนเวียนของด่างมากเกินไปจะส่งผลต่อเสถียรภาพของกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้า การไหลของของเหลวที่มากเกินไปจะรบกวนการผันผวนตามปกติของกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้า ทำให้กระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าไม่สามารถคงที่ได้ง่าย ส่งผลให้สภาพการทำงานของตู้แปลงกระแสไฟฟ้าและหม้อแปลงไฟฟ้าผันผวน และส่งผลกระทบต่อการผลิตและคุณภาพของไฮโดรเจนในที่สุด

(4) การใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้น

การหมุนเวียนน้ำด่างมากเกินไปอาจนำไปสู่การใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้น ต้นทุนการดำเนินงานที่สูงขึ้น และประสิทธิภาพการใช้พลังงานของระบบลดลง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเพิ่มระบบหมุนเวียนน้ำหล่อเย็นภายในและระบบหมุนเวียนภายนอก รวมถึงการใช้พัดลมและหัวฉีดน้ำเย็น ทำให้การใช้พลังงานเพิ่มขึ้น และการใช้พลังงานโดยรวมก็เพิ่มขึ้นด้วย

(5) ทำให้เกิดความล้มเหลวของอุปกรณ์

การหมุนเวียนของด่างมากเกินไปจะเพิ่มภาระให้กับปั๊มหมุนเวียนด่าง ซึ่งส่งผลให้มีอัตราการไหล ความดัน และอุณหภูมิผันผวนมากขึ้นในเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้า ซึ่งจะส่งผลกระทบต่ออิเล็กโทรด ไดอะแฟรม และปะเก็นภายในเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้า ซึ่งอาจนำไปสู่การทำงานผิดปกติหรือความเสียหายของอุปกรณ์ และเพิ่มภาระงานในการบำรุงรักษาและซ่อมแซม

2️⃣การไหลเวียนของด่างน้อยเกินไป

(1) ผลกระทบต่ออุณหภูมิของถัง

เมื่อปริมาณสารละลายด่างที่หมุนเวียนไม่เพียงพอ ความร้อนในเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าจะไม่สามารถระบายออกไปได้ทันเวลา ส่งผลให้อุณหภูมิสูงขึ้น สภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงจะทำให้ความดันไออิ่มตัวของน้ำในสถานะแก๊สสูงขึ้นและปริมาณน้ำเพิ่มขึ้น หากน้ำไม่สามารถควบแน่นได้อย่างเพียงพอ จะเพิ่มภาระให้กับระบบการทำให้บริสุทธิ์และส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการทำให้บริสุทธิ์ และยังส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของตัวเร่งปฏิกิริยาและสารดูดซับอีกด้วย

(2) ผลกระทบต่ออายุการใช้งานของไดอะแฟรม

สภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงอย่างต่อเนื่องจะเร่งการเสื่อมสภาพของไดอะแฟรม ทำให้ประสิทธิภาพลดลงหรืออาจถึงขั้นฉีกขาดได้ง่าย และยังทำให้ไฮโดรเจนและออกซิเจนสามารถซึมผ่านกันได้ทั้งสองด้าน ส่งผลต่อความบริสุทธิ์ของไฮโดรเจนและออกซิเจน เมื่อการซึมผ่านกันใกล้ถึงขีดจำกัดต่ำสุด อาจเกิดการระเบิด ทำให้ความเสี่ยงต่ออันตรายของเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเพิ่มสูงขึ้นอย่างมาก ในขณะเดียวกัน อุณหภูมิสูงอย่างต่อเนื่องยังจะทำให้ปะเก็นซีลเสียหายจากการรั่วซึม ทำให้มีอายุการใช้งานสั้นลง

(3) ผลกระทบต่ออิเล็กโทรด

หากปริมาณด่างที่หมุนเวียนน้อยเกินไป ก๊าซที่เกิดขึ้นจะไม่สามารถออกจากศูนย์กลางการทำงานของอิเล็กโทรดได้อย่างรวดเร็ว และประสิทธิภาพการแยกด้วยไฟฟ้าจะลดลง ในทางกลับกัน หากอิเล็กโทรดไม่สามารถสัมผัสกับด่างได้อย่างเต็มที่เพื่อทำการปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้า จะเกิดความผิดปกติของการคายประจุบางส่วนและการไหม้แห้ง ซึ่งจะเร่งการหลุดลอกของตัวเร่งปฏิกิริยาบนอิเล็กโทรด

(4) ผลกระทบต่อแรงดันไฟฟ้าของเซลล์

ปริมาณด่างที่หมุนเวียนมีน้อยเกินไป เนื่องจากฟองไฮโดรเจนและออกซิเจนที่เกิดขึ้นในศูนย์กลางการทำงานของอิเล็กโทรดไม่สามารถถูกกำจัดออกไปได้ทันเวลา และปริมาณก๊าซที่ละลายในอิเล็กโทรไลต์เพิ่มขึ้น ทำให้แรงดันไฟฟ้าในห้องขนาดเล็กเพิ่มขึ้นและการใช้พลังงานสูงขึ้น

สี่วิธีในการกำหนดอัตราการไหลเวียนของสารละลายด่างที่เหมาะสมที่สุด

เพื่อแก้ไขปัญหาข้างต้น จำเป็นต้องใช้มาตรการที่เหมาะสม เช่น ตรวจสอบระบบหมุนเวียนด่างอย่างสม่ำเสมอเพื่อให้แน่ใจว่าทำงานได้อย่างปกติ รักษาภาวะการระบายความร้อนที่ดีรอบๆ เครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้า และปรับพารามิเตอร์การทำงานของเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าหากจำเป็น เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดปริมาณการหมุนเวียนด่างที่มากเกินไปหรือน้อยเกินไป

อัตราการไหลเวียนของสารละลายด่างที่เหมาะสมที่สุดจะต้องถูกกำหนดโดยพิจารณาจากพารามิเตอร์ทางเทคนิคเฉพาะของเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้า เช่น ขนาดของเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้า จำนวนห้อง แรงดันใช้งาน อุณหภูมิปฏิกิริยา การสร้างความร้อน ความเข้มข้นของสารละลายด่าง เครื่องทำความเย็นสารละลายด่าง ตัวแยกไฮโดรเจน-ออกซิเจน ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้า ความบริสุทธิ์ของก๊าซ และข้อกำหนดอื่นๆ รวมถึงความทนทานของอุปกรณ์และท่อ และปัจจัยอื่นๆ

พารามิเตอร์ทางเทคนิค ขนาด:

ขนาด 4800x2240x2281 มม.

น้ำหนักรวม 40700 กิโลกรัม

ขนาดห้องที่มีประสิทธิภาพ 1830 จำนวนห้อง 238 ห้อง

ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าของเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้า 5000 แอมป์/ตารางเมตร

แรงดันใช้งาน 1.6 MPa

อุณหภูมิปฏิกิริยา 90℃±5℃

เครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบชุดเดียว ผลิตไฮโดรเจนได้ปริมาณ 1300 Nm³/h

ปริมาณออกซิเจนที่ผลิตได้ 650 นิวตันเมตร³/ชั่วโมง

กระแสตรง n13100A แรงดันไฟ DC 480V

เครื่องทำความเย็นด่าง Φ700x4244 มม.

พื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อน 88.2 ตารางเมตร

แผ่นกั้นไฮโดรเจนและออกซิเจน Φ1300x3916 มม.

แผ่นกั้นออกซิเจน Φ1300x3916 มม.

สารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ ความเข้มข้น 30%

ค่าความต้านทานของน้ำบริสุทธิ์ >5MΩ·cm

ความสัมพันธ์ระหว่างสารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์และเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้า:

ทำให้น้ำบริสุทธิ์นำไฟฟ้าได้ นำไฮโดรเจนและออกซิเจนออกมา และระบายความร้อนออกไป การไหลของน้ำหล่อเย็นใช้เพื่อควบคุมอุณหภูมิของสารละลายด่าง เพื่อให้อุณหภูมิของปฏิกิริยาในเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าค่อนข้างคงที่ และความร้อนที่เกิดขึ้นจากเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าและการไหลของน้ำหล่อเย็นจะใช้เพื่อสร้างสมดุลความร้อนของระบบ เพื่อให้ได้สภาวะการทำงานที่ดีที่สุดและพารามิเตอร์การทำงานที่ประหยัดพลังงานที่สุด

อ้างอิงจากการดำเนินงานจริง:

ควบคุมปริมาณการหมุนเวียนของสารละลายด่างที่ 60 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง

การไหลของน้ำหล่อเย็นจะเปิดเมื่อถึงประมาณ 95%

อุณหภูมิปฏิกิริยาของเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าถูกควบคุมไว้ที่ 90°C เมื่อทำงานเต็มกำลัง

สภาวะที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้ไฟฟ้ากระแสตรงของเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าคือ 4.56 kWh/Nm³H₂

ห้าสรุป

โดยสรุป ปริมาณการหมุนเวียนของสารละลายด่างเป็นพารามิเตอร์สำคัญในกระบวนการผลิตไฮโดรเจนด้วยการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า ซึ่งมีความสัมพันธ์กับความบริสุทธิ์ของก๊าซ แรงดันไฟฟ้าในห้อง อุณหภูมิของเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้า และพารามิเตอร์อื่นๆ การควบคุมปริมาณการหมุนเวียนที่เหมาะสมควรอยู่ที่ 2-4 ครั้ง/ชั่วโมง/นาที ของการเปลี่ยนสารละลายด่างในถัง การควบคุมปริมาณการหมุนเวียนของสารละลายด่างอย่างมีประสิทธิภาพจะช่วยให้มั่นใจได้ถึงการทำงานที่เสถียรและปลอดภัยของอุปกรณ์ผลิตไฮโดรเจนด้วยการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าในระยะยาว

ในกระบวนการผลิตไฮโดรเจนโดยการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าในเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบด่าง การปรับพารามิเตอร์สภาวะการทำงานและการออกแบบตัววิ่งในเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าให้เหมาะสม ควบคู่กับการเลือกวัสดุอิเล็กโทรดและวัสดุไดอะแฟรม เป็นกุญแจสำคัญในการเพิ่มกระแสไฟฟ้า ลดแรงดันไฟฟ้าในถัง และประหยัดพลังงาน

——ติดต่อเรา——

โทร: +86 028 6259 0080

โทรสาร: +86 028 6259 0100

E-mail: tech@allygas.com