Установка электролиза водорода включает в себя полный комплект оборудования для производства водорода методом электролиза воды. Основное оборудование включает в себя:
1. Электролизер
2. Устройство для разделения газа и жидкости
3. Система сушки и очистки
4. Электрическая часть включает в себя: трансформатор, выпрямительный шкаф, шкаф управления ПЛК, шкаф приборов, шкаф распределения питания, главный компьютер и т. д.
5. Вспомогательная система включает в себя: резервуар для щелочи, резервуар для сырья, насос подачи воды, баллон с азотом/шину и т. д.
6. Общая вспомогательная система оборудования включает в себя: установку для получения чистой воды, градирню, чиллер, воздушный компрессор и т. д.
В установке электролитического производства водорода вода под действием постоянного тока разлагается в электролизере на одну часть водорода и половину части кислорода. Образовавшиеся водород и кислород вместе с электролитом направляются в газожидкостный сепаратор для разделения. Водород и кислород охлаждаются водородным и кислородным охладителями, а капельный уловитель улавливает и удаляет воду, после чего электролит под управлением системы управления проходит через водородный, кислородный щелочной фильтр и т. д. под действием циркуляционного насоса. Электролит затем возвращается в электролизер для продолжения электролиза.
Давление в системе регулируется с помощью системы контроля давления и системы контроля перепада давления для соответствия требованиям последующих процессов и хранения.
Водород, получаемый электролизом воды, обладает преимуществами высокой чистоты и малого количества примесей. Обычно примесями в водороде, получаемом электролизом воды, являются только кислород и вода, и никаких других компонентов (что позволяет избежать отравления некоторых катализаторов), что обеспечивает удобство производства водорода высокой чистоты. После очистки полученный газ может соответствовать показателям промышленного газа электронного класса.
Водород, производимый водородным устройством, проходит через буферный резервуар для стабилизации рабочего давления системы и дальнейшего удаления свободной воды из водорода.
После попадания водорода в устройство для очистки водорода, водород, полученный в результате электролиза воды, дополнительно очищается, при этом кислород, вода и другие примеси удаляются с помощью принципов каталитической реакции и адсорбции на молекулярных ситах.
Оборудование позволяет настроить автоматическую систему регулирования производства водорода в соответствии с фактической ситуацией. Изменения газовой нагрузки вызывают колебания давления в резервуаре для хранения водорода. Датчик давления, установленный на резервуаре, выдает сигнал 4-20 мА и передает его на ПЛК. После сравнения с исходным заданным значением, выполнения обратного преобразования и расчета ПИД-регулятора, выдается сигнал 20-4 мА, который передается в выпрямительный шкаф для регулировки величины тока электролиза, тем самым обеспечивая автоматическую регулировку производства водорода в соответствии с изменениями водородной нагрузки.
Оборудование для производства водорода методом электролиза щелочной воды включает в себя следующие основные системы:
(1) Система водоснабжения из сырья
В процессе электролиза воды для получения водорода вступает в реакцию только вода (H2O), которую необходимо постоянно пополнять исходной водой с помощью насоса для пополнения воды. Пополнение воды осуществляется на сепараторе водорода или кислорода. Кроме того, при выходе из системы необходимо удалять небольшое количество водорода и кислорода для предотвращения образования влаги. Расход воды для небольшого оборудования составляет 1 л/Нм³H2, а для крупного оборудования может быть снижен до 0,9 л/Нм³H2. Система постоянно пополняет исходную воду. Благодаря пополнению воды можно поддерживать стабильность уровня щелочи и ее концентрации, а также своевременно пополнять реакционный раствор для поддержания концентрации щелочи.
2) Трансформаторно-выпрямительная система
Данная система состоит в основном из двух устройств: трансформатора и выпрямительного шкафа. Ее основная функция заключается в преобразовании переменного тока 10/35 кВ, предоставляемого заказчиком, в постоянный ток, необходимый для электролизера, и подаче постоянного тока на электролизер. Часть подаваемого тока используется для непосредственного разложения воды. Молекулами являются водород и кислород, а другая часть выделяет тепло, которое отводится охладителем щелочи через охлаждающую воду.
Большинство трансформаторов — масляные. При размещении внутри помещений или контейнеров можно использовать сухие трансформаторы. Трансформаторы, используемые в оборудовании для электролитического производства водорода из воды, являются специальными и требуют подбора в соответствии с характеристиками каждого электролизера, поэтому это оборудование изготавливается на заказ.
(3) система распределительного шкафа питания
Распределительный шкаф в основном используется для питания оборудования напряжением 400 В (или, как его обычно называют, 380 В) различных компонентов с двигателями в системах разделения и очистки водорода и кислорода, расположенных за оборудованием для электролитического производства водорода. К такому оборудованию относятся: циркуляционный насос щелочного раствора в системе разделения водорода и кислорода; насосы для подачи воды во вспомогательных системах; нагревательные элементы в системах сушки и очистки; а также вспомогательные системы, необходимые для всей системы, такие как установки для получения чистой воды, чиллеры, воздушные компрессоры, градирни, компрессоры для водорода, установки гидрогенизации и другое оборудование. Электропитание также включает в себя электропитание освещения, систем мониторинга и других систем всей станции.
(4) система управления
Система управления реализует автоматическое управление на базе ПЛК. В качестве ПЛК обычно используются модели Siemens 1200 или 1500. Она оснащена сенсорным экраном человеко-компьютерного интерфейса, на котором осуществляется управление и отображение параметров каждой системы оборудования, а также отображение логики управления.
5) Система циркуляции щелочи
Данная система в основном включает в себя следующее основное оборудование:
Сепаратор водорода и кислорода - циркуляционный насос для щелочи - клапан - фильтр для щелочи - электролизер
Основной процесс выглядит следующим образом: щелочная жидкость, смешанная с водородом и кислородом в водородно-кислородном сепараторе, разделяется газожидкостным сепаратором, а затем возвращается в циркуляционный насос щелочной жидкости. Здесь водородный и кислородный сепараторы соединены, и циркуляционный насос щелочной жидкости осуществляет обратный поток. Щелочная жидкость циркулирует к клапану и фильтру щелочной жидкости в задней части установки. После фильтрации крупных примесей щелочная жидкость циркулирует внутрь электролизера.
(6) Водородная система
Водород образуется со стороны катодного электрода и поступает в сепаратор вместе с системой циркуляции щелочной жидкости. В сепараторе, поскольку сам водород относительно легкий, он естественным образом отделяется от щелочной жидкости и достигает верхней части сепаратора, а затем проходит по трубопроводу для дальнейшего разделения и охлаждения. После охлаждения водой капельный уловитель собирает капли, обеспечивая чистоту около 99%, после чего продукт поступает в систему сушки и очистки.
Откачка: Откачка водорода в основном используется во время запуска и остановки, при ненормальной работе или снижении чистоты, а также при устранении неисправностей.
(7) Кислородная система
Путь кислорода аналогичен пути водорода, но проходит через другой сепаратор.
Эвакуация: В настоящее время большинство проектов по обеспечению кислородом решаются путем эвакуации.
Применение: Ценность использования кислорода имеет значение только в специальных проектах, таких как некоторые сценарии применения, где можно использовать как водород, так и высокочистый кислород, например, на предприятиях по производству оптического волокна. Существуют также крупные проекты, в которых предусмотрено место для использования кислорода. Сценарии применения на заключительном этапе включают производство жидкого кислорода после сушки и очистки или использование медицинского кислорода через систему диспергирования. Однако уточнение этих сценариев использования еще предстоит определить. Требуется дальнейшее подтверждение.
(8)система охлаждающей воды
Электролиз воды — это эндотермическая реакция. Для производства водорода необходима электроэнергия. Однако потребление электроэнергии в процессе электролиза воды превышает теоретическое теплопоглощение реакции электролиза. Иными словами, часть электроэнергии, потребляемой электролизером, преобразуется в тепло. Эта часть тепла в основном используется для нагрева системы циркуляции щелочи в начале процесса, чтобы температура щелочного раствора поднялась до требуемого оборудованием диапазона 90±5°C. Если электролизер продолжает работать после достижения номинальной температуры, выделяемое тепло необходимо использовать для поддержания нормальной температуры в зоне электролиза. Высокая температура в зоне электролиза позволяет снизить энергопотребление, но если температура слишком высока, мембрана электролизной камеры разрушается, что также негативно сказывается на длительной работе оборудования.
Для работы этого устройства необходимо поддерживать рабочую температуру не выше 95 °C. Кроме того, образующиеся водород и кислород также должны охлаждаться и осушаться, а устройство с кремниевым управляемым выпрямителем с водяным охлаждением также оснащено необходимыми охлаждающими трубопроводами.
В работе корпуса насоса крупного оборудования также необходимо использование охлаждающей воды.
(9) Система заполнения азотом и продувки азотом
Перед отладкой и эксплуатацией устройства необходимо заполнить систему азотом для проверки герметичности. Перед нормальным запуском также необходимо продуть газовую фазу системы азотом, чтобы гарантировать, что газ в газовом пространстве по обе стороны от водорода и кислорода находится вне зоны воспламенения и взрыва.
После выключения оборудования система управления автоматически поддерживает давление и сохраняет определенное количество водорода и кислорода внутри системы. Если давление сохраняется при включении оборудования, продувка не требуется. Однако, если все давление сброшено, потребуется повторная продувка. Процедура продувки азотом.
(10) Система сушки (очистки) водородом (опционально)
Водород, полученный в результате электролиза воды, осушается параллельной сушилкой, а затем очищается с помощью фильтра из спеченной никелевой трубки для получения сухого водорода. (В соответствии с требованиями пользователя к получаемому водороду, система может быть дополнена устройством очистки, при этом очистка осуществляется с помощью биметаллического палладиево-платинового каталитического деоксидирования).
Водород, полученный в результате электролиза воды, через буферный резервуар поступает в устройство очистки водорода.
Водород сначала проходит через башню деоксигенации. Под действием катализатора кислород в водороде реагирует с водородом, образуя воду.
Формула реакции: 2H2 + O2 → 2H2O.
Затем водород проходит через водородный конденсатор (который охлаждает газ для конденсации водяного пара в газе с образованием воды, а сконденсированная вода автоматически удаляется из системы через жидкостный коллектор) и поступает в адсорбционную башню.
Дата публикации: 14 мая 2024 г.
