水电解制氢概况

水电解制氢概况 水电解制氢概况 发布日期：2010-04-02 浏览次数：30 摘要：本文对水电解制氢装置的构成、优点及现状作了简要地介绍，并对现行电解槽的运行参数及流程进行了探讨。关建词：氢气&nb 摘要：本文对水电解制氢装置的构成、优点及现状作了简要地介绍，并对现行电解槽的运行参数及流程进行了探讨。 关建词：氢气 水电解 制氢装置 1氢气的性质及用途 众所周知,氢是自然界中最轻的元素,氢元素虽然很多,但自然界中分子态的氢却极少，氢元素都存在于众多的化合物中,如水、石油、生物体……。 氢的用途极广，几乎涉及到国民经济的各个领域：化工中作为原料气；电力中作为发电机的冷却剂；电子元器件生产中作为还原气、保护气；有色金属冶炼中作为还原气；液氢可作为航天动力燃料等等。特别是近年来，随着石油，煤等一次性用的化石燃料的日益枯竭，氢作为一种清洁的可再生的能源，已为各国政府及学者所认同，因为电解氢来源于水，使用后的产物仍是水，所以是取之不尽，用之不竭的，完全是零排放的清洁能源。自然界中存在有大量自然能，如水能，风能，太阳能等，这些能量都可以转化为电能，但电能是不可能储存的，如通过水电解，电能即可转化为化学能氢，而氢是可以储存的。氢作为一种理想的能源载体，前景可谓十分看好，所以人们在制氢技术,储氢材料及氢能的利用方面正在进行着开创性的工作。 2国内水电解制氢发展简要及现状 解放以前，我国的水电解技术基本上是一片空白。解放后，哈机联，上海新建机器厂等生产的电解槽均为仿苏产品，均是常压电解槽，设备庞大，能耗高，手工操作，技术落后。上世纪六、七十年代始，中船718所开始研制船用加压水电解槽，借鉴查阅的文献资料，结合现有的技术，自主开发成功了加压水电解制氢装置。该装置的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 依据是德国Lurgi 电解槽的早期发明专利，发明者E.A.zdansky 在其美国专利【1】中，对加压电解槽的结构进行了详尽的描述，并附有若干张详图，为我们研制加压船用水电解制氧装置奠定了技术基础。样机由上海新建机器厂制作。此电解槽运行压力为3.2MPa ，经调试，各项性能指标基本上达到了设计要求。 改革开放后，船用水电解制氢技术开始转入民用，718所投入大量的人力物力,对船用产品进行改进，并把规格做大，达到100m3/h以上，投放市场后，立即受到广大用户的青睐，加压水电解槽较之常压槽有着明显的优势：装置体积小，设备集成化程度高，操作运行自动化，电耗省，常压电解槽只能被淘汰出局，以致生产常压电解槽称著的哈机联只能做些售后服务工作。当今国内几家水电解制氢设备厂家，中船718所、苏州竞立制氢设备有限公司及天津大陆气体设备公司，均源于718所，因此产品结构和技术性能大同小异，虽然经各自努力，从规格到性能都采用了一些新的工艺技术，但总体上相差无几，2005年苏州竞立开发的DQ375/1.6制氢装置至今仍为国内之最。 目前水电解制氢的市场大约每年有2-3亿的产值，去年国内多晶硅光伏产业的兴起，使水电解产品供不应求，几家生产厂家都开足马力生产。目前受世界金融危机的影响，市场相对低迷一些。 3水电解制氢的优点 水电解制氢比其它方法有许多优势，它只需耗电耗水，零排放，流程及设备简单，产品气纯度最高。缺点是电耗大，每立方氢达5kWh左右。为了降低产品气成本，很多企业都采用在谷电时段运行，这样生产成本就可大幅下降，如果当地有廉价的水电，那么水电解制氢绝对是具有竞争力的。而用其它生产方法制氢，如氨分解，甲醇裂解，水煤气制氢或天然气重整制氢等不但都要消耗宝贵的资源，还要排放各种污染物，影响环境质量，工艺流程及设备也比水电解复杂许多。 4水电解制氢站的构成 制氢站虽小，对于企业却是举足轻重的。根据规范【2】，制氢站一般设置在厂区的一角，需用实体围墙与其它建筑相隔离，厂房最好为单层建筑。建筑物由制氢间、辅助间和电控间组成。其中制氢间为防爆车间，室内布置有水电解槽，附属设备框架等。辅助间有水箱，碱箱，制取纯水的装置，冷水机及空压机等。电控间内有配电箱，整流柜及控制柜，此外较大的制氢装置还设置有专用变压器间。 除此以外，一般制氢站还在户外设置有贮罐区，该区与建筑物间应设置 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的防火间距。 如氢气和氧气需充灌钢瓶，则还需增设氢、氧压缩机间、充瓶间和空、实瓶库等。 5水电解制氢装置的组成及工艺流程简述 水电解制氢主要设备如上所述，现简单地介绍各设备的情况。 （1）水电解槽 水电解槽是整个制氢装置的核心装置，目前世界各国的水电解槽大多采用双极性压滤型结构，“双极性压滤型”的意思是：每块极板（指主极板）在电性上具有双极性，即一面是负极，反面则是下一个电室的正极。压滤型是指每个电解槽是由许许多多电室组成的，它们是靠若干根拉紧螺杆的作用力，挤压在两块笨重的端压板之间，形成一个紧凑的结构体。DQ375/1.6电解槽就是一个直径1.6米，长为5米多的圆筒体，此结构与化工中液固分离时常用的板框压滤机相似。 在电解槽中，电室是其最基本的组成单元，如DQ375/1.6电解槽就由254个电室所组成,每个电室由阴极（负极）,阳板（正极）,隔膜垫片及电解液所组成。经电化学反应,阴、阳极分别产生氢气和氧气。电极的结构采用的是德国 Luigi电解槽首创的乳头－丝网结构，即主极板是两面乳头状凸起的圆板，是由薄钢板经水压机模压而成的。此板再焊在圆环状的极框上，在极框上加工有若干个气道孔和液道孔，氢、氧气通过这些孔道从电解槽中逸出，碱液通过下部的碱液孔进入电解槽内。丝网采用镍丝网，它的作用是副电极，它紧贴在主极板的乳头上，电化学反应主要是在副电极上发生的。在阴、阳极之间设有一张隔膜，一般采用3.2mm厚的石棉布，其作用是隔开产生的氢、氧气，使氢、氧气不能相混，但电解液离子可以穿透隔膜。电解室的空间是由主极板的乳头撑起的，空间内充满着电解液，由于纯水是不导电的，所以需在水中加入强碱性电解质，这样才能发生电化反应，通常加入的是30％氢氧化钾溶液。 （2）附属设备框架 电解槽产生的产品气，需要经过一系列的后处理才能符合用户的要求，氢、氧气的处理过程是相同的，从电解槽出来是一种混合气，它夹带大量的电解液，所以必须要在气液分离器内进行分离。在此框架内，就配置了两个气液分离器。气液混合液在此进行重力分离，气体往上走，经过分离器内的洗涤装置进行洗涤，除去碱雾，然后再进入各自的气体冷却器，将气温降至接近于室温，最后再经分离，排凝水，经气动薄膜调节阀进入纯化系统或用户。 滞留在分离器的电解液，通过氢、氧分离器上的连通管，被碱液循环泵吸入，再经碱液冷却器及碱液过滤器后把此电解液送回到电解槽内。电化学反应是一个放热反应，碱液冷却器就是把产生的反应热除去，一般采用列管式换热器。使进入电解槽的电解液的温度比电解槽的运行温度低20℃左右，电解槽的运行温度维持在85-90℃之间。 （3）附属设备 在电化学反应中，水是不断地消耗的，电解质原则上是不消耗的，因此必须不断地补充水，辅助间的水箱装满了去离子水，通过旁边的补水泵打入到氢氧分离器内，用以洗涤产品气，之后回到氢氧分离器内，再通过碱液泵输入到电解槽内；辅助间内的碱箱是用来配制电解液的；纯水装置用来制备纯水的；空压机及贮罐是用来制备仪表气的，因为氢气的性质所限，调节阀都是采用气动控制的。 （4）电控设备 在控制间内，通常配置有配电柜、整流柜和控制柜，如果制氢装置规格较大，与控制柜毗邻处还设置有电解用的专用变压器间，用于将网上的高压电降压，以供给整流柜用。 （5）自控系统 整个制氢系统设置有10多个工艺控制点：包括系统压力、温度、分离器液位、碱液循环量及氢气纯度、含湿量等，压力采用压力变送器，所测数据送到PLC中，经PID运算后，输出调节信号，以调节气动薄膜调节阀阀位，从而达到稳定系统压力的目的。压力的现场显示及报警采用防爆电接点压力表。温度采用铂电阻，所测数据送PLC，再输出调节信号，以调节气动薄膜调节阀的阀位，达到控制冷却水流量的目的，最终控制进入电解槽的碱液温度。温度的现场显示采用双金属温度计来实现的。液位是通过差压变送器来实现的，工作原理同上。除现场显示仪表外，其余大部分都设置有报警及联锁功能。 总之，通过自控仪表的功能，整个系统基本上实现了全自动运行，做到无人值守。 6工艺参数与工艺流程探讨 （1）关于运行压力及温度参数 目前国内`水电解槽的运行压力只有两种情况：小型电解槽（≤20m3/h）为3.2MPa,较大的电解槽（＞20m3/h），运行压力为1.6 MPa,。因为电解槽内的介质是电解液与气体的混合液,当电解槽在压力下运行时,其混合液中的气泡必然被压缩,而电解液是不可压缩的，混合液的气密度必然降低,结果使混合液的电阻率下降,因为气泡的电阻率大大高于电解液,最终结果是电解槽的电耗下降,降低了单位体积产品氢气的生产成本。但运行压力并非越高越好，有关资料报导，运行压力为3.2 MPa时为最佳，如高于此压力，电阻率下降已十分有限，而设备制作费用却陡增，也不利于人身及设备的安全，必定是得不偿失，从压力电阻率的曲线图上可知，随着压力的升高，电阻率下降，但压力升至3.2MPa时,此曲线就平缓了,所以有些生产厂家说,他们的装置可在5.0 MPa压力下运行,我觉得是盲目攀高,没有理由要这样做。同样，电解槽的操作温度定在85-90℃也是如此，由于电解液是离子导电，温度升高，离子运动加速，电阻下降，但温度过高，电阻率下降已经有限，但高温电解液对金属及石棉布的腐蚀速度会加快，所以操作温度不宜太高，太高对人身的安全也是不利的。再说碱液的浓度，为什么定为30％，也是一样的。所谓最佳运行参数，都是综合了各种因素的结果。 （2）关于电解液系统的所谓 “双循环” 对于工艺流程，有的生产厂家提出了分离式循环的流程，并申请了国家专利，我觉得这也是一件得不偿失的事。目前国内外都是混合式循环流程，如德国Luigi 电解槽，应该说是加压水电解槽的经典之作，但在氢氧两分离器之间设置了若干根连通管（亦即平衡管），当然只设置一套碱液循环系统。而国内某企业却独出心裁，设置了两套碱循环系统，即氢、氧电解液分别循环到电解槽的阴、阳电室中，所得的好处是氢、氧纯度略提高了一些，特别是氧纯度可以从99. 3％提高到99.5％,为了要达到这一点,在电解液的循环路径中要增设许多设备,管道,阀门和仪表，如设备有碱液泵,碱液冷却器,碱液过滤器,管道过滤器等。仪表有金属转子流量计，铂电阻，仅阀门就有10多只，还有管道及管件许多，代价可谓不小，同时也增加了许多故障点，特别是氧循环系统，腐蚀速度很快，运行经验告诉我们,氧循环系统中，很多设备使用寿命极为有限,后遗症不少。实际上要达到把氧纯度提高0.2％,非常简单，只要在氧管道系统上设置一只脱氢器即可，加上10多公斤的脱氢剂便可，此脱氢器只是一只管道装置，设置起来十分方便，价格也不高，如氧气不作要求，就可以不设，因为在许多制氢设备中，氧气并未被采用。我认为，这又是一件得不偿失的举措。 以上只是我个人的看法,提出来与同仁们商榷。 参考资料 1 E.A.Zdansky USP 2,881,123 1959.4.7 2氢气站设计规范 2005.10 本文转自中国气体分离设备网（http://www.cngse.com）,原文地址：http://www.cngse.com/news/201004/%CB%AE%B5%E7%BD%E2%D6%C6%C7%E2%B8%C5%BF%F6_474.html