การหมุนเวียนไฮโดรเจนและด่างในน้ำอิเล็กโทรไลเซอร์อัลคาไลน์ กระบวนการผลิตไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้า

ในกระบวนการผลิตไฮโดรเจนด้วยเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์อัลคาไลน์ จะต้องทำอย่างไรเพื่อให้เครื่องทำงานได้อย่างเสถียร นอกเหนือจากคุณภาพของเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์เองแล้ว ปริมาณการหมุนเวียนของโซดาไฟยังเป็นปัจจัยที่มีอิทธิพลสำคัญอีกด้วย

เมื่อไม่นานนี้ ในการประชุมแลกเปลี่ยนเทคโนโลยีการผลิตด้านความปลอดภัยของคณะกรรมการวิชาชีพไฮโดรเจนของสมาคมก๊าซอุตสาหกรรมแห่งประเทศจีน Huang Li หัวหน้าโครงการการดำเนินการและการบำรุงรักษาไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้าในน้ำไฮโดรเจน ได้แบ่งปันประสบการณ์ของเราเกี่ยวกับการตั้งค่าปริมาตรการหมุนเวียนของไฮโดรเจนและโซดาไฟในกระบวนการทดสอบและการดำเนินการและการบำรุงรักษาจริง

ต่อไปนี้เป็นเอกสารต้นฉบับ

-

ภายใต้พื้นหลังของกลยุทธ์คาร์บอนคู่ระดับชาติ บริษัท Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd ซึ่งมีความเชี่ยวชาญด้านการผลิตไฮโดรเจนมาเป็นเวลา 25 ปี และเป็นบริษัทแรกที่เข้ามาเกี่ยวข้องในด้านพลังงานไฮโดรเจน ได้เริ่มขยายการพัฒนาเทคโนโลยีไฮโดรเจนสีเขียวและอุปกรณ์ รวมถึงการออกแบบรางวิ่งถังอิเล็กโทรไลซิส การผลิตอุปกรณ์ การชุบอิเล็กโทรด ตลอดจนการทดสอบถังอิเล็กโทรไลซิส การดำเนินงานและการบำรุงรักษา

หนึ่งหลักการทำงานของเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์อัลคาไลน์

โดยการจ่ายกระแสไฟฟ้าตรงผ่านเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ที่บรรจุอิเล็กโทรไลต์ โมเลกุลของน้ำจะทำปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้ากับอิเล็กโทรดและสลายตัวเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน เพื่อเพิ่มสภาพนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรไลต์ทั่วไปจึงเป็นสารละลายน้ำที่มีความเข้มข้นของโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ 30% หรือโซเดียมไฮดรอกไซด์ 25%

อิเล็กโทรไลเซอร์ประกอบด้วยเซลล์อิเล็กโทรไลต์หลายเซลล์ แต่ละห้องอิเล็กโทรไลซิสประกอบด้วยแคโทด แอโนด ไดอะแฟรม และอิเล็กโทรไลต์ หน้าที่หลักของไดอะแฟรมคือป้องกันการซึมผ่านของก๊าซ ส่วนล่างของอิเล็กโทรไลเซอร์มีช่องทางเข้าและทางออกร่วมกัน ซึ่งเป็นส่วนบนของส่วนผสมของก๊าซและของเหลวที่เป็นด่างและออกซี-ด่าง เมื่อผ่านเข้าไปในกระแสตรงที่มีแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด เมื่อแรงดันไฟฟ้าเกินกว่าแรงดันไฟฟ้าสลายตัวตามทฤษฎีของน้ำที่ 1.23 โวลต์ และแรงดันไฟฟ้าเป็นกลางทางความร้อนที่ 1.48 โวลต์ ขึ้นไป จะเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์ระหว่างอิเล็กโทรดและของเหลวที่ส่วนต่อประสานกัน น้ำจะถูกย่อยสลายเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน

สอง วิธีการหมุนเวียนน้ำด่าง

1️⃣ไฮโดรเจน ออกซิเจน ไซด์ ไลย์ วงจรผสม

ในรูปแบบการหมุนเวียนนี้ น้ำด่างจะเข้าสู่ปั๊มหมุนเวียนน้ำด่างผ่านท่อเชื่อมต่อที่ด้านล่างของเครื่องแยกไฮโดรเจนและเครื่องแยกออกซิเจน จากนั้นจะเข้าสู่ห้องแคโทดและแอโนดของเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์หลังจากระบายความร้อนและกรองแล้ว ข้อดีของการหมุนเวียนแบบผสมคือโครงสร้างเรียบง่าย กระบวนการสั้น ต้นทุนต่ำ และสามารถรับประกันการหมุนเวียนน้ำด่างในปริมาณที่เท่ากันในห้องแคโทดและแอโนดของเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ ข้อเสียคือในด้านหนึ่งอาจส่งผลต่อความบริสุทธิ์ของไฮโดรเจนและออกซิเจน และในอีกแง่หนึ่งอาจทำให้ระดับของเครื่องแยกไฮโดรเจน-ออกซิเจนไม่สมดุล ซึ่งอาจส่งผลให้มีความเสี่ยงเพิ่มขึ้นที่ไฮโดรเจน-ออกซิเจนจะผสมกัน ปัจจุบัน กระบวนการผสมน้ำด่างด้านไฮโดรเจน-ออกซิเจนเป็นกระบวนการที่พบมากที่สุด

2️⃣แยกการหมุนเวียนของไฮโดรเจนและออกซิเจนเป็นด่าง

การหมุนเวียนแบบนี้ต้องใช้ปั๊มหมุนเวียนด่างสองเครื่อง หรือเรียกว่าการหมุนเวียนภายในสองชุด ด่างที่อยู่ด้านล่างของเครื่องแยกไฮโดรเจนจะไหลผ่านปั๊มหมุนเวียนด้านไฮโดรเจน ผ่านการระบายความร้อนและกรอง แล้วจึงเข้าสู่ห้องแคโทดของเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ ส่วนด่างที่อยู่ด้านล่างของเครื่องแยกออกซิเจนจะไหลผ่านปั๊มหมุนเวียนด้านออกซิเจน ผ่านการระบายความร้อนและกรอง แล้วจึงเข้าสู่ห้องแอโนดของเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ ข้อดีของการหมุนเวียนด่างแบบอิสระคือ ไฮโดรเจนและออกซิเจนที่ได้จากกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสจะมีความบริสุทธิ์สูง จึงหลีกเลี่ยงความเสี่ยงจากการผสมกันระหว่างไฮโดรเจนและออกซิเจนของเครื่องแยก ข้อเสียคือโครงสร้างและกระบวนการมีความซับซ้อนและมีค่าใช้จ่ายสูง นอกจากนี้ยังจำเป็นต้องตรวจสอบความสม่ำเสมอของอัตราการไหล แรงดัน กำลังไฟฟ้า และพารามิเตอร์อื่นๆ ของปั๊มทั้งสองด้าน ซึ่งจะเพิ่มความซับซ้อนในการทำงาน และนำไปสู่ข้อกำหนดในการควบคุมเสถียรภาพของทั้งสองด้านของระบบ

อิทธิพลสามประการของอัตราการไหลหมุนเวียนของโซดาไฟต่อการผลิตไฮโดรเจนโดยใช้น้ำอิเล็กโทรไลต์และสภาพการทำงานของเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์

1️⃣การไหลเวียนของน้ำด่างมากเกินไป

（1）ผลต่อความบริสุทธิ์ของไฮโดรเจนและออกซิเจน

เนื่องจากไฮโดรเจนและออกซิเจนมีความสามารถในการละลายในด่างในระดับหนึ่ง ปริมาตรการหมุนเวียนจึงมีมากเกินไป ทำให้ปริมาณไฮโดรเจนและออกซิเจนที่ละลายรวมกันเพิ่มขึ้นและเข้าสู่แต่ละห้องพร้อมกับด่าง ซึ่งทำให้ความบริสุทธิ์ของไฮโดรเจนและออกซิเจนลดลงที่ทางออกของเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ ปริมาตรการหมุนเวียนมีมากเกินไป ทำให้เวลาการกักเก็บของเครื่องแยกของเหลวไฮโดรเจนและออกซิเจนสั้นเกินไป และก๊าซที่ยังไม่แยกออกจากกันอย่างสมบูรณ์จะถูกนำกลับเข้าไปภายในเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์พร้อมกับด่าง ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพของปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าของเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์และความบริสุทธิ์ของไฮโดรเจนและออกซิเจน ยิ่งไปกว่านั้น ยังส่งผลต่อประสิทธิภาพของปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าในเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์และความบริสุทธิ์ของไฮโดรเจนและออกซิเจน และยังส่งผลต่อความสามารถของอุปกรณ์ฟอกไฮโดรเจนและออกซิเจนในการขจัดไฮโดรเจนและออกซิเจน ส่งผลให้การฟอกไฮโดรเจนและออกซิเจนได้ผลไม่ดีและส่งผลต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์อีกด้วย

（2） ผลกระทบต่ออุณหภูมิถัง

ภายใต้เงื่อนไขที่อุณหภูมิทางออกของเครื่องทำความเย็นโซดาไฟคงที่ การไหลของโซดาไฟมากเกินไปจะดึงความร้อนออกจากเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์มากขึ้น ส่งผลให้อุณหภูมิของถังลดลงและพลังงานเพิ่มขึ้น

（3）ผลกระทบต่อกระแสและแรงดันไฟฟ้า

การหมุนเวียนของโซดาไฟที่มากเกินไปจะส่งผลกระทบต่อเสถียรภาพของกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้า การไหลของของเหลวที่มากเกินไปจะรบกวนความผันผวนตามปกติของกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้า ทำให้กระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าไม่เสถียร ส่งผลให้สภาพการทำงานของตู้เรียงกระแสและหม้อแปลงไฟฟ้าผันผวน ส่งผลกระทบต่อการผลิตและคุณภาพของไฮโดรเจน

（4）การบริโภคพลังงานที่เพิ่มขึ้น

การหมุนเวียนโซดาไฟมากเกินไปอาจนำไปสู่การใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้น ต้นทุนการดำเนินงานที่สูงขึ้น และประสิทธิภาพการใช้พลังงานของระบบที่ลดลง สาเหตุหลักมาจากการเพิ่มระบบหมุนเวียนน้ำหล่อเย็นเสริมภายใน สเปรย์และพัดลมหมุนเวียนภายนอก ภาระน้ำเย็น ฯลฯ ส่งผลให้การใช้พลังงานเพิ่มขึ้นและการใช้พลังงานโดยรวมเพิ่มขึ้น

（5）ทำให้อุปกรณ์เสียหาย

การหมุนเวียนโซดาไฟมากเกินไปจะเพิ่มภาระให้กับปั๊มหมุนเวียนโซดาไฟ ซึ่งส่งผลให้มีอัตราการไหล แรงดัน และอุณหภูมิที่ผันผวนในเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์เพิ่มขึ้น ซึ่งส่งผลต่ออิเล็กโทรด ไดอะแฟรม และปะเก็นภายในเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ ซึ่งอาจส่งผลให้อุปกรณ์ทำงานผิดปกติหรือเสียหายได้ และเพิ่มภาระงานในการบำรุงรักษาและซ่อมแซมอีกด้วย

2️⃣การไหลเวียนของด่างน้อยเกินไป

（1）ผลกระทบต่ออุณหภูมิถัง

เมื่อปริมาณน้ำด่างที่ไหลเวียนไม่เพียงพอ ความร้อนในเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์จะไม่สามารถระบายออกได้ทันเวลา ส่งผลให้อุณหภูมิสูงขึ้น สภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงทำให้ความดันไออิ่มตัวของน้ำในสถานะก๊าซเพิ่มขึ้นและปริมาณน้ำเพิ่มขึ้น หากไม่สามารถควบแน่นน้ำได้เพียงพอ จะเพิ่มภาระให้กับระบบฟอกอากาศ ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการฟอกอากาศ และยังส่งผลต่อประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของตัวเร่งปฏิกิริยาและสารดูดซับอีกด้วย

（2）ผลกระทบต่ออายุการใช้งานของไดอะแฟรม

สภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงอย่างต่อเนื่องจะเร่งการเสื่อมสภาพของไดอะแฟรม ทำให้ประสิทธิภาพลดลงหรืออาจถึงขั้นแตก ส่งผลให้ไดอะแฟรมทั้งสองด้านของไฮโดรเจนและออกซิเจนมีค่าการซึมผ่านร่วมกันได้ง่าย ส่งผลกระทบต่อความบริสุทธิ์ของไฮโดรเจนและออกซิเจน เมื่อการแทรกซึมร่วมกันใกล้จุดต่ำสุดของการระเบิด จะเพิ่มความเสี่ยงต่ออันตรายจากอิเล็กโทรไลเซอร์อย่างมาก ขณะเดียวกัน อุณหภูมิสูงอย่างต่อเนื่องยังทำให้ปะเก็นซีลรั่วเสียหาย ส่งผลให้อายุการใช้งานสั้นลง

（3）ผลกระทบต่ออิเล็กโทรด

หากปริมาณโซดาไฟที่หมุนเวียนมีน้อยเกินไป ก๊าซที่ผลิตขึ้นจะไม่สามารถออกจากศูนย์กลางที่ทำงานของอิเล็กโทรดได้อย่างรวดเร็ว และประสิทธิภาพการแยกด้วยไฟฟ้าก็จะลดลง หากอิเล็กโทรดไม่สามารถสัมผัสกับโซดาไฟได้อย่างเต็มที่เพื่อดำเนินปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้า จะเกิดการคายประจุบางส่วนผิดปกติและการเผาไหม้แบบแห้ง ส่งผลให้การกำจัดตัวเร่งปฏิกิริยาบนอิเล็กโทรดเร็วขึ้น

（4）ผลกระทบต่อแรงดันไฟฟ้าของเซลล์

ปริมาณของโซดาไฟที่หมุนเวียนมีน้อยเกินไป เนื่องจากฟองไฮโดรเจนและออกซิเจนที่เกิดขึ้นในศูนย์กลางที่ใช้งานของอิเล็กโทรดไม่สามารถถูกกำจัดออกไปได้ทันเวลา และปริมาณของก๊าซที่ละลายในอิเล็กโทรไลต์ก็เพิ่มมากขึ้น ส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าในห้องเล็กเพิ่มขึ้นและการใช้พลังงานเพิ่มขึ้น

สี่วิธีในการกำหนดอัตราการไหลของการหมุนเวียนโซดาไฟที่เหมาะสมที่สุด

เพื่อแก้ไขปัญหาข้างต้น จำเป็นต้องใช้มาตรการที่เกี่ยวข้อง เช่น ตรวจสอบระบบหมุนเวียนโซดาไฟเป็นประจำเพื่อให้แน่ใจว่าทำงานได้ปกติ รักษาสภาพการกระจายความร้อนที่ดีรอบๆ เครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ และปรับพารามิเตอร์การทำงานของเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์หากจำเป็น เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดปริมาณการหมุนเวียนโซดาไฟมากเกินไปหรือน้อยเกินไป

อัตราการไหลของการหมุนเวียนโซดาไฟที่เหมาะสมที่สุดจะต้องกำหนดตามพารามิเตอร์ทางเทคนิคเฉพาะของเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ เช่น ขนาดเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ จำนวนห้อง แรงดันในการทำงาน อุณหภูมิปฏิกิริยา การเกิดความร้อน ความเข้มข้นของโซดาไฟ เครื่องทำความเย็นโซดาไฟ เครื่องแยกไฮโดรเจน-ออกซิเจน ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้า ความบริสุทธิ์ของก๊าซและข้อกำหนดอื่นๆ ความทนทานของอุปกรณ์และท่อและปัจจัยอื่นๆ

พารามิเตอร์ทางเทคนิค ขนาด：

ขนาด 4800x2240x2281มม.

น้ำหนักรวม 40700กก.

ขนาดห้องที่มีประสิทธิภาพ1830、จำนวนห้อง 238

ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าอิเล็กโทรไลเซอร์ 5000A/m²

แรงดันใช้งาน 1.6Mpa

อุณหภูมิปฏิกิริยา 90℃±5℃

ชุดผลิตภัณฑ์อิเล็กโทรไลเซอร์แบบเดี่ยว ปริมาตรไฮโดรเจน 1300Nm³/ชม.

ผลิตภัณฑ์ออกซิเจน 650Nm³/ชม.

กระแสตรง n13100A、แรงดันไฟฟ้ากระแสตรง 480V

เครื่องทำน้ำเย็นโซดาไฟ Φ700x4244mm

พื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อน 88.2 ตร.ม.

เครื่องแยกไฮโดรเจนและออกซิเจน Φ1300x3916mm

เครื่องแยกออกซิเจน Φ1300x3916mm

ความเข้มข้นของสารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ 30%

ค่าความต้านทานน้ำบริสุทธิ์ >5MΩ·cm

ความสัมพันธ์ระหว่างสารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์และอิเล็กโทรไลเซอร์：

ทำให้น้ำบริสุทธิ์นำไฟฟ้า นำไฮโดรเจนและออกซิเจนออกมา และนำความร้อนออกไป การไหลของน้ำหล่อเย็นใช้เพื่อควบคุมอุณหภูมิของด่าง เพื่อให้อุณหภูมิของปฏิกิริยาอิเล็กโทรไลเซอร์ค่อนข้างคงที่ และความร้อนที่เกิดขึ้นจากอิเล็กโทรไลเซอร์และการไหลของน้ำหล่อเย็นจะถูกใช้เพื่อให้สอดคล้องกับสมดุลความร้อนของระบบ เพื่อให้ได้สภาวะการทำงานที่ดีที่สุดและพารามิเตอร์การทำงานที่ประหยัดพลังงานมากที่สุด

ตามการดำเนินงานจริง：

การควบคุมปริมาณการหมุนเวียนของโซดาไฟที่ 60m³/ชม.

การไหลของน้ำหล่อเย็นเปิดประมาณ 95%

อุณหภูมิปฏิกิริยาของเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ถูกควบคุมที่ 90°C เมื่อโหลดเต็ม

สภาวะที่เหมาะสมที่สุดในการใช้พลังงาน DC ของเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์คือ 4.56 kWh/Nm³H₂

ห้าสรุป

สรุปได้ว่า ปริมาณน้ำด่างที่ไหลเวียนเป็นปัจจัยสำคัญในกระบวนการผลิตไฮโดรเจนด้วยวิธีอิเล็กโทรไลซิสด้วยน้ำ ซึ่งเกี่ยวข้องกับความบริสุทธิ์ของก๊าซ แรงดันไฟฟ้าของห้องปฏิกรณ์ อุณหภูมิของเครื่องอิเล็กโทรไลซิส และปัจจัยอื่นๆ การควบคุมปริมาณน้ำด่างที่ไหลเวียนในถังให้อยู่ที่ 2-4 ครั้งต่อชั่วโมงต่อนาทีนั้นเหมาะสม การควบคุมปริมาณน้ำด่างที่ไหลเวียนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ช่วยให้มั่นใจได้ว่าอุปกรณ์ผลิตไฮโดรเจนด้วยวิธีอิเล็กโทรไลซิสด้วยน้ำจะทำงานได้อย่างเสถียรและปลอดภัยเป็นเวลานาน

ในกระบวนการผลิตไฮโดรเจนโดยใช้ไฟฟ้าน้ำในเครื่องอิเล็กโทรไลต์อัลคาไลน์ การเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์สภาพการทำงานและการออกแบบรันเนอร์ของเครื่องอิเล็กโทรไลต์ รวมถึงการเลือกวัสดุอิเล็กโทรดและไดอะแฟรม ถือเป็นกุญแจสำคัญในการเพิ่มกระแสไฟ ลดแรงดันถัง และประหยัดพลังงาน

——ติดต่อเรา——

โทร: +86 028 6259 0080

แฟกซ์: +86 028 6259 0100

E-mail: tech@allygas.com