Η μονάδα παραγωγής υδρογόνου ηλεκτρόλυσης περιλαμβάνει ένα πλήρες σετ εξοπλισμού παραγωγής υδρογόνου ηλεκτρόλυσης νερού. Ο κύριος εξοπλισμός είναι:
1. Ηλεκτρολύτης
2. Συσκευή διαχωρισμού αερίου-υγρού
3. Σύστημα ξήρανσης και καθαρισμού
4. Το ηλεκτρικό μέρος περιλαμβάνει: μετασχηματιστή, γραφείο ανορθωτών, γραφείο ελέγχου προγράμματος PLC, γραφείο οργάνων, γραφείο διανομής ισχύος, κεντρικό υπολογιστή, κ.λπ.
5. Το βοηθητικό σύστημα περιλαμβάνει κυρίως: δεξαμενή αλκαλίων, δεξαμενή νερού πρώτης ύλης, αντλία παροχής νερού, φιάλη αζώτου/μπάρα τροφοδότησης, κ.λπ.
6. Το συνολικό βοηθητικό σύστημα του εξοπλισμού περιλαμβάνει: μηχανή καθαρού νερού, πύργο ψύξης νερού, ψυγείο, συμπιεστή αέρα, κ.λπ.
Στη μονάδα ηλεκτρολυτικής παραγωγής υδρογόνου, το νερό αποσυντίθεται σε ένα μέρος υδρογόνου και 1/2 μέρος οξυγόνου στον ηλεκτρολύτη υπό την επίδραση συνεχούς ρεύματος. Το παραγόμενο υδρογόνο και οξυγόνο αποστέλλονται στον διαχωριστή αερίου-υγρού μαζί με τον ηλεκτρολύτη για διαχωρισμό. Το υδρογόνο και το οξυγόνο ψύχονται από τους ψύκτες υδρογόνου και οξυγόνου, και ο συλλέκτης σταγόνων συλλέγει και απομακρύνει το νερό και στη συνέχεια αποστέλλεται υπό τον έλεγχο του συστήματος ελέγχου. Ο ηλεκτρολύτης διέρχεται από το υδρογόνο, το αλκαλικό φίλτρο οξυγόνου, το υδρογόνο, το αλκαλικό φίλτρο οξυγόνου κ.λπ. υπό την επίδραση της αντλίας κυκλοφορίας. Ψύκτης υγρού και στη συνέχεια επιστρέφει στον ηλεκτρολύτη για να συνεχίσει την ηλεκτρόλυση.
Η πίεση του συστήματος ρυθμίζεται μέσω του συστήματος ελέγχου πίεσης και του συστήματος ελέγχου διαφορικής πίεσης για να καλύψει τις απαιτήσεις των επόμενων διεργασιών και αποθήκευσης.
Το υδρογόνο που παράγεται με ηλεκτρόλυση νερού έχει τα πλεονεκτήματα της υψηλής καθαρότητας και των λίγων ακαθαρσιών. Συνήθως, οι ακαθαρσίες στο υδρογόνο που παράγεται με ηλεκτρόλυση νερού είναι μόνο οξυγόνο και νερό και κανένα άλλο συστατικό (κάτι που μπορεί να αποτρέψει τη δηλητηρίαση ορισμένων καταλυτών), γεγονός που παρέχει ευκολία στην παραγωγή υδρογόνου υψηλής καθαρότητας. Μετά τον καθαρισμό, το παραγόμενο αέριο μπορεί να φτάσει τους δείκτες βιομηχανικού αερίου ηλεκτρονικής ποιότητας.
Το υδρογόνο που παράγεται από τη συσκευή παραγωγής υδρογόνου διέρχεται από μια δεξαμενή απομόνωσης για να σταθεροποιήσει την πίεση λειτουργίας του συστήματος και να απομακρύνει περαιτέρω το ελεύθερο νερό στο υδρογόνο.
Αφού το υδρογόνο εισέλθει στη συσκευή καθαρισμού υδρογόνου, το υδρογόνο που παράγεται από την ηλεκτρόλυση νερού καθαρίζεται περαιτέρω και το οξυγόνο, το νερό και άλλες ακαθαρσίες στο υδρογόνο απομακρύνονται χρησιμοποιώντας τις αρχές της καταλυτικής αντίδρασης και της προσρόφησης με μοριακό κόσκινο.
Ο εξοπλισμός μπορεί να ρυθμίσει ένα αυτόματο σύστημα ρύθμισης για την παραγωγή υδρογόνου ανάλογα με την πραγματική κατάσταση. Οι αλλαγές στο φορτίο αερίου θα προκαλέσουν διακυμάνσεις στην πίεση της δεξαμενής αποθήκευσης υδρογόνου. Ο πομπός πίεσης που είναι εγκατεστημένος στη δεξαμενή αποθήκευσης θα εξάγει ένα σήμα 4-20mA και θα το στείλει στο PLC. Αφού συγκρίνει την αρχική ρυθμισμένη τιμή και εκτελέσει αντίστροφο μετασχηματισμό και υπολογισμό PID, εξάγεται ένα σήμα 20~4mA και αποστέλλεται στον πίνακα ανορθωτή για να ρυθμίσει το μέγεθος του ρεύματος ηλεκτρόλυσης, επιτυγχάνοντας έτσι τον σκοπό της αυτόματης ρύθμισης της παραγωγής υδρογόνου ανάλογα με τις αλλαγές στο φορτίο υδρογόνου.
Ο εξοπλισμός παραγωγής υδρογόνου για αλκαλική ηλεκτρόλυση νερού περιλαμβάνει κυρίως τα ακόλουθα συστήματα:
(1) Σύστημα νερού πρώτων υλών
Το μόνο πράγμα που αντιδρά στη διαδικασία παραγωγής υδρογόνου με ηλεκτρόλυση νερού είναι το νερό (H2O), το οποίο πρέπει να αναπληρώνεται συνεχώς με ακατέργαστο νερό μέσω αντλίας αναπλήρωσης νερού. Η θέση αναπλήρωσης νερού βρίσκεται στον διαχωριστή υδρογόνου ή οξυγόνου. Επιπλέον, μια μικρή ποσότητα υδρογόνου και οξυγόνου πρέπει να αφαιρεθεί κατά την έξοδο από το σύστημα. Η κατανάλωση νερού του μικρού εξοπλισμού είναι 1L/Nm³H2 και αυτή του μεγάλου εξοπλισμού μπορεί να μειωθεί σε 0,9L/Nm³H2. Το σύστημα αναπληρώνει συνεχώς το ακατέργαστο νερό. Μέσω της αναπλήρωσης νερού, η σταθερότητα της στάθμης του αλκαλικού υγρού και η συγκέντρωση των αλκαλίων μπορούν να διατηρηθούν και το διάλυμα αντίδρασης μπορεί να αναπληρώνεται εγκαίρως.
2) Σύστημα ανορθωτή μετασχηματιστή
Αυτό το σύστημα αποτελείται κυρίως από δύο συσκευές: έναν μετασχηματιστή και ένα κιβώτιο ανορθωτή. Η κύρια λειτουργία του είναι να μετατρέπει την ισχύ εναλλασσόμενου ρεύματος 10/35KV που παρέχεται από τον ιδιοκτήτη του μπροστινού μέρους σε ισχύ συνεχούς ρεύματος που απαιτείται από τον ηλεκτρολύτη και να παρέχει ισχύ συνεχούς ρεύματος στον ηλεκτρολύτη. Μέρος της παρεχόμενης ισχύος χρησιμοποιείται για την άμεση αποσύνθεση του νερού. Τα μόρια είναι υδρογόνο και οξυγόνο, και το άλλο μέρος παράγει θερμότητα, η οποία αποβάλλεται από το ψυκτικό μέσο μέσω του νερού ψύξης.
Οι περισσότεροι μετασχηματιστές είναι τύπου λαδιού. Εάν τοποθετηθούν σε εσωτερικό χώρο ή μέσα σε δοχείο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν μετασχηματιστές ξηρού τύπου. Οι μετασχηματιστές που χρησιμοποιούνται στον ηλεκτρολυτικό εξοπλισμό παραγωγής υδρογόνου νερού είναι ειδικοί μετασχηματιστές και πρέπει να αντιστοιχίζονται σύμφωνα με τα δεδομένα κάθε ηλεκτρολύτη, επομένως είναι προσαρμοσμένος εξοπλισμός.
(3) σύστημα καμπίνας διανομής ισχύος
Ο πίνακας διανομής ισχύος χρησιμοποιείται κυρίως για την παροχή εξοπλισμού 400V ή κοινώς γνωστού ως 380V σε διάφορα εξαρτήματα με κινητήρες στα συστήματα διαχωρισμού και καθαρισμού υδρογόνου και οξυγόνου πίσω από τον ηλεκτρολυτικό εξοπλισμό παραγωγής υδρογόνου νερού. Ο εξοπλισμός περιλαμβάνει την κυκλοφορία αλκαλίων στο πλαίσιο διαχωρισμού υδρογόνου και οξυγόνου. Αντλίες, αντλίες αναπλήρωσης νερού σε βοηθητικά συστήματα, καλώδια θέρμανσης σε συστήματα ξήρανσης και καθαρισμού και βοηθητικά συστήματα που απαιτούνται από ολόκληρο το σύστημα, όπως μηχανές καθαρού νερού, ψύκτες, αεροσυμπιεστές, πύργοι ψύξης και συμπιεστές υδρογόνου back-end, μηχανές υδρογόνωσης και άλλος εξοπλισμός. Η τροφοδοσία περιλαμβάνει επίσης τροφοδοσία για φωτισμό, παρακολούθηση και άλλα συστήματα ολόκληρου του σταθμού.
(4) σύστημα ελέγχου
Το σύστημα ελέγχου εφαρμόζει αυτόματο έλεγχο PLC. Το PLC χρησιμοποιεί γενικά Siemens 1200 ή 1500. Είναι εξοπλισμένο με οθόνη αφής διεπαφής αλληλεπίδρασης ανθρώπου-υπολογιστή και η λειτουργία και η απεικόνιση παραμέτρων κάθε συστήματος του εξοπλισμού και η απεικόνιση της λογικής ελέγχου πραγματοποιούνται στην οθόνη αφής.
5) Σύστημα κυκλοφορίας αλκαλίων
Αυτό το σύστημα περιλαμβάνει κυρίως τον ακόλουθο κύριο εξοπλισμό:
Διαχωριστής υδρογόνου και οξυγόνου - αντλία κυκλοφορίας αλκαλίων - βαλβίδα - φίλτρο αλκαλίων - ηλεκτρολύτης
Η κύρια διαδικασία είναι: το αλκαλικό υγρό που αναμειγνύεται με υδρογόνο και οξυγόνο στον διαχωριστή υδρογόνου και οξυγόνου διαχωρίζεται από τον διαχωριστή αερίου-υγρού και στη συνέχεια ρέει πίσω στην αντλία κυκλοφορίας αλκαλικού υγρού. Εδώ συνδέονται ο διαχωριστής υδρογόνου και ο διαχωριστής οξυγόνου και η αντλία κυκλοφορίας αλκαλικού υγρού θα αναρροφήσει. Το αλκαλικό υγρό κυκλοφορεί στη βαλβίδα και στο φίλτρο αλκαλικού υγρού στο πίσω μέρος. Αφού το φίλτρο φιλτράρει τις μεγάλες ακαθαρσίες, το αλκαλικό υγρό κυκλοφορεί στο εσωτερικό του ηλεκτρολύτη.
(6) Σύστημα υδρογόνου
Το υδρογόνο παράγεται από την πλευρά του ηλεκτροδίου καθόδου και φτάνει στον διαχωριστή μαζί με το σύστημα κυκλοφορίας αλκαλικού υγρού. Στον διαχωριστή, επειδή το ίδιο το υδρογόνο είναι σχετικά ελαφρύ, θα διαχωριστεί φυσικά από το αλκαλικό υγρό και θα φτάσει στο άνω μέρος του διαχωριστή, και στη συνέχεια θα περάσει μέσω του αγωγού για περαιτέρω διαχωρισμό και ψύξη. Μετά την ψύξη με νερό, ο συλλέκτης σταγόνων συλλέγει τις σταγόνες και φτάνει σε καθαρότητα περίπου 99%, η οποία φτάνει στο σύστημα ξήρανσης και καθαρισμού στο οπίσθιο μέρος.
Εκκένωση: Η εκκένωση υδρογόνου χρησιμοποιείται κυρίως για εκκένωση κατά την εκκίνηση και την απενεργοποίηση, για μη φυσιολογική λειτουργία ή αστοχία καθαρότητας και για εκκένωση λόγω σφάλματος.
(7) Σύστημα οξυγόνου
Η διαδρομή για το οξυγόνο είναι παρόμοια με αυτή για το υδρογόνο, αλλά σε διαφορετικό διαχωριστή.
Εκκένωση: Προς το παρόν, τα περισσότερα έργα οξυγόνου αντιμετωπίζονται με εκκένωση.
Αξιοποίηση: Η αξία αξιοποίησης του οξυγόνου έχει νόημα μόνο σε ειδικά έργα, όπως σε ορισμένα σενάρια εφαρμογών που μπορούν να χρησιμοποιήσουν τόσο υδρογόνο όσο και οξυγόνο υψηλής καθαρότητας, όπως οι κατασκευαστές οπτικών ινών. Υπάρχουν επίσης ορισμένα μεγάλα έργα που έχουν δεσμεύσει χώρο για την αξιοποίηση του οξυγόνου. Τα σενάρια εφαρμογών back-end είναι η παραγωγή υγρού οξυγόνου μετά από ξήρανση και καθαρισμό ή η χρήση ιατρικού οξυγόνου μέσω ενός συστήματος διασποράς. Ωστόσο, η βελτίωση αυτών των σεναρίων αξιοποίησης δεν έχει ακόμη καθοριστεί. Περαιτέρω επιβεβαίωση.
(8) σύστημα ψύξης νερού
Η διαδικασία ηλεκτρόλυσης του νερού είναι μια ενδόθερμη αντίδραση. Η διαδικασία παραγωγής υδρογόνου πρέπει να τροφοδοτείται με ηλεκτρική ενέργεια. Ωστόσο, η ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνεται από τη διαδικασία ηλεκτρόλυσης νερού υπερβαίνει τη θεωρητική απορρόφηση θερμότητας της αντίδρασης ηλεκτρόλυσης νερού. Δηλαδή, ένα μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιείται από τον ηλεκτρολύτη μετατρέπεται σε θερμότητα. Αυτό το μέρος της θερμότητας χρησιμοποιείται κυρίως για τη θέρμανση του συστήματος κυκλοφορίας αλκαλίων στην αρχή, έτσι ώστε η θερμοκρασία του αλκαλικού διαλύματος να ανέλθει στο εύρος θερμοκρασίας 90±5°C που απαιτείται από τον εξοπλισμό. Εάν ο ηλεκτρολύτης συνεχίσει να λειτουργεί μετά την επίτευξη της ονομαστικής θερμοκρασίας, η παραγόμενη θερμότητα πρέπει να χρησιμοποιηθεί. Το νερό ψύξης εξάγεται για να διατηρηθεί η κανονική θερμοκρασία της ζώνης αντίδρασης ηλεκτρόλυσης. Η υψηλή θερμοκρασία στη ζώνη αντίδρασης ηλεκτρόλυσης μπορεί να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας, αλλά εάν η θερμοκρασία είναι πολύ υψηλή, η μεμβράνη του θαλάμου ηλεκτρόλυσης θα καταστραφεί, γεγονός που θα είναι επίσης επιζήμιο για τη μακροπρόθεσμη λειτουργία του εξοπλισμού.
Αυτή η συσκευή απαιτεί η θερμοκρασία λειτουργίας να διατηρείται σε θερμοκρασία που δεν υπερβαίνει τους 95°C. Επιπλέον, το παραγόμενο υδρογόνο και οξυγόνο πρέπει επίσης να ψύχονται και να αφυγρανθούν, και η υδρόψυκτη συσκευή ανορθωτή ελεγχόμενης από πυρίτιο είναι επίσης εξοπλισμένη με τους απαραίτητους αγωγούς ψύξης.
Το σώμα της αντλίας μεγάλου εξοπλισμού απαιτεί επίσης τη συμμετοχή νερού ψύξης.
(9) Σύστημα πλήρωσης αζώτου και καθαρισμού αζώτου
Πριν από την αποσφαλμάτωση και τη λειτουργία της συσκευής, το σύστημα πρέπει να γεμίσει με άζωτο για έλεγχο στεγανότητας. Πριν από την κανονική εκκίνηση, η αέρια φάση του συστήματος πρέπει επίσης να καθαριστεί με άζωτο για να διασφαλιστεί ότι το αέριο στον χώρο αέριας φάσης και στις δύο πλευρές του υδρογόνου και του οξυγόνου βρίσκεται μακριά από το εύρος εύφλεκτων και εκρηκτικών.
Μετά την απενεργοποίηση του εξοπλισμού, το σύστημα ελέγχου θα διατηρεί αυτόματα την πίεση και θα συγκρατεί μια ορισμένη ποσότητα υδρογόνου και οξυγόνου μέσα στο σύστημα. Εάν η πίεση εξακολουθεί να υπάρχει όταν ο εξοπλισμός είναι ενεργοποιημένος, δεν χρειάζεται να εκτελεστεί καθαρισμός. Ωστόσο, εάν αφαιρεθεί όλη η πίεση, θα πρέπει να εκκενωθεί ξανά. Δράση καθαρισμού με άζωτο.
(10) Σύστημα ξήρανσης (καθαρισμού) με υδρογόνο (προαιρετικό)
Το υδρογόνο που παράγεται από την ηλεκτρόλυση νερού αφυδατώνεται με παράλληλο ξηραντήρα και τέλος ξεσκονίζεται με φίλτρο από σωλήνα νικελίου για να ληφθεί ξηρό υδρογόνο. (Σύμφωνα με τις απαιτήσεις του χρήστη για το υδρογόνο του προϊόντος, το σύστημα μπορεί να προσθέσει μια συσκευή καθαρισμού και ο καθαρισμός χρησιμοποιεί διμεταλλική καταλυτική αποξείδωση παλλαδίου-πλατίνας).
Το υδρογόνο που παράγεται από τη συσκευή παραγωγής υδρογόνου ηλεκτρόλυσης νερού αποστέλλεται στη συσκευή καθαρισμού υδρογόνου μέσω της δεξαμενής buffer.
Το υδρογόνο διέρχεται πρώτα από τον πύργο αποξυγόνωσης. Υπό την επίδραση του καταλύτη, το οξυγόνο στο υδρογόνο αντιδρά με το υδρογόνο για να παράγει νερό.
Τύπος αντίδρασης: 2H2+O2 2H2O.
Στη συνέχεια, το υδρογόνο διέρχεται από τον συμπυκνωτή υδρογόνου (ο οποίος ψύχει το αέριο για να συμπυκνώσει τους υδρατμούς στο αέριο για να παράγει νερό, και το συμπυκνωμένο νερό εκκενώνεται αυτόματα από το σύστημα μέσω του συλλέκτη υγρών) και εισέρχεται στον πύργο προσρόφησης.
Ώρα δημοσίευσης: 14 Μαΐου 2024
