De elektrolytische waterstofproductie-eenheid omvat een complete set apparatuur voor de elektrolytische waterstofproductie uit water. De belangrijkste apparatuur bestaat uit:
1. Elektrolyzer
2. Gas-vloeistofscheidingsinrichting
3. Droog- en zuiveringssysteem
4. Het elektrische gedeelte omvat: transformator, gelijkrichterkast, PLC-programmaregelkast, instrumentenkast, stroomverdeelkast, hostcomputer, enz.
5. Het hulpsysteem omvat hoofdzakelijk: alkalitank, grondstofwatertank, watertoevoerpomp, stikstoffles/busbar, enz.
6. Het complete hulpsysteem van de apparatuur omvat: een zuiverwatermachine, een koeltoren, een koelmachine, een luchtcompressor, enz.
In de elektrolytische waterstofproductie-eenheid wordt water in de elektrolyzer onder invloed van gelijkstroom ontleed in één deel waterstof en de helft zuurstof. De gevormde waterstof en zuurstof worden samen met de elektrolyt naar de gas-vloeistofscheider geleid voor scheiding. De waterstof en zuurstof worden gekoeld door respectievelijk waterstof- en zuurstofkoelers, waarbij een druppelvanger het water opvangt en verwijdert. Vervolgens wordt het mengsel onder controle van het besturingssysteem afgevoerd. De elektrolyt stroomt door een waterstof-, zuurstof- en alkalifilter, en vervolgens door een vloeistofkoeler, waarna het terugkeert naar de elektrolyzer om de elektrolyse voort te zetten.
De systeemdruk wordt geregeld via het drukregelsysteem en het verschildrukregelsysteem om te voldoen aan de eisen van de daaropvolgende processen en opslag.
Waterstof geproduceerd door water-elektrolyse heeft als voordelen een hoge zuiverheid en weinig onzuiverheden. De onzuiverheden in waterstof geproduceerd door water-elektrolyse bestaan doorgaans alleen uit zuurstof en water, en geen andere componenten (waardoor vergiftiging van bepaalde katalysatoren wordt voorkomen), wat het produceren van zeer zuivere waterstof vergemakkelijkt. Na zuivering kan het geproduceerde gas voldoen aan de kwaliteitseisen van industrieel gas voor elektronische toepassingen.
De waterstof die door de waterstofproductie-installatie wordt geproduceerd, stroomt door een buffertank om de werkdruk van het systeem te stabiliseren en verder vrij water in de waterstof te verwijderen.
Nadat de waterstof het waterstofzuiveringsapparaat binnenkomt, wordt de door waterelektrolyse geproduceerde waterstof verder gezuiverd en worden zuurstof, water en andere onzuiverheden in de waterstof verwijderd met behulp van de principes van katalytische reactie en adsorptie aan moleculaire zeven.
De apparatuur kan een automatisch regelsysteem voor de waterstofproductie instellen op basis van de actuele situatie. Veranderingen in de gasbelasting veroorzaken schommelingen in de druk van de waterstofopslagtank. De druktransmitter op de opslagtank geeft een signaal van 4-20 mA af en stuurt dit naar de PLC. Na vergelijking met de oorspronkelijke ingestelde waarde, inverse transformatie en PID-berekening, wordt een signaal van 20-4 mA afgegeven en naar de gelijkrichterkast gestuurd om de grootte van de elektrolysestroom aan te passen. Op deze manier wordt de waterstofproductie automatisch aangepast aan veranderingen in de waterstofbelasting.
Apparatuur voor de productie van waterstof door alkalische water-elektrolyse omvat hoofdzakelijk de volgende systemen:
(1) Grondstofwatersysteem
Het enige dat reageert in het waterelektrolyseproces voor de waterstofproductie is water (H₂O), dat continu moet worden aangevuld met ruw water via een wateraanvoerpomp. De wateraanvoer bevindt zich bij de waterstof- of zuurstofscheider. Daarnaast moet een kleine hoeveelheid waterstof en zuurstof worden afgevoerd bij het verlaten van het systeem om vocht te verwijderen. Het waterverbruik van kleine installaties is 1 L/Nm³H₂, terwijl dat van grote installaties kan worden teruggebracht tot 0,9 L/Nm³H₂. Het systeem wordt continu aangevuld met ruw water. Door de wateraanvulling kan de stabiliteit van het alkalische vloeistofniveau en de alkaliconcentratie worden gehandhaafd en kan de reactieoplossing tijdig worden aangevuld om de concentratie van de loog te behouden.
2) Transformatorgelijkrichtersysteem
Dit systeem bestaat hoofdzakelijk uit twee componenten: een transformator en een gelijkrichterkast. De belangrijkste functie is het omzetten van de 10/35 kV wisselstroom die door de netbeheerder wordt geleverd naar de gelijkstroom die de elektrolyzer nodig heeft, en het leveren van gelijkstroom aan de elektrolyzer. Een deel van de geleverde stroom wordt gebruikt om water direct te ontleden. De moleculen die daarbij ontstaan zijn waterstof en zuurstof, en het andere deel genereert warmte, die door de loogkoeler via koelwater wordt afgevoerd.
De meeste transformatoren zijn olietransformatoren. Indien ze binnenshuis of in een container worden geplaatst, kunnen droge transformatoren worden gebruikt. De transformatoren die worden gebruikt in elektrolytische waterwaterstofproductie-installaties zijn speciale transformatoren en moeten worden afgestemd op de specificaties van elke elektrolyzer; het zijn dus maatwerkapparatuur.
(3) stroomverdeelkastsysteem
De stroomverdeelkast wordt hoofdzakelijk gebruikt om 400V, ofwel 380V, te leveren aan diverse componenten met motoren in de waterstof- en zuurstofscheidings- en zuiveringssystemen achter de elektrolytische waterstofproductie-installatie. Deze apparatuur omvat onder andere de alkalicirculatie in het waterstof- en zuurstofscheidingssysteem, pompen, wateraanvoerpompen in hulpsystemen, verwarmingsdraden in droog- en zuiveringssystemen en andere hulpsystemen die nodig zijn voor het gehele systeem, zoals waterzuiveringsinstallaties, koelinstallaties, luchtcompressoren, koeltorens, waterstofcompressoren, hydrogeneringsmachines en andere apparatuur. De stroomvoorziening omvat tevens de stroomvoorziening voor verlichting, bewakingssystemen en andere systemen van de gehele installatie.
(4) besturingssysteem
Het besturingssysteem maakt gebruik van PLC-automatische besturing. De PLC is doorgaans van het type Siemens 1200 of 1500. Deze is uitgerust met een touchscreen-interface voor mens-computerinteractie, waarmee de bediening en parameterweergave van elk systeem van de apparatuur, evenals de weergave van de besturingslogica, via het touchscreen mogelijk zijn.
5) Alkalicirculatiesysteem
Dit systeem omvat hoofdzakelijk de volgende apparatuur:
Waterstof- en zuurstofscheider - alkalische circulatiepomp - klep - alkalisch filter - elektrolyzer
Het hoofdproces is als volgt: de alkalische vloeistof, gemengd met waterstof en zuurstof in de waterstof-zuurstofscheider, wordt gescheiden door de gas-vloeistofscheider en stroomt vervolgens terug naar de alkalische vloeistofcirculatiepomp. Hier zijn de waterstofscheider en de zuurstofscheider met elkaar verbonden, waardoor de alkalische vloeistof terugstroomt. De alkalische vloeistof circuleert naar de klep en het alkalische vloeistoffilter aan de achterzijde. Nadat het filter grote onzuiverheden heeft verwijderd, circuleert de alkalische vloeistof naar de binnenkant van de elektrolyzer.
(6)Waterstofsysteem
Waterstof wordt gegenereerd aan de kathodezijde en bereikt de separator samen met het alkalische vloeistofcirculatiesysteem. In de separator scheidt waterstof zich, omdat het relatief licht is, vanzelf af van de alkalische vloeistof en bereikt het het bovenste deel van de separator. Vervolgens stroomt het door een pijpleiding voor verdere scheiding en koeling. Na afkoeling met water vangt de druppelvanger de druppels op, waardoor een zuiverheid van ongeveer 99% wordt bereikt. Daarna gaat het naar het droog- en zuiveringssysteem aan de achterzijde.
Evacuatie: De evacuatie van waterstof wordt hoofdzakelijk gebruikt tijdens het opstarten en uitschakelen, bij abnormale werking of een tekort aan zuiverheid, en bij het evacueren van vloeistoffen na een storing.
(7) Zuurstofsysteem
Het traject voor zuurstof is vergelijkbaar met dat voor waterstof, maar in een andere scheider.
Evacuatie: Momenteel worden de meeste zuurstofprojecten via evacuatie afgehandeld.
Gebruik: De gebruikswaarde van zuurstof is alleen relevant in specifieke projecten, zoals bepaalde toepassingsscenario's waarbij zowel waterstof als hoogzuivere zuurstof gebruikt kan worden, bijvoorbeeld bij fabrikanten van glasvezels. Er zijn ook enkele grote projecten die ruimte hebben gereserveerd voor het gebruik van zuurstof. Voorbeelden van toepassingen in de nabewerking zijn de productie van vloeibare zuurstof na drogen en zuiveren, of het gebruik van medische zuurstof via een dispersiesysteem. De verdere uitwerking van deze gebruiksscenario's moet echter nog worden vastgesteld. Nader onderzoek is nodig.
(8) koelwatersysteem
Het elektrolyseproces van water is een endotherme reactie. Het waterstofproductieproces vereist elektrische energie. De elektrische energie die nodig is voor het elektrolyseproces van water overschrijdt echter de theoretische warmteabsorptie van de reactie. Dat wil zeggen dat een deel van de elektriciteit die door de elektrolyzer wordt gebruikt, wordt omgezet in warmte. Deze warmte wordt voornamelijk gebruikt om het alkalische circulatiesysteem aan het begin te verwarmen, zodat de temperatuur van de alkalische oplossing stijgt tot de door de apparatuur vereiste temperatuur van 90 ± 5 °C. Als de elektrolyzer na het bereiken van de nominale temperatuur blijft werken, moet de gegenereerde warmte worden gebruikt om koelwater af te voeren en zo de normale temperatuur in de elektrolysezone te handhaven. De hoge temperatuur in de elektrolysezone kan het energieverbruik verlagen, maar als de temperatuur te hoog wordt, zal het membraan van de elektrolysekamer beschadigd raken, wat nadelig is voor de levensduur van de apparatuur.
Dit apparaat vereist dat de bedrijfstemperatuur niet hoger is dan 95 °C. Daarnaast moeten de geproduceerde waterstof en zuurstof worden gekoeld en ontvochtigd, en de watergekoelde siliciumgestuurde gelijkrichter is dan ook voorzien van de benodigde koelleidingen.
De pomphuis van grote apparatuur vereist ook koelwater.
(9) Stikstofvul- en stikstofspoelsysteem
Voordat het apparaat wordt gedebugd en in gebruik genomen, moet het systeem met stikstof worden gevuld voor een luchtdichtheidstest. Vóór de normale opstart moet de gasfase van het systeem ook met stikstof worden gespoeld om ervoor te zorgen dat het gas in de gasfaseruimte aan weerszijden van de waterstof en zuurstof zich buiten het ontvlambare en explosieve bereik bevindt.
Nadat de apparatuur is uitgeschakeld, zal het besturingssysteem automatisch de druk handhaven en een bepaalde hoeveelheid waterstof en zuurstof in het systeem behouden. Als er bij het inschakelen van de apparatuur nog steeds druk aanwezig is, is spoelen niet nodig. Als echter alle druk is verdwenen, moet er opnieuw gespoeld worden. Stikstofspoeling.
(10) Waterstofdroog- (zuiverings)systeem (optioneel)
De waterstof die door water-elektrolyse wordt geproduceerd, wordt ontvochtigd door een parallelle droger en vervolgens ontstoft door een filter met gesinterde nikkelbuizen om droge waterstof te verkrijgen. (Afhankelijk van de eisen van de gebruiker voor de geproduceerde waterstof, kan het systeem worden uitgebreid met een zuiveringsinstallatie, waarbij gebruik wordt gemaakt van palladium-platina bimetallische katalytische deoxidatie).
De waterstof die door de waterstofproductie-installatie met water-elektrolyse wordt opgewekt, wordt via de buffertank naar de waterstofzuiveringsinstallatie geleid.
De waterstof passeert eerst de deoxygenatietoren. Onder invloed van de katalysator reageert de zuurstof in de waterstof met de waterstof zelf, waardoor water ontstaat.
Reactieformule: 2H2 + O2 → 2H2O.
Vervolgens stroomt de waterstof door de waterstofcondensor (die het gas afkoelt om de waterdamp in het gas te condenseren en water te genereren; het gecondenseerde water wordt automatisch via de vloeistofcollector uit het systeem afgevoerd) en komt in de adsorptietoren terecht.
Geplaatst op: 14 mei 2024
