De elektrolytischewaterstofDe productie-eenheid omvat een complete set water-elektrolyseapparatuur.waterstofproductieapparatuur, waarbij de belangrijkste apparatuur het volgende omvat:
1. Elektrolytische cel
2. Gas-vloeistofscheidingsinrichting
3. Droog- en zuiveringssysteem
4. Het elektrische gedeelte omvat: transformator, gelijkrichterkast, PLC-besturingskast, instrumentenkast, verdeelkast, bovenliggende computer, enz.
5. Het hulpsysteem omvat hoofdzakelijk: een alkalische oplossingstank, een grondstofwatertank, een suppletiewaterpomp, een stikstofcilinder/busbar, enz. 6. Het complete hulpsysteem van de apparatuur omvat: een zuiverwatermachine, een koeltoren, een koelmachine, een luchtcompressor, enz.
Waterstof- en zuurstofkoelers, en het water wordt opgevangen door een druppelvanger voordat het onder controle van het besturingssysteem wordt afgevoerd; de elektrolyt stroomt erdoorheen.waterstofen zuurstof-alkalifilters, waterstof- en zuurstof-alkalikoelers respectievelijk onder invloed van de circulatiepomp, en vervolgens terug naar de elektrolysecel voor verdere elektrolyse.
De druk in het systeem wordt geregeld door het drukregelsysteem en het verschildrukregelsysteem om te voldoen aan de eisen van de daaropvolgende processen en opslag.
De waterstof die door water-elektrolyse wordt geproduceerd, heeft als voordelen een hoge zuiverheid en een laag gehalte aan onzuiverheden. De onzuiverheden in het waterstofgas dat door water-elektrolyse wordt geproduceerd, bestaan doorgaans alleen uit zuurstof en water, zonder andere componenten (waardoor vergiftiging van bepaalde katalysatoren wordt voorkomen). Dit maakt de productie van zeer zuiver waterstofgas eenvoudig, en het gezuiverde gas voldoet aan de normen voor industriële gassen van elektronische kwaliteit.
De waterstof die door de waterstofproductie-eenheid wordt geproduceerd, stroomt door een buffertank om de werkdruk van het systeem te stabiliseren en verder vrij water uit de waterstof te verwijderen.
Nadat de waterstof het waterstofzuiveringsapparaat is binnengegaan, wordt de door waterelektrolyse geproduceerde waterstof verder gezuiverd. Hierbij worden zuurstof, water en andere onzuiverheden uit de waterstof verwijderd door middel van katalytische reacties en adsorptie aan moleculaire zeven.
De apparatuur kan een automatisch systeem voor het aanpassen van 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 stuurt een signaal van 4-20 mA naar de PLC ter vergelijking met de oorspronkelijke ingestelde waarde. Na inverse transformatie en PID-berekening stuurt deze PLC een signaal van 20-4 mA naar de gelijkrichterkast om de grootte van de elektrolysestroom aan te passen. Op deze manier wordt de waterstofproductie automatisch aangepast aan veranderingen in de waterstofbelasting.
De enige reactie in het proces van waterstofproductie door waterelektrolyse is water (H₂O), dat continu moet worden aangevoerd met ruw water via een wateraanvoerpomp. Het aanvoerpunt bevindt zich bij de waterstof- of zuurstofscheider. Daarnaast moet er een kleine hoeveelheid water worden afgevoerd wanneer waterstof en zuurstof het systeem verlaten. Apparatuur met een laag waterverbruik kan 1 L/Nm³ H₂ verbruiken, terwijl grotere apparatuur dit kan reduceren tot 0,9 L/Nm³ H₂. Het systeem vult continu ruw water aan, waardoor de stabiliteit van het alkalische vloeistofniveau en de concentratie behouden blijft. Het kan ook tijdig het gereageerde water aanvullen om de concentratie van de alkalische oplossing op peil te houden.
- 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 elektrolytische cel nodig heeft, en het leveren van gelijkstroom aan de elektrolytische cel. Een deel van de geleverde energie wordt gebruikt om watermoleculen direct te ontleden in waterstof en zuurstof, en het andere deel genereert warmte, die door de alkalikoeler via koelwater wordt afgevoerd.
De meeste transformatoren zijn oliegekoeld. Indien ze binnenshuis of in een container worden geplaatst, kunnen droge transformatoren worden gebruikt. De transformatoren die worden gebruikt voor elektrolytische waterstofproductieapparatuur zijn speciale transformatoren die moeten worden afgestemd op de gegevens van elke elektrolytische cel; het zijn dus maatwerkapparatuur.
Momenteel is de meest gebruikte gelijkrichterkast het thyristortype, dat door fabrikanten wordt aanbevolen vanwege de lange levensduur, hoge stabiliteit en lage prijs. Door de noodzaak om grootschalige installaties aan te passen aan de front-end van hernieuwbare energie, is het conversierendement van thyristorgelijkrichterkasten echter relatief laag. Diverse fabrikanten van gelijkrichterkasten streven er daarom naar om IGBT-gelijkrichterkasten te introduceren. IGBT's worden al veelvuldig gebruikt in andere sectoren, zoals windenergie, en men verwacht dat IGBT-gelijkrichterkasten in de toekomst een aanzienlijke ontwikkeling zullen doormaken.
- Verdeelkastsysteem
De verdeelkast wordt hoofdzakelijk gebruikt voor de stroomvoorziening van diverse componenten met motoren in het waterstof-zuurstofscheidings- en zuiveringssysteem achter de elektrolytische waterstofproductie-installatie, inclusief 400V-apparatuur, ook wel 380V genoemd. Deze apparatuur omvat de alkalische circulatiepomp in het waterstof-zuurstofscheidingssysteem en de suppletiewaterpomp in het hulpsysteem; de stroomvoorziening voor de verwarmingsdraden in het droog- en zuiveringssysteem, evenals de hulpsystemen die nodig zijn voor het gehele systeem, zoals waterzuiveringsinstallaties, koelinstallaties, luchtcompressoren, koeltorens en waterstofcompressoren, hydrogeneringsmachines, enz., en tevens de stroomvoorziening voor de verlichting, bewaking en andere systemen van het gehele station.
- Control systeem
Het besturingssysteem maakt gebruik van PLC-automatische besturing. De PLC is doorgaans van het type Siemens 1200 of 1500 en is voorzien van een touchscreen-interface voor mens-machine-interactie. De bediening en parameterweergave van elk systeem van de apparatuur, evenals de weergave van de besturingslogica, worden via het touchscreen gerealiseerd.
5. Circulatiesysteem voor alkalische oplossing
Dit systeem omvat hoofdzakelijk de volgende apparatuur:
Waterstof-zuurstofscheider – Circulatiepomp voor alkalische oplossing – Klep – Filter voor alkalische oplossing – Elektrolytische cel
Het hoofdproces is als volgt: de alkalische oplossing, gemengd met waterstof en zuurstof in de waterstof-zuurstofscheider, wordt gescheiden door de gas-vloeistofscheider en teruggevoerd naar de circulatiepomp voor de alkalische oplossing. De waterstofscheider en de zuurstofscheider zijn hier met elkaar verbonden, en de circulatiepomp voor de alkalische oplossing circuleert de teruggevoerde alkalische oplossing naar de klep en het alkalische filter aan de achterzijde. Nadat het filter grote onzuiverheden heeft verwijderd, wordt de alkalische oplossing teruggevoerd naar de binnenkant van de elektrolytische cel.
6. Waterstofsysteem
Waterstofgas wordt gegenereerd aan de kathodezijde en bereikt de separator samen met het circulatiesysteem van de alkalische oplossing. In de separator is het waterstofgas relatief licht en scheidt het zich op natuurlijke wijze af van de alkalische oplossing, waarna het de bovenkant van de separator bereikt. Vervolgens stroomt het door leidingen voor verdere scheiding, wordt het gekoeld door koelwater en opgevangen door een druppelvanger om een zuiverheid van ongeveer 99% te bereiken voordat het het droog- en zuiveringssysteem aan de achterzijde bereikt.
Afvoer: De afvoer van waterstofgas wordt voornamelijk gebruikt tijdens het opstarten en afsluiten van systemen, bij abnormale bedrijfsomstandigheden of wanneer de zuiverheid niet aan de normen voldoet, en ook voor het oplossen van storingen.
7. Zuurstofsysteem
Het traject van zuurstof is vergelijkbaar met dat van waterstof, met als enige verschil dat het door verschillende scheiders verloopt.
Ontluchten: Momenteel gebruiken de meeste projecten de methode van het ontluchten van de zuurstof.
Toepassing: De waarde van zuurstof voor toepassing is alleen relevant in specifieke projecten, zoals toepassingen die zowel waterstof als zuurstof van hoge zuiverheid kunnen gebruiken, bijvoorbeeld bij fabrikanten van glasvezelkabels. Er zijn ook enkele grote projecten die ruimte hebben gereserveerd voor de toepassing van zuurstof. De mogelijke toepassingen in de nabewerking zijn de productie van vloeibare zuurstof na drogen en zuiveren, of de productie van medische zuurstof via dispersiesystemen. De nauwkeurigheid van deze toepassingsscenario's moet echter nog verder worden bevestigd.
8. Koelwatersysteem
Het elektrolyseproces van water is een endotherme reactie en de waterstofproductie vereist elektrische energie. De elektrische energie die bij het elektrolyseproces van water wordt verbruikt, overschrijdt echter de theoretische warmteabsorptie van de elektrolysereactie. Met andere woorden, een deel van de elektriciteit die in de elektrolysecel wordt gebruikt, wordt omgezet in warmte. Deze warmte wordt voornamelijk gebruikt om het circulatiesysteem van de alkalische oplossing te verwarmen, waardoor de temperatuur van de oplossing stijgt tot de vereiste temperatuur van 90 ± 5 ℃ voor de apparatuur. Als de elektrolysecel na het bereiken van de nominale temperatuur blijft werken, moet de gegenereerde warmte worden afgevoerd door koelwater om de temperatuur in de elektrolysezone op peil te houden. De hoge temperatuur in de elektrolysezone kan het energieverbruik verlagen, maar een te hoge temperatuur kan het membraan van de elektrolysekamer beschadigen, wat nadelig is voor de levensduur van de apparatuur.
De optimale bedrijfstemperatuur voor dit apparaat mag niet hoger zijn dan 95 ℃. Daarnaast moeten de geproduceerde waterstof en zuurstof worden gekoeld en ontvochtigd, en de watergekoelde thyristorgelijkrichter is daarom voorzien van de benodigde koelleidingen.
De pomphuis van grote apparatuur vereist ook koelwater.
- Stikstofvul- en stikstofspoelsysteem
Voordat het apparaat wordt gedebugd en in gebruik genomen, moet een stikstofdichtheidstest op het systeem worden uitgevoerd. Vóór de normale opstart is het ook nodig om de gasfase van het systeem met stikstof te spoelen om ervoor te zorgen dat het gas in de gasfaseruimte aan weerszijden van waterstof en zuurstof ver verwijderd is van het ontvlambare en explosieve bereik.
Na het uitschakelen van de apparatuur zal het besturingssysteem automatisch de druk handhaven en een bepaalde hoeveelheid waterstof en zuurstof in het systeem behouden. Als er tijdens het opstarten nog druk aanwezig is, is een spoelactie niet nodig. Als de druk echter volledig wegvalt, moet er opnieuw een stikstofspoelactie worden uitgevoerd.
- Waterstofdroog- (zuiverings)systeem (optioneel)
Het waterstofgas dat door waterelektrolyse wordt verkregen, wordt ontvochtigd door een parallelle droger en vervolgens gezuiverd door een filter met gesinterde nikkelbuizen om droog waterstofgas te verkrijgen. Afhankelijk van de eisen van de gebruiker voor het waterstofproduct, kan het systeem worden uitgebreid met een zuiveringsinrichting die gebruikmaakt van palladium-platina bimetallische katalytische deoxygenatie voor de zuivering.
De waterstof die door de waterstofproductie-eenheid via water-elektrolyse wordt opgewekt, wordt via een buffertank naar de waterstofzuiveringseenheid geleid.
Het waterstofgas passeert eerst een deoxygenatietoren, waar onder invloed van een katalysator de zuurstof in het waterstofgas reageert met het waterstofgas om water te produceren.
Reactieformule: 2H2 + O2 → 2H2O.
Vervolgens stroomt het waterstofgas door een waterstofcondensor (die het gas afkoelt om waterdamp te condenseren tot water, dat automatisch via een collector naar buiten het systeem wordt afgevoerd) en komt het in de adsorptietoren terecht.
Geplaatst op: 3 december 2024
