گردش هیدروژن و قلیا در الکترولیز قلیایی آب، فرآیند تولید هیدروژن

در فرآیند تولید هیدروژن توسط الکترولیز قلیایی، علاوه بر کیفیت خود الکترولیز، چگونگی عملکرد پایدار دستگاه نیز از عوامل مهم تأثیرگذار است، که در آن میزان گردش قلیا در محیط نیز اهمیت دارد.

اخیراً، در نشست تبادل فناوری تولید ایمنی کمیته حرفه‌ای هیدروژن انجمن گازهای صنعتی چین، هوانگ لی، رئیس برنامه بهره‌برداری و نگهداری هیدروژن الکترولیز آب هیدروژن، تجربه ما در مورد تنظیم حجم گردش هیدروژن و قلیا در آزمایش واقعی و فرآیند بهره‌برداری و نگهداری را به اشتراک گذاشت.

متن زیر اصل مقاله است.

——————

در چارچوب استراتژی ملی کربن دوگانه، شرکت فناوری انرژی آلی هیدروژن، که به مدت ۲۵ سال در تولید هیدروژن تخصص داشته و اولین شرکتی بود که در زمینه انرژی هیدروژنی فعالیت کرد، شروع به گسترش توسعه فناوری و تجهیزات هیدروژن سبز، از جمله طراحی راهگاه‌های مخزن الکترولیز، تولید تجهیزات، آبکاری الکترود و همچنین آزمایش و بهره‌برداری و نگهداری مخزن الکترولیز کرده است.

یکیاصول کار الکترولیز قلیایی

با عبور جریان مستقیم از یک الکترولیز پر از الکترولیت، مولکول‌های آب روی الکترودها واکنش الکتروشیمیایی داده و به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌شوند. به منظور افزایش رسانایی الکترولیت، الکترولیت عمومی یک محلول آبی با غلظت 30٪ هیدروکسید پتاسیم یا 25٪ هیدروکسید سدیم است.

الکترولیزور از چندین سلول الکترولیتی تشکیل شده است. هر محفظه الکترولیز شامل کاتد، آند، دیافراگم و الکترولیت است. وظیفه اصلی دیافراگم جلوگیری از نفوذ گاز است. در قسمت پایین الکترولیزور یک ورودی و خروجی مشترک وجود دارد، قسمت بالایی مخلوط گاز-مایع از کانال جریان قلیایی و اکسی-قلیایی عبور می‌کند. با عبور از یک ولتاژ مشخص جریان مستقیم، هنگامی که ولتاژ از ولتاژ تجزیه نظری آب ۱.۲۳ ولت و ولتاژ خنثی حرارتی ۱.۴۸ ولت بالاتر از یک مقدار مشخص فراتر رود، واکنش اکسایش-کاهش بین الکترود و سطح مشترک مایع رخ می‌دهد و آب به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌شود.

دو. نحوه‌ی توزیع قلیا

۱️⃣سیکل مخلوط قلیایی در سمت هیدروژن و اکسیژن

در این شکل از گردش، محلول قلیایی از طریق لوله رابط در پایین جداکننده هیدروژن و جداکننده اکسیژن وارد پمپ گردش محلول قلیایی می‌شود و سپس پس از خنک شدن و فیلتر شدن وارد محفظه‌های کاتد و آند الکترولیز می‌شود. مزایای گردش مخلوط عبارتند از ساختار ساده، فرآیند کوتاه، هزینه کم و تضمین گردش یکسان محلول قلیایی به محفظه‌های کاتد و آند الکترولیز. عیب این روش این است که از یک سو ممکن است بر خلوص هیدروژن و اکسیژن تأثیر بگذارد و از سوی دیگر، ممکن است باعث شود سطح جداکننده هیدروژن-اکسیژن از تنظیم خارج شود که این امر می‌تواند منجر به افزایش خطر اختلاط هیدروژن-اکسیژن شود. در حال حاضر، سمت هیدروژن-اکسیژن چرخه اختلاط محلول قلیایی رایج‌ترین فرآیند است.

۲️⃣ گردش جداگانه‌ی قلیاب جانبی هیدروژن و اکسیژن

این شکل از گردش به دو پمپ گردش آب قلیایی، یعنی دو گردش داخلی، نیاز دارد. آب قلیایی در پایین جداکننده هیدروژن از پمپ گردش سمت هیدروژن عبور می‌کند، خنک و فیلتر می‌شود و سپس وارد محفظه کاتد الکترولیز می‌شود؛ آب قلیایی در پایین جداکننده اکسیژن از پمپ گردش سمت اکسیژن عبور می‌کند، خنک و فیلتر می‌شود و سپس وارد محفظه آند الکترولیز می‌شود. مزیت گردش مستقل آب قلیایی این است که هیدروژن و اکسیژن تولید شده توسط الکترولیز از خلوص بالایی برخوردارند و از نظر فیزیکی از خطر مخلوط شدن جداکننده هیدروژن و اکسیژن جلوگیری می‌کنند. عیب این است که ساختار و فرآیند پیچیده و پرهزینه است و همچنین لازم است از ثبات سرعت جریان، هد، توان و سایر پارامترهای پمپ‌ها در هر دو طرف اطمینان حاصل شود که این امر پیچیدگی عملیات را افزایش می‌دهد و نیاز به کنترل پایداری هر دو طرف سیستم را مطرح می‌کند.

سه تأثیر سرعت جریان گردشی آب قلیایی بر تولید هیدروژن توسط آب الکترولیتی و شرایط کاری الکترولیز

۱️⃣گردش بیش از حد قلیا

(1) تأثیر بر خلوص هیدروژن و اکسیژن

از آنجا که هیدروژن و اکسیژن حلالیت خاصی در سود مایع دارند، حجم گردش خون بسیار زیاد است، به طوری که مقدار کل هیدروژن و اکسیژن محلول افزایش می‌یابد و همراه با سود مایع وارد هر محفظه می‌شود، که باعث کاهش خلوص هیدروژن و اکسیژن در خروجی الکترولیز می‌شود؛ حجم گردش خون بسیار زیاد است، به طوری که زمان ماند جداکننده مایع هیدروژن و اکسیژن بسیار کوتاه است و گازی که به طور کامل جدا نشده است، همراه با سود مایع به داخل الکترولیز بازگردانده می‌شود، که بر کارایی واکنش الکتروشیمیایی الکترولیز و خلوص هیدروژن و اکسیژن تأثیر می‌گذارد و علاوه بر این، این امر بر کارایی واکنش الکتروشیمیایی در الکترولیز و خلوص هیدروژن و اکسیژن تأثیر می‌گذارد و همچنین بر توانایی تجهیزات تصفیه هیدروژن و اکسیژن در هیدروژن‌زدایی و اکسیژن‌زدایی تأثیر می‌گذارد و در نتیجه اثر ضعیفی بر تصفیه هیدروژن و اکسیژن دارد و بر کیفیت محصولات تأثیر می‌گذارد.

(2) تأثیر بر دمای مخزن

تحت شرایطی که دمای خروجی خنک‌کننده‌ی سود مایع بدون تغییر باقی بماند، جریان بیش از حد سود مایع، گرمای بیشتری را از الکترولیز خارج می‌کند و باعث کاهش دمای مخزن و افزایش توان می‌شود.

(3) تأثیر بر جریان و ولتاژ

گردش بیش از حد قلیا بر پایداری جریان و ولتاژ تأثیر می‌گذارد. جریان بیش از حد مایع با نوسانات طبیعی جریان و ولتاژ تداخل می‌کند و باعث می‌شود جریان و ولتاژ به راحتی تثبیت نشوند و باعث نوساناتی در وضعیت کاری کابینت یکسوکننده و ترانسفورماتور شود و در نتیجه بر تولید و کیفیت هیدروژن تأثیر بگذارد.

(4) افزایش مصرف انرژی

گردش بیش از حد قلیا همچنین می‌تواند منجر به افزایش مصرف انرژی، افزایش هزینه‌های عملیاتی و کاهش راندمان انرژی سیستم شود. عمدتاً در افزایش آب خنک‌کننده کمکی سیستم گردش داخلی و اسپری و فن گردش خارجی، بار آب سرد و غیره، به طوری که با افزایش مصرف برق، کل مصرف انرژی افزایش می‌یابد.

(5) باعث خرابی تجهیزات می‌شود

گردش بیش از حد سود مایع، بار روی پمپ گردش سود مایع را افزایش می‌دهد که منجر به افزایش سرعت جریان، نوسانات فشار و دما در الکترولیز می‌شود و به نوبه خود بر الکترودها، دیافراگم‌ها و واشرهای داخل الکترولیز تأثیر می‌گذارد که ممکن است منجر به نقص یا آسیب به تجهیزات و افزایش حجم کار برای نگهداری و تعمیر شود.

2️⃣گردش آب قلیایی خیلی کم است

(1) تأثیر بر دمای مخزن

وقتی حجم در گردش آب قلیایی کافی نباشد، گرمای موجود در الکترولیز به موقع دفع نمی‌شود و در نتیجه دما افزایش می‌یابد. دمای بالای محیط باعث افزایش فشار بخار اشباع آب در فاز گازی و افزایش محتوای آب می‌شود. اگر آب به اندازه کافی متراکم نشود، بار سیستم تصفیه افزایش یافته و بر اثر تصفیه تأثیر می‌گذارد و همچنین بر اثر و طول عمر کاتالیزور و جاذب تأثیر می‌گذارد.

(2) تأثیر بر عمر دیافراگم

دمای بالای مداوم محیط، پیری دیافراگم را تسریع می‌کند، باعث کاهش عملکرد یا حتی پارگی آن می‌شود، به راحتی باعث نفوذپذیری متقابل هیدروژن و اکسیژن در دو طرف دیافراگم می‌شود و بر خلوص هیدروژن و اکسیژن تأثیر می‌گذارد. هنگامی که نفوذ متقابل به حد پایین انفجار نزدیک می‌شود، احتمال خطر الکترولیز به شدت افزایش می‌یابد. در عین حال، دمای بالای مداوم همچنین باعث آسیب نشتی به واشر آب‌بندی شده و عمر مفید آن را کوتاه می‌کند.

(3) تأثیر بر الکترودها

اگر مقدار قلیا در گردش خیلی کم باشد، گاز تولید شده نمی‌تواند به سرعت از مرکز فعال الکترود خارج شود و راندمان الکترولیز تحت تأثیر قرار می‌گیرد؛ اگر الکترود نتواند به طور کامل با قلیا تماس پیدا کند تا واکنش الکتروشیمیایی انجام شود، اختلال تخلیه جزئی و سوختگی خشک رخ می‌دهد و باعث تسریع ریزش کاتالیزور روی الکترود می‌شود.

(4) تأثیر بر ولتاژ سلول

مقدار قلیا در گردش خیلی کم است، زیرا حباب‌های هیدروژن و اکسیژن تولید شده در مرکز فعال الکترود نمی‌توانند به موقع از بین بروند و مقدار گازهای محلول در الکترولیت افزایش می‌یابد و باعث افزایش ولتاژ محفظه کوچک و افزایش مصرف برق می‌شود.

چهار روش برای تعیین سرعت جریان بهینه گردش قلیا

برای حل مشکلات فوق، لازم است اقدامات مربوطه انجام شود، مانند بررسی منظم سیستم گردش سود مایع برای اطمینان از عملکرد طبیعی آن؛ حفظ شرایط دفع حرارت مناسب در اطراف الکترولیز؛ و در صورت لزوم تنظیم پارامترهای عملیاتی الکترولیز برای جلوگیری از وقوع حجم گردش سود مایع خیلی زیاد یا خیلی کم.

نرخ بهینه جریان گردش سود مایع باید بر اساس پارامترهای فنی خاص الکترولیز، مانند اندازه الکترولیز، تعداد محفظه‌ها، فشار عملیاتی، دمای واکنش، تولید گرما، غلظت سود مایع، خنک‌کننده سود مایع، جداکننده هیدروژن-اکسیژن، چگالی جریان، خلوص گاز و سایر الزامات، دوام تجهیزات و لوله‌کشی و سایر عوامل تعیین شود.

پارامترهای فنی ابعاد：

اندازه‌ها ۴۸۰۰x۲۲۴۰x۲۲۸۱ میلی‌متر

وزن کل ۴۰۷۰۰ کیلوگرم

اندازه محفظه موثر ۱۸۳۰، تعداد محفظه‌ها ۲۳۸

چگالی جریان الکترولیز ۵۰۰۰ آمپر بر متر مربع

فشار عملیاتی ۱.۶ مگاپاسکال

دمای واکنش ۹۰℃±۵℃

مجموعه واحدی از محصول الکترولیزر با حجم هیدروژن ۱۳۰۰ نیوتن متر مکعب در ساعت

اکسیژن محصول ۶۵۰ نیوتن متر مکعب بر ساعت

جریان مستقیم n13100A، ولتاژ dc 480V

خنک‌کننده‌ی آب قلیایی Φ700x4244 میلی‌متر

مساحت تبادل حرارت ۸۸.۲ متر مربع

جداکننده هیدروژن و اکسیژن Φ1300x3916mm

جداکننده اکسیژن Φ1300x3916mm

غلظت محلول هیدروکسید پتاسیم 30٪

مقدار مقاومت در برابر آب خالص > 5MΩ·cm

رابطه بین محلول هیدروکسید پتاسیم و الکترولیز:

آب خالص را رسانا کنید، هیدروژن و اکسیژن را آزاد کنید و گرما را از بین ببرید. جریان آب خنک کننده برای کنترل دمای قلیا استفاده می‌شود تا دمای واکنش الکترولیز نسبتاً پایدار باشد و تولید گرمای الکترولیز و جریان آب خنک کننده برای مطابقت با تعادل حرارتی سیستم استفاده می‌شود تا به بهترین شرایط کاری و بیشترین صرفه‌جویی در پارامترهای عملیاتی دست یابیم.

بر اساس عملیات واقعی：

کنترل حجم گردش آب قلیایی در 60 متر مکعب در ساعت،

جریان آب خنک‌کننده در حدود ۹۵٪ باز می‌شود،

دمای واکنش الکترولیز در بار کامل روی ۹۰ درجه سانتیگراد کنترل می‌شود.

مصرف برق DC الکترولیز در شرایط بهینه ۴.۵۶ کیلووات ساعت بر نیوتن متر مکعب آب است.

پنجخلاصه کردن

به طور خلاصه، حجم گردش سود مایع یک پارامتر مهم در فرآیند تولید هیدروژن توسط الکترولیز آب است که به خلوص گاز، ولتاژ محفظه، دمای الکترولیز و سایر پارامترها مربوط می‌شود. کنترل حجم گردش سود مایع مایع در مخزن با سرعت ۲ تا ۴ بار در ساعت در دقیقه مناسب است. با کنترل موثر حجم گردش سود مایع، عملکرد پایدار و ایمن تجهیزات تولید هیدروژن الکترولیز آب برای مدت طولانی تضمین می‌شود.

در فرآیند تولید هیدروژن توسط الکترولیز آب در الکترولیزر قلیایی، بهینه‌سازی پارامترهای شرایط کاری و طراحی راهگاه الکترولیزر، همراه با انتخاب جنس الکترود و جنس دیافراگم، کلید افزایش جریان، کاهش ولتاژ مخزن و صرفه‌جویی در مصرف انرژی هستند.

——تماس با ما——

تلفن: +86 028 6259 0080

فکس: +86 028 6259 0100

E-mail: tech@allygas.com