No processo de produção de hidrogênio por eletrolisador alcalino, além da qualidade do próprio eletrolisador, é fundamental que o equipamento funcione de forma estável, sendo a quantidade de solução alcalina em circulação um fator de influência importante.
Recentemente, durante o Encontro de Intercâmbio de Tecnologia de Produção Segura do Comitê Profissional de Hidrogênio da Associação Chinesa de Gases Industriais, Huang Li, chefe do Programa de Operação e Manutenção de Hidrogênio por Eletrólise de Água, compartilhou nossa experiência sobre o ajuste do volume de circulação de hidrogênio e soda cáustica no processo real de teste, operação e manutenção.
Segue abaixo o artigo original.
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No contexto da estratégia nacional de dupla emissão de carbono, a Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd., especializada na produção de hidrogênio há 25 anos e pioneira no setor de energia de hidrogênio, iniciou a expansão do desenvolvimento de tecnologia e equipamentos para hidrogênio verde, incluindo o projeto de rotores para tanques de eletrólise, fabricação de equipamentos, revestimento de eletrodos, além de testes, operação e manutenção de tanques de eletrólise.
UmPrincípio de funcionamento do eletrolisador alcalino
Ao passar uma corrente contínua por um eletrolisador preenchido com eletrólito, as moléculas de água reagem eletroquimicamente nos eletrodos e se decompõem em hidrogênio e oxigênio. Para aumentar a condutividade do eletrólito, o eletrólito geralmente é uma solução aquosa com concentração de 30% de hidróxido de potássio ou 25% de hidróxido de sódio.
O eletrolisador consiste em várias células eletrolíticas. Cada câmara de eletrólise é composta por um cátodo, um ânodo, um diafragma e o eletrólito. A principal função do diafragma é impedir a permeação de gases. Na parte inferior do eletrolisador, há uma entrada e uma saída comuns, enquanto na parte superior ocorre o fluxo da mistura gás-líquido de álcalis e oxiálcalis. Quando uma determinada tensão de corrente contínua é aplicada, e essa tensão ultrapassa um certo valor entre a tensão teórica de decomposição da água (1,23 V) e a tensão de neutralidade térmica (1,48 V), ocorre uma reação redox na interface entre o eletrodo e o líquido, decompondo a água em hidrogênio e oxigênio.
Dois: Como a soda cáustica é circulada
1️⃣ Ciclo misto de soda cáustica com hidrogênio e oxigênio
Nessa forma de circulação, a soda cáustica entra na bomba de circulação através do tubo de conexão na parte inferior do separador de hidrogênio e do separador de oxigênio, e então entra nas câmaras catódica e anódica do eletrolisador após resfriamento e filtragem. As vantagens da circulação mista são a estrutura simples, o processo curto, o baixo custo e a garantia de que o mesmo volume de soda cáustica circule pelas câmaras catódica e anódica do eletrolisador; a desvantagem é que, por um lado, pode afetar a pureza do hidrogênio e do oxigênio e, por outro, pode causar o desajuste do nível do separador de hidrogênio-oxigênio, o que pode resultar em um risco maior de mistura de hidrogênio e oxigênio. Atualmente, o ciclo de mistura de soda cáustica no lado hidrogênio-oxigênio é o processo mais comum.
2️⃣Circulação separada de hidrogênio e oxigênio na solução lítica lateral
Este sistema de circulação requer duas bombas de circulação de soda cáustica, ou seja, duas circulações internas. A soda cáustica no fundo do separador de hidrogênio passa pela bomba de circulação do lado do hidrogênio, é resfriada e filtrada, entrando então na câmara catódica do eletrolisador; a soda cáustica no fundo do separador de oxigênio passa pela bomba de circulação do lado do oxigênio, é resfriada e filtrada, entrando então na câmara anódica do eletrolisador. A vantagem da circulação independente da soda cáustica é que o hidrogênio e o oxigênio produzidos pela eletrólise apresentam alta pureza, evitando fisicamente o risco de mistura entre os separadores de hidrogênio e oxigênio; a desvantagem é que a estrutura e o processo são complexos e dispendiosos, além da necessidade de garantir a consistência da vazão, altura manométrica, potência e outros parâmetros das bombas em ambos os lados, o que aumenta a complexidade da operação e impõe a exigência de controle da estabilidade de ambos os lados do sistema.
Três: Influência da taxa de fluxo circulante de soda cáustica na produção de hidrogênio por eletrolítica em água e nas condições de operação do eletrolisador.
1️⃣Circulação excessiva de soda cáustica
(1) Efeito na pureza do hidrogênio e do oxigênio
Como o hidrogênio e o oxigênio possuem certa solubilidade na solução alcalina, o volume de circulação é muito grande, aumentando a quantidade total de hidrogênio e oxigênio dissolvidos que entram em cada câmara juntamente com a solução alcalina. Isso reduz a pureza do hidrogênio e do oxigênio na saída do eletrolisador. Além disso, o volume de circulação também é muito grande, resultando em um tempo de retenção muito curto no separador de hidrogênio e oxigênio líquido. O gás que não foi completamente separado retorna ao interior do eletrolisador juntamente com a solução alcalina, afetando a eficiência da reação eletroquímica e a pureza do hidrogênio e do oxigênio. Consequentemente, a capacidade do equipamento de purificação de hidrogênio e oxigênio de realizar a desidrogenação e a desoxigenação resulta em uma purificação deficiente e afeta a qualidade dos produtos.
(2) Efeito na temperatura do tanque
Sob a condição de que a temperatura de saída do resfriador de soda cáustica permaneça inalterada, um fluxo excessivo de soda cáustica removerá mais calor do eletrolisador, fazendo com que a temperatura do tanque caia e a potência aumente.
(3) Efeito na corrente e na tensão
A circulação excessiva de soda cáustica afetará a estabilidade da corrente e da tensão. O fluxo excessivo de líquido interferirá na flutuação normal da corrente e da tensão, dificultando sua estabilização, causando oscilações nas condições de funcionamento do retificador e do transformador e, consequentemente, afetando a produção e a qualidade do hidrogênio.
(4) Aumento do consumo de energia
A circulação excessiva de soda cáustica também pode levar ao aumento do consumo de energia, ao aumento dos custos operacionais e à redução da eficiência energética do sistema. Isso ocorre principalmente devido ao aumento do sistema de circulação interna de água de resfriamento auxiliar e da circulação externa por aspersão e ventilador, além da carga de água gelada, etc., o que aumenta o consumo de energia e, consequentemente, o consumo total de energia.
(5) Causar falha no equipamento
A circulação excessiva de soda cáustica aumenta a carga na bomba de circulação, o que corresponde a um aumento na vazão, pressão e flutuações de temperatura no eletrolisador. Isso, por sua vez, afeta os eletrodos, diafragmas e juntas dentro do eletrolisador, podendo levar a mau funcionamento ou danos ao equipamento e a um aumento na carga de trabalho para manutenção e reparo.
2️⃣Circulação de soda cáustica muito pequena
(1) Efeito na temperatura do tanque
Quando o volume de soda cáustica em circulação é insuficiente, o calor no eletrolisador não consegue ser dissipado a tempo, resultando em um aumento de temperatura. O ambiente de alta temperatura faz com que a pressão de vapor saturado da água na fase gasosa aumente, elevando também o teor de água. Se a água não puder ser condensada suficientemente, isso aumentará a carga do sistema de purificação, afetando sua eficácia e, consequentemente, a vida útil do catalisador e do adsorvente.
(2) Impacto na vida útil do diafragma
A exposição contínua a altas temperaturas acelera o envelhecimento do diafragma, reduzindo seu desempenho e podendo até mesmo causar sua ruptura. Além disso, facilita a permeabilidade mútua entre hidrogênio e oxigênio, afetando a pureza desses fluidos. Quando essa permeabilidade se aproxima do limite inferior de risco de explosão, a probabilidade de danos ao eletrolisador aumenta consideravelmente. Ademais, a alta temperatura constante também pode causar vazamentos e danos à junta de vedação, reduzindo sua vida útil.
(3) Efeito nos eletrodos
Se a quantidade de soda cáustica em circulação for muito pequena, o gás produzido não conseguirá sair rapidamente do centro ativo do eletrodo, afetando a eficiência da eletrólise; se o eletrodo não conseguir entrar em contato total com a soda cáustica para realizar a reação eletroquímica, ocorrerão anormalidades na descarga parcial e combustão a seco, acelerando o desprendimento do catalisador do eletrodo.
(4) Efeito na tensão da célula
A quantidade de soda cáustica em circulação é muito pequena, pois as bolhas de hidrogênio e oxigênio geradas no centro ativo do eletrodo não podem ser removidas a tempo, e a quantidade de gases dissolvidos no eletrólito aumenta, causando um aumento na voltagem da pequena câmara e um aumento no consumo de energia.
Quatro métodos para determinar a taxa de fluxo ideal de circulação de soda cáustica
Para solucionar os problemas acima, é necessário tomar as medidas cabíveis, como verificar regularmente o sistema de circulação de soda cáustica para garantir seu funcionamento normal; manter boas condições de dissipação de calor ao redor do eletrolisador; e ajustar os parâmetros de operação do eletrolisador, se necessário, para evitar a ocorrência de um volume de circulação de soda cáustica muito grande ou muito pequeno.
A taxa de fluxo ideal de circulação da solução de soda cáustica precisa ser determinada com base em parâmetros técnicos específicos do eletrolisador, como tamanho do eletrolisador, número de câmaras, pressão de operação, temperatura de reação, geração de calor, concentração da solução de soda cáustica, resfriador de soda cáustica, separador de hidrogênio-oxigênio, densidade de corrente, pureza do gás e outros requisitos, durabilidade dos equipamentos e tubulações, entre outros fatores.
Dimensões dos parâmetros técnicos:
dimensões 4800x2240x2281mm
Peso total: 40700 kg
Dimensões efetivas da câmara: 1830 mm, Número de câmaras: 238
Densidade de corrente do eletrolisador: 5000 A/m²
Pressão de operação 1,6 MPa
temperatura de reação 90℃±5℃
Um conjunto único de eletrolisador produz hidrogênio em volume de 1300 Nm³/h.
Produção de oxigênio: 650 Nm³/h
corrente contínua n13100A, tensão CC 480V
Resfriador de soda cáustica Φ700x4244mm
Área de troca de calor 88,2m²
Separador de hidrogênio e oxigênio Φ1300x3916mm
Separador de oxigênio Φ1300x3916mm
Concentração da solução de hidróxido de potássio: 30%
Valor de resistência à água pura >5MΩ·cm
Relação entre a solução de hidróxido de potássio e o eletrolisador:
Tornar a água pura condutora, liberar hidrogênio e oxigênio e remover o calor. O fluxo de água de resfriamento é usado para controlar a temperatura da solução alcalina, de modo que a temperatura da reação do eletrolisador seja relativamente estável. O calor gerado pelo eletrolisador e o fluxo de água de resfriamento são utilizados para equilibrar o calor do sistema, visando obter as melhores condições de funcionamento e os parâmetros operacionais mais econômicos em termos de energia.
Com base nas operações reais:
Controle do volume de circulação de soda cáustica a 60 m³/h,
O fluxo de água de refrigeração abre em cerca de 95%.
A temperatura de reação do eletrolisador é controlada a 90°C em plena carga.
O consumo de energia CC do eletrolisador em condições ideais é de 4,56 kWh/Nm³H₂.
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Em resumo, o volume de circulação da solução de lixívia é um parâmetro importante no processo de produção de hidrogênio por eletrólise da água, estando relacionado à pureza do gás, à tensão da câmara, à temperatura do eletrolisador e a outros parâmetros. É adequado controlar o volume de circulação em 2 a 4 vezes por hora/minuto, considerando a taxa de renovação da solução de lixívia no tanque. Controlando efetivamente o volume de circulação da solução de lixívia, garante-se a operação estável e segura do equipamento de produção de hidrogênio por eletrólise da água por um longo período.
No processo de produção de hidrogênio por eletrólise da água em eletrolisador alcalino, a otimização dos parâmetros de operação e do projeto do rotor do eletrolisador, combinada com a seleção do material do eletrodo e do material do diafragma, são fundamentais para aumentar a corrente, reduzir a tensão do tanque e economizar energia.
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Data da publicação: 09/01/2025
