Bij het waterstofproductieproces van een alkalische elektrolyser is de vraag hoe het apparaat stabiel kan werken, naast de kwaliteit van de elektrolyser zelf, waarbij de hoeveelheid loogcirculatie van de instelling ook een belangrijke beïnvloedende factor is.
Onlangs deelde Huang Li, hoofd van het Hydrogen Water Electrolysis Hydrogen Operation and Maintenance Program, tijdens de Safety Production Technology Exchange Meeting van het Hydrogen Professional Committee van de China Industrial Gases Association onze ervaringen met het instellen van het waterstof- en loogcirculatievolume in het daadwerkelijke test-, bedienings- en onderhoudsproces.
Hieronder volgt het originele artikel.
——————
Tegen de achtergrond van de nationale strategie voor dubbele koolstofuitstoot is Ally Hydrogen Energy Technology Co. Ltd., dat al 25 jaar gespecialiseerd is in waterstofproductie en als eerste actief was op het gebied van waterstofenergie, begonnen met het uitbreiden van de ontwikkeling van groene waterstoftechnologie en -apparatuur. Dit omvat het ontwerp van elektrolysetankgoten, de productie van apparatuur, elektrodeplating en het testen, bedienen en onderhouden van elektrolysetanks.
EenWerkingsprincipe van alkalische elektrolyzer
Door gelijkstroom door een met elektrolyt gevulde elektrolyser te sturen, reageren watermoleculen elektrochemisch op de elektroden en ontbinden ze in waterstof en zuurstof. Om de geleidbaarheid van de elektrolyt te verbeteren, is de elektrolyt doorgaans een waterige oplossing met een concentratie van 30% kaliumhydroxide of 25% natriumhydroxide.
De elektrolyser bestaat uit verschillende elektrolytische cellen. Elke elektrolysekamer bestaat uit een kathode, anode, membraan en elektrolyt. De belangrijkste functie van het membraan is het voorkomen van gaspermeatie. In het onderste deel van de elektrolyser bevindt zich een gemeenschappelijke in- en uitlaat, terwijl het bovenste deel een kanaal vormt voor het gas-vloeistofmengsel van alkali en oxy-alkali. Wanneer de gelijkstroom een bepaalde spanning overschrijdt, treedt er een redoxreactie op tussen de elektrode en het vloeistofoppervlak, waarbij water wordt ontleed in waterstof en zuurstof.
Twee Hoe de loog wordt verspreid
1️⃣Waterstof, zuurstofzijdeloog gemengde cyclus
Bij deze vorm van circulatie komt het loog via de verbindingsbuis aan de onderkant van de waterstof- en zuurstofscheider de loogcirculatiepomp binnen en komt vervolgens, na afkoeling en filtering, in de kathode- en anodekamers van de elektrolyser terecht. De voordelen van gemengde circulatie zijn de eenvoudige structuur, het korte proces, de lage kosten en de mogelijkheid om dezelfde hoeveelheid loog in de kathode- en anodekamers van de elektrolyser te circuleren. Het nadeel is dat het enerzijds de zuiverheid van waterstof en zuurstof kan beïnvloeden en anderzijds kan leiden tot een verstoring van het niveau van de waterstof-zuurstofscheider, wat kan leiden tot een verhoogd risico op waterstof-zuurstofvermenging. Momenteel is de waterstof-zuurstofzijde van de loogmengcyclus het meest voorkomende proces.
2️⃣Gescheiden circulatie van waterstof- en zuurstofzijdige loog
Deze vorm van circulatie vereist twee loogcirculatiepompen, d.w.z. twee interne circulaties. Het loog onderin de waterstofscheider stroomt door de waterstofcirculatiepomp, wordt gekoeld en gefilterd en komt vervolgens in de kathodekamer van de elektrolyser terecht; het loog onderin de zuurstofscheider stroomt door de zuurstofcirculatiepomp, wordt gekoeld en gefilterd en komt vervolgens in de anodekamer van de elektrolyser terecht. Het voordeel van onafhankelijke loogcirculatie is dat de door elektrolyse geproduceerde waterstof en zuurstof een hoge zuiverheid hebben, waardoor het risico op vermenging van waterstof en zuurstofscheider fysiek wordt vermeden; het nadeel is dat de structuur en het proces complex en kostbaar zijn, en dat het ook noodzakelijk is om de consistentie van het debiet, de opvoerhoogte, het vermogen en andere parameters van de pompen aan beide zijden te waarborgen, wat de complexiteit van de werking verhoogt en de noodzaak van controle over de stabiliteit van beide zijden van het systeem benadrukt.
Drie Invloed van de circulerende stroomsnelheid van loog op de waterstofproductie door elektrolytisch water en de werkomstandigheden van de elektrolyser
1️⃣Overmatige circulatie van loog
(1) Effect op de zuiverheid van waterstof en zuurstof
Omdat waterstof en zuurstof een bepaalde oplosbaarheid hebben in het loog, is het circulatievolume te groot, zodat de totale hoeveelheid opgeloste waterstof en zuurstof toeneemt en met het loog elke kamer binnenkomt, wat ervoor zorgt dat de zuiverheid van waterstof en zuurstof in de uitlaat van de elektrolyser wordt verminderd; het circulatievolume is te groot, zodat de retentietijd van de waterstof- en zuurstofvloeistofscheider te kort is, en het gas dat niet volledig is gescheiden, wordt met het loog teruggebracht in het interieur van de elektrolyser, wat de efficiëntie van de elektrochemische reactie van de elektrolyser en de zuiverheid van waterstof en zuurstof beïnvloedt, en verder Dit zal de efficiëntie van de elektrochemische reactie in de elektrolyser en de zuiverheid van waterstof en zuurstof beïnvloeden, en verder het vermogen van waterstof- en zuurstofzuiveringsapparatuur om te dehydrogeneren en te deoxygeneren beïnvloeden, wat resulteert in een slecht effect van de waterstof- en zuurstofzuivering en de kwaliteit van producten beïnvloedt.
(2) Effect op de tanktemperatuur
Als de uitlaattemperatuur van de loogkoeler niet verandert, zal een te grote loogstroom meer warmte van de elektrolyser wegnemen, waardoor de temperatuur in de tank daalt en het vermogen toeneemt.
(3) Effect op stroom en spanning
Overmatige circulatie van loog beïnvloedt de stabiliteit van stroom en spanning. Overmatige vloeistofstroom verstoort de normale fluctuatie van de stroom en spanning, waardoor deze niet gemakkelijk gestabiliseerd kan worden. Dit veroorzaakt schommelingen in de werking van de gelijkrichterkast en transformator, wat de productie en kwaliteit van waterstof beïnvloedt.
(4) Verhoogd energieverbruik
Overmatige loogcirculatie kan ook leiden tot een hoger energieverbruik, hogere bedrijfskosten en een lagere energie-efficiëntie van het systeem. Dit komt vooral door de toename van de hoeveelheid koelwater in het interne circulatiesysteem, de externe circulatiesproeier en de ventilator, de belasting van het koelwater, enz., waardoor het totale energieverbruik toeneemt en het stroomverbruik toeneemt.
(5) Oorzaak van apparatuurstoring
Overmatige loogcirculatie verhoogt de belasting van de loogcirculatiepomp, wat resulteert in een hogere stroomsnelheid, druk- en temperatuurschommelingen in de elektrolyser. Dit heeft weer invloed op de elektroden, membranen en pakkingen in de elektrolyser. Dit kan leiden tot storingen of schade aan de apparatuur en tot een toename van de werklast voor onderhoud en reparaties.
2️⃣Loogcirculatie te klein
(1) Effect op de tanktemperatuur
Wanneer het circulerende loogvolume onvoldoende is, kan de warmte in de elektrolyser niet tijdig worden afgevoerd, wat resulteert in een temperatuurstijging. De hoge temperatuur zorgt ervoor dat de verzadigde dampspanning van water in de gasfase stijgt en het watergehalte toeneemt. Als het water niet voldoende kan worden gecondenseerd, zal dit de belasting van het zuiveringssysteem verhogen en het zuiveringseffect beïnvloeden. Het zal ook de werking en levensduur van de katalysator en het adsorbens beïnvloeden.
(2) Impact op de levensduur van het diafragma
Een continu hoge temperatuur versnelt de veroudering van het membraan, waardoor de prestaties afnemen of zelfs scheuren. Dit kan leiden tot een wederzijdse permeabiliteit van waterstof en zuurstof aan beide zijden van het membraan, wat de zuiverheid van waterstof en zuurstof beïnvloedt. Wanneer de wederzijdse infiltratie dicht bij de ondergrens van de explosiegrens komt, neemt de kans op gevaar voor de elektrolyseur aanzienlijk toe. Tegelijkertijd veroorzaakt de continu hoge temperatuur ook lekkageschade aan de afdichting, waardoor de levensduur wordt verkort.
(3) Effect op elektroden
Als de circulerende hoeveelheid loog te klein is, kan het geproduceerde gas het actieve centrum van de elektrode niet snel verlaten en wordt de efficiëntie van de elektrolyse beïnvloed. Als de elektrode niet volledig contact kan maken met het loog om de elektrochemische reactie uit te voeren, zullen er afwijkingen in de gedeeltelijke ontlading en droge verbranding optreden, waardoor het afstoten van de katalysator op de elektrode wordt versneld.
(4) Effect op celspanning
De hoeveelheid circulerend loog is te klein, omdat de waterstof- en zuurstofbellen die in het actieve centrum van de elektrode ontstaan, niet op tijd kunnen worden afgevoerd. Bovendien neemt de hoeveelheid opgeloste gassen in de elektrolyt toe, waardoor de spanning in de kleine kamer toeneemt en het stroomverbruik toeneemt.
Vier methoden voor het bepalen van de optimale loogcirculatiestroomsnelheid
Om bovenstaande problemen op te lossen, moeten passende maatregelen worden genomen. Zo moet het loogcirculatiesysteem regelmatig worden gecontroleerd om de normale werking ervan te garanderen. Ook moeten goede warmteafvoeromstandigheden rond de elektrolyser worden gehandhaafd en moeten, indien nodig, de bedrijfsparameters van de elektrolyser worden aangepast om te voorkomen dat er een te groot of te klein loogcirculatievolume ontstaat.
De optimale loogcirculatiestroom moet worden bepaald op basis van specifieke technische parameters van de elektrolyser, zoals de grootte van de elektrolyser, het aantal kamers, de bedrijfsdruk, de reactietemperatuur, de warmteontwikkeling, de loogconcentratie, de loogkoeler, de waterstof-zuurstofscheider, de stroomdichtheid, de zuiverheid van het gas en andere vereisten, de duurzaamheid van de apparatuur en de leidingen en andere factoren.
Technische parameters Afmetingen:
afmetingen 4800x2240x2281mm
totaalgewicht 40700 kg
Effectieve kamergrootte 1830, aantal kamers 238
Elektrolyzer stroomdichtheid 5000A/m²
bedrijfsdruk 1,6 MPa
reactietemperatuur 90℃±5℃
Enkele set elektrolyzer product waterstof volume 1300Nm³/h
Productzuurstof 650 Nm³/h
gelijkstroom n13100A, gelijkspanning 480V
Loogkoeler Φ700x4244mm
warmtewisselingsoppervlakte 88,2 m²
Waterstof- en zuurstofscheider Φ1300x3916mm
zuurstofscheider Φ1300x3916mm
Kaliumhydroxideoplossingconcentratie 30%
Weerstandswaarde voor zuiver water >5MΩ·cm
Relatie tussen kaliumhydroxideoplossing en elektrolyser:
Maak zuiver water geleidend, breng waterstof en zuurstof naar buiten en voer warmte af. De koelwaterstroom wordt gebruikt om de loogtemperatuur te regelen, zodat de temperatuur van de elektrolyse-reactie relatief stabiel is. De warmteontwikkeling van de elektrolyse-installatie en de koelwaterstroom worden gebruikt om de warmtebalans van het systeem op elkaar af te stemmen en zo de beste werkomstandigheden en de meest energiebesparende bedrijfsparameters te bereiken.
Gebaseerd op daadwerkelijke operaties:
Controle van het loogcirculatievolume bij 60 m³/u,
De koelwaterstroom opent bij ongeveer 95%,
De reactietemperatuur van de elektrolyser wordt bij volle belasting op 90°C gehouden.
In optimale omstandigheden bedraagt het DC-stroomverbruik van de elektrolyzer 4,56 kWh/Nm³H₂.
Vijfsamenvatten
Samenvattend is het circulatievolume van loog een belangrijke parameter in het proces van waterstofproductie door waterelektrolyse. Het is gerelateerd aan de gaszuiverheid, de kamerspanning, de temperatuur van de elektrolyzer en andere parameters. Het is raadzaam om het circulatievolume te regelen met een frequentie van 2 tot 4 keer per uur/minuut bij het vervangen van het loog in de tank. Door het circulatievolume van loog effectief te regelen, wordt de stabiele en veilige werking van de apparatuur voor waterstofproductie door waterelektrolyse gedurende een lange periode gewaarborgd.
Bij het waterstofproductieproces door middel van waterelektrolyse in een alkalische elektrolyser zijn de optimalisatie van de werkconditieparameters en het ontwerp van de elektrolysergoot, in combinatie met de keuze van elektrodemateriaal en membraanmateriaal, de sleutel tot het verhogen van de stroomsterkte, het verlagen van de tankspanning en het besparen van energieverbruik.
——Neem contact met ons op——
Telefoon: +86 028 6259 0080
Fax: +86 028 6259 0100
E-mail: tech@allygas.com
Plaatsingstijd: 09-01-2025