Trong quy trình sản xuất hydro bằng điện phân kiềm, làm thế nào để thiết bị vận hành ổn định, ngoài chất lượng của chính thiết bị điện phân, thì việc cài đặt lượng tuần hoàn dung dịch kiềm cũng là một yếu tố ảnh hưởng quan trọng.

Gần đây, tại Hội nghị trao đổi công nghệ sản xuất an toàn của Ủy ban Chuyên môn về Hydro của Hiệp hội Khí công nghiệp Trung Quốc, ông Huang Li, người đứng đầu Chương trình Vận hành và Bảo trì Hydro Điện phân Nước, đã chia sẻ kinh nghiệm của chúng tôi về việc cài đặt thể tích tuần hoàn hydro và dung dịch kiềm trong quá trình thử nghiệm và vận hành và bảo trì thực tế.

Sau đây là bài viết gốc.

——————

Trong bối cảnh chiến lược kép carbon quốc gia, Công ty TNHH Công nghệ Năng lượng Hydro Ally, chuyên sản xuất hydro trong 25 năm và là công ty đầu tiên tham gia vào lĩnh vực năng lượng hydro, đã bắt đầu mở rộng việc phát triển công nghệ và thiết bị hydro xanh, bao gồm thiết kế bộ phận chạy của bể điện phân, sản xuất thiết bị, mạ điện cực, cũng như thử nghiệm và vận hành và bảo trì bể điện phân.

MộtNguyên lý hoạt động của thiết bị điện phân kiềm

Bằng cách cho dòng điện một chiều đi qua thiết bị điện phân chứa đầy chất điện phân, các phân tử nước phản ứng điện hóa trên các điện cực và phân hủy thành hydro và oxy. Để tăng cường độ dẫn điện của chất điện phân, chất điện phân nói chung là dung dịch nước có nồng độ 30% kali hydroxit hoặc 25% natri hydroxit.

Thiết bị điện phân bao gồm một số ngăn điện phân. Mỗi buồng điện phân bao gồm cực âm, cực dương, màng ngăn và chất điện phân. Chức năng chính của màng ngăn là ngăn chặn sự thẩm thấu của khí. Ở phần dưới của thiết bị điện phân có một cửa vào và ra chung, phần trên là kênh dòng hỗn hợp khí-lỏng của kiềm và oxy-kiềm. Khi đi qua một điện áp nhất định của dòng điện một chiều, khi điện áp vượt quá điện áp phân hủy lý thuyết của nước 1,23v và điện áp trung hòa nhiệt 1,48V trên một giá trị nhất định, phản ứng oxy hóa khử giao diện điện cực và chất lỏng xảy ra, nước bị phân hủy thành hydro và oxy.

Hai Cách tuần hoàn dung dịch kiềm

1️⃣Tuần hoàn hỗn hợp dung dịch kiềm phía hydro, oxy

Trong hình thức tuần hoàn này, dung dịch kiềm đi vào bơm tuần hoàn dung dịch kiềm thông qua đường ống kết nối ở đáy của bộ tách hydro và bộ tách oxy, sau đó đi vào buồng cực âm và cực dương của thiết bị điện phân sau khi làm mát và lọc. Ưu điểm của tuần hoàn hỗn hợp là cấu trúc đơn giản, quy trình ngắn, chi phí thấp và có thể đảm bảo cùng kích thước tuần hoàn dung dịch kiềm vào buồng cực âm và cực dương của thiết bị điện phân; nhược điểm là một mặt, nó có thể ảnh hưởng đến độ tinh khiết của hydro và oxy, và mặt khác, nó có thể khiến mức của bộ tách hydro-oxy bị lệch, điều này có thể dẫn đến tăng nguy cơ trộn lẫn hydro-oxy. Hiện tại, phía hydro-oxy của chu trình trộn dung dịch kiềm là quy trình phổ biến nhất.

2️⃣Tuần hoàn riêng biệt dung dịch kiềm phía hydro và oxy

Hình thức tuần hoàn này yêu cầu hai bơm tuần hoàn dung dịch kiềm, tức là hai tuần hoàn bên trong. Dung dịch kiềm ở đáy của bộ tách hydro đi qua bơm tuần hoàn phía hydro, được làm mát và lọc, sau đó đi vào buồng cực âm của thiết bị điện phân; dung dịch kiềm ở đáy của bộ tách oxy đi qua bơm tuần hoàn phía oxy, được làm mát và lọc, sau đó đi vào buồng cực dương của thiết bị điện phân. Ưu điểm của việc tuần hoàn độc lập dung dịch kiềm là hydro và oxy do điện phân tạo ra có độ tinh khiết cao, tránh được rủi ro trộn lẫn hydro và bộ tách oxy; nhược điểm là cấu trúc và quy trình phức tạp và tốn kém, và cũng cần phải đảm bảo tính nhất quán của tốc độ dòng chảy, cột áp, công suất và các thông số khác của các bơm ở cả hai bên, điều này làm tăng thêm sự phức tạp của hoạt động và đưa ra yêu cầu kiểm soát sự ổn định của cả hai bên của hệ thống.

Ba Ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy tuần hoàn của dung dịch kiềm đến việc sản xuất hydro bằng cách điện phân nước và điều kiện làm việc của thiết bị điện phân

1️⃣Tuần hoàn dung dịch kiềm quá mức

（1）Ảnh hưởng đến độ tinh khiết của hydro và oxy

Do hydro và oxy có độ hòa tan nhất định trong dung dịch kiềm, thể tích tuần hoàn quá lớn nên tổng lượng hydro và oxy hòa tan tăng lên và đi vào từng buồng cùng với dung dịch kiềm, điều này làm giảm độ tinh khiết của hydro và oxy ở đầu ra của thiết bị điện phân; thể tích tuần hoàn quá lớn nên thời gian lưu của bộ tách lỏng hydro và oxy quá ngắn, và khí chưa được tách hoàn toàn được đưa trở lại bên trong thiết bị điện phân cùng với dung dịch kiềm, điều này ảnh hưởng đến hiệu quả của phản ứng điện hóa của thiết bị điện phân và độ tinh khiết của hydro và oxy, và hơn nữa Điều này sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả của phản ứng điện hóa trong thiết bị điện phân và độ tinh khiết của hydro và oxy, và hơn nữa ảnh hưởng đến khả năng của thiết bị tinh chế hydro và oxy để khử hydro và khử oxy, dẫn đến hiệu quả kém của việc tinh chế hydro và oxy và ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

（2） Ảnh hưởng đến nhiệt độ bể

Trong điều kiện nhiệt độ đầu ra của bộ làm mát dung dịch kiềm không đổi, dòng dung dịch kiềm quá nhiều sẽ lấy đi nhiều nhiệt hơn từ thiết bị điện phân, khiến nhiệt độ bể giảm và công suất tăng.

（3）Ảnh hưởng đến dòng điện và điện áp

Tuần hoàn dung dịch kiềm quá mức sẽ ảnh hưởng đến sự ổn định của dòng điện và điện áp. Dòng chất lỏng quá mức sẽ cản trở sự dao động bình thường của dòng điện và điện áp, khiến dòng điện và điện áp không dễ ổn định, gây ra sự dao động trong điều kiện làm việc của tủ chỉnh lưu và máy biến áp, và do đó ảnh hưởng đến việc sản xuất và chất lượng hydro.

（4）Tăng mức tiêu thụ năng lượng

Tuần hoàn dung dịch kiềm quá mức cũng có thể dẫn đến tăng mức tiêu thụ năng lượng, tăng chi phí vận hành và giảm hiệu quả năng lượng của hệ thống. Chủ yếu là do sự gia tăng của hệ thống tuần hoàn bên trong nước làm mát phụ trợ và phun tuần hoàn bên ngoài và quạt, tải nước lạnh, v.v., để mức tiêu thụ điện tăng lên, tổng mức tiêu thụ năng lượng tăng lên.

（5）Gây ra lỗi thiết bị

Tuần hoàn dung dịch kiềm quá mức làm tăng tải cho bơm tuần hoàn dung dịch kiềm, tương ứng với việc tăng tốc độ dòng chảy, áp suất và dao động nhiệt độ trong thiết bị điện phân, từ đó ảnh hưởng đến các điện cực, màng ngăn và miếng đệm bên trong thiết bị điện phân, có thể dẫn đến trục trặc hoặc hư hỏng thiết bị và tăng khối lượng công việc bảo trì và sửa chữa.

2️⃣Tuần hoàn dung dịch kiềm quá nhỏ

（1）Ảnh hưởng đến nhiệt độ bể

Khi thể tích tuần hoàn của dung dịch kiềm không đủ, nhiệt trong thiết bị điện phân không thể được lấy đi kịp thời, dẫn đến tăng nhiệt độ. Môi trường nhiệt độ cao làm tăng áp suất hơi bão hòa của nước trong pha khí và tăng hàm lượng nước. Nếu nước không thể ngưng tụ đầy đủ, nó sẽ làm tăng gánh nặng của hệ thống tinh chế và ảnh hưởng đến hiệu quả tinh chế, và nó cũng sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả và tuổi thọ của chất xúc tác và chất hấp phụ.

（2）Tác động đến tuổi thọ màng ngăn

Môi trường nhiệt độ cao liên tục sẽ đẩy nhanh quá trình lão hóa của màng ngăn, làm cho hiệu suất của nó giảm hoặc thậm chí bị vỡ, dễ gây ra sự thấm lẫn nhau của hydro và oxy ở cả hai mặt của màng ngăn, ảnh hưởng đến độ tinh khiết của hydro và oxy. Khi sự xâm nhập lẫn nhau gần với giới hạn dưới của vụ nổ nên xác suất nguy hiểm của thiết bị điện phân tăng lên rất nhiều. Đồng thời, nhiệt độ cao liên tục cũng sẽ gây ra hư hỏng rò rỉ cho miếng đệm làm kín, rút ngắn tuổi thọ của nó.

（3）Ảnh hưởng đến điện cực

Nếu lượng tuần hoàn dung dịch kiềm quá nhỏ, khí sinh ra không thể rời khỏi tâm hoạt động của điện cực một cách nhanh chóng và hiệu quả điện phân bị ảnh hưởng; nếu điện cực không thể tiếp xúc hoàn toàn với dung dịch kiềm để thực hiện phản ứng điện hóa, hiện tượng phóng điện một phần bất thường và đốt khô sẽ xảy ra, đẩy nhanh quá trình bong tróc của chất xúc tác trên điện cực.

（4 ）Ảnh hưởng đến điện áp tế bào

Lượng dung dịch kiềm tuần hoàn quá nhỏ, vì các bọt hydro và oxy được tạo ra trong tâm hoạt động của điện cực không thể được lấy đi kịp thời và lượng khí hòa tan trong chất điện phân tăng lên, gây ra sự gia tăng điện áp của buồng nhỏ và tăng mức tiêu thụ điện năng.

Bốn Phương pháp xác định tốc độ dòng chảy tuần hoàn dung dịch kiềm tối ưu

Để giải quyết các vấn đề trên, cần thực hiện các biện pháp tương ứng, chẳng hạn như thường xuyên kiểm tra hệ thống tuần hoàn dung dịch kiềm để đảm bảo hoạt động bình thường của nó; duy trì điều kiện tản nhiệt tốt xung quanh thiết bị điện phân; và điều chỉnh các thông số vận hành của thiết bị điện phân, nếu cần thiết, để tránh xảy ra thể tích tuần hoàn dung dịch kiềm quá lớn hoặc quá nhỏ.

Tốc độ dòng chảy tuần hoàn dung dịch kiềm tối ưu cần được xác định dựa trên các thông số kỹ thuật của thiết bị điện phân cụ thể, chẳng hạn như kích thước thiết bị điện phân, số lượng buồng, áp suất vận hành, nhiệt độ phản ứng, sinh nhiệt, nồng độ dung dịch kiềm, bộ làm mát dung dịch kiềm, bộ tách hydro-oxy, mật độ dòng điện, độ tinh khiết của khí và các yêu cầu khác, độ bền của thiết bị và đường ống và các yếu tố khác.

Kích thước thông số kỹ thuật：

kích thước 4800x2240x2281mm

tổng trọng lượng 40700Kg

Kích thước buồng hiệu quả 1830、Số buồng 238个

Mật độ dòng điện của thiết bị điện phân 5000A/m²

áp suất vận hành 1.6Mpa

nhiệt độ phản ứng 90℃±5℃

Thể tích hydro sản phẩm của một bộ thiết bị điện phân 1300Nm³/h

Sản phẩm Oxy 650Nm³/h

dòng điện một chiều n13100A、điện áp dc 480V

Bộ làm mát dung dịch kiềm Φ700x4244mm

diện tích trao đổi nhiệt 88.2m²

Bộ tách hydro và oxy Φ1300x3916mm

bộ tách oxy Φ1300x3916mm

Nồng độ dung dịch kali hydroxit 30%

Giá trị điện trở nước tinh khiết >5MΩ·cm

Mối quan hệ giữa dung dịch kali hydroxit và thiết bị điện phân：

Làm cho nước tinh khiết dẫn điện, tạo ra hydro và oxy và lấy đi nhiệt. Dòng nước làm mát được sử dụng để kiểm soát nhiệt độ dung dịch kiềm để nhiệt độ phản ứng của thiết bị điện phân tương đối ổn định và sự sinh nhiệt của thiết bị điện phân và dòng nước làm mát được sử dụng để phù hợp với cân bằng nhiệt của hệ thống để đạt được điều kiện làm việc tốt nhất và các thông số vận hành tiết kiệm năng lượng nhất.

Dựa trên các hoạt động thực tế：

Kiểm soát thể tích tuần hoàn dung dịch kiềm ở mức 60m³/h，

Dòng nước làm mát mở ở khoảng 95%，

Nhiệt độ phản ứng của thiết bị điện phân được kiểm soát ở mức 90°C ở tải đầy，

Điều kiện tối ưu mức tiêu thụ điện DC của thiết bị điện phân là 4,56 kWh/Nm³H₂.

Nămtóm tắt

Tóm lại, thể tích tuần hoàn của dung dịch kiềm là một thông số quan trọng trong quá trình sản xuất hydro bằng điện phân nước, có liên quan đến độ tinh khiết của khí, điện áp buồng, nhiệt độ thiết bị điện phân và các thông số khác. Nên kiểm soát thể tích tuần hoàn ở mức 2~4 lần/giờ/phút thay thế dung dịch kiềm trong bể. Bằng cách kiểm soát hiệu quả thể tích tuần hoàn của dung dịch kiềm, nó đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn của thiết bị sản xuất hydro điện phân nước trong một thời gian dài.

Trong quá trình sản xuất hydro bằng điện phân nước trong thiết bị điện phân kiềm, tối ưu hóa các thông số điều kiện làm việc và thiết kế bộ phận chạy của thiết bị điện phân, kết hợp với việc lựa chọn vật liệu điện cực và vật liệu màng ngăn là chìa khóa để tăng dòng điện, giảm điện áp bể và tiết kiệm mức tiêu thụ năng lượng.

——Liên hệ với chúng tôi——

Điện thoại: +86 028 6259 0080

Fax: +86 028 6259 0100

Email: tech@allygas.com