No processo de produção de hidrogênio do eletrolisador alcalino, como fazer o dispositivo operar de forma estável, além da qualidade do próprio eletrolisador, no qual a quantidade de circulação de soda cáustica da configuração também é um fator de influência importante.
Recentemente, na Reunião de Intercâmbio de Tecnologia de Produção de Segurança do Comitê Profissional de Hidrogênio da Associação de Gases Industriais da China, Huang Li, chefe do Programa de Operação e Manutenção de Hidrogênio por Eletrólise de Água e Hidrogênio, compartilhou nossa experiência sobre a configuração do volume de circulação de hidrogênio e soda cáustica no processo real de testes, operação e manutenção.
O que se segue é o artigo original.
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No contexto da estratégia nacional de carbono duplo, a Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd, especializada na produção de hidrogênio há 25 anos e a primeira a se envolver no campo da energia de hidrogênio, começou a expandir o desenvolvimento de tecnologia e equipamentos de hidrogênio verde, incluindo o projeto de corredores de tanques de eletrólise, fabricação de equipamentos, revestimento de eletrodos, bem como 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 geral é uma solução aquosa com uma concentração de 30% de hidróxido de potássio ou 25% de hidróxido de sódio.
O eletrolisador consiste em várias células eletrolíticas. Cada câmara de eletrólise consiste em um cátodo, um ânodo, um diafragma e um eletrólito. A principal função do diafragma é evitar a permeação de gás. Na parte inferior do eletrolisador, há uma entrada e uma saída comuns, e na parte superior, um canal de fluxo para a mistura gás-líquido de álcalis e oxi-álcalis. Quando a tensão excede a tensão teórica de decomposição da água de 1,23 V e a tensão neutra térmica de 1,48 V acima de um determinado valor, ocorre uma reação redox entre o eletrodo e a interface líquido, decompondo a água em hidrogênio e oxigênio.
Dois Como a soda cáustica é circulada
1️⃣Hidrogênio, ciclo misto de lixívia lateral de oxigênio
Nesta forma de circulação, a lixívia entra na bomba de circulação de lixívia através do tubo de conexão na parte inferior do separador de hidrogênio e do separador de oxigênio e, em seguida, 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 possibilidade de garantir o mesmo tamanho de circulação de lixívia nas 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 desajuste no nível do separador de hidrogênio-oxigênio, o que pode resultar no aumento do risco de mistura de hidrogênio-oxigênio. Atualmente, o lado hidrogênio-oxigênio do ciclo de mistura de lixívia é o processo mais comum.
2️⃣Circulação separada de lixívia lateral de hidrogênio e oxigênio
Esta forma de circulação requer duas bombas de circulação de lixívia, ou seja, duas circulações internas. A lixívia na parte inferior do separador de hidrogênio passa pela bomba de circulação do lado do hidrogênio, é resfriada e filtrada e, em seguida, entra na câmara catódica do eletrolisador; a lixívia na parte inferior do separador de oxigênio passa pela bomba de circulação do lado do oxigênio, é resfriada e filtrada e, em seguida, entra na câmara anódica do eletrolisador. A vantagem da circulação independente de lixívia é que o hidrogênio e o oxigênio produzidos pela eletrólise são de alta pureza, evitando fisicamente o risco de misturar hidrogênio e oxigênio no separador; a desvantagem é que a estrutura e o processo são complicados e caros, e também é necessário 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 apresenta a necessidade de controlar a estabilidade de ambos os lados do sistema.
Três Influência da vazão circulante de soda cáustica na produção de hidrogênio pela água eletrolítica e nas condições de trabalho do eletrolisador
1️⃣Circulação excessiva de soda cáustica
（1）Efeito na pureza do hidrogênio e do oxigênio
Como o hidrogênio e o oxigênio têm uma certa solubilidade na soda cáustica, o volume de circulação é muito grande, de modo que a quantidade total de hidrogênio e oxigênio dissolvidos aumenta e entra em cada câmara com a soda cáustica, o que faz com que a pureza do hidrogênio e do oxigênio seja reduzida na saída do eletrolisador; o volume de circulação é muito grande, de modo que o tempo de retenção do separador de líquido de hidrogênio e oxigênio é muito curto, e o gás que não foi completamente separado é trazido de volta para o interior do eletrolisador com a soda cáustica, o que afeta a eficiência da reação eletroquímica do eletrolisador e a pureza do hidrogênio e do oxigênio, e ainda mais. Isso afetará a eficiência da reação eletroquímica no eletrolisador e a pureza do hidrogênio e do oxigênio, e ainda mais a capacidade do equipamento de purificação de hidrogênio e oxigênio de desidrogenar e desoxigenar, resultando em efeito ruim da purificação de hidrogênio e oxigênio e afetando a qualidade dos produtos.
（2） Efeito na temperatura do tanque
Sob a condição de que a temperatura de saída do refrigerador de soda cáustica permaneça inalterada, um fluxo excessivo de soda cáustica retirará 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 a estabilização da corrente e da tensão, causando flutuações nas condições de funcionamento do gabinete do retificador e do transformador, afetando assim 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, aumento dos custos operacionais e redução da eficiência energética do sistema. Principalmente no aumento da circulação interna da água de resfriamento auxiliar, do spray e do ventilador de circulação externa, da carga de água gelada, etc., resultando no aumento do consumo de energia e, consequentemente, no aumento do consumo total de energia.
(5) Causa falha do equipamento
A circulação excessiva de soda cáustica aumenta a carga na bomba de circulação de soda cáustica, o que corresponde ao aumento da vazão, das flutuações de pressão e temperatura no eletrolisador, o que por sua vez afeta os eletrodos, diafragmas e juntas dentro do eletrolisador, o que pode 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 circulante de soda cáustica é insuficiente, o calor no eletrolisador não pode ser dissipado a tempo, resultando em um aumento na temperatura. O ambiente de alta temperatura faz com que a pressão de vapor saturado da água na fase gasosa aumente e o teor de água aumente. Se a água não puder ser condensada o suficiente, isso aumentará a carga do sistema de purificação e afetará o efeito da purificação, além de afetar o efeito e a vida útil do catalisador e do adsorvente.
（2）Impacto na vida útil do diafragma
O ambiente de alta temperatura contínua acelera o envelhecimento do diafragma, reduzindo seu desempenho ou até mesmo rompendo-o. É fácil causar permeabilidade mútua entre hidrogênio e oxigênio em ambos os lados do diafragma, afetando a pureza do hidrogênio e do oxigênio. Quando a infiltração mútua se aproxima do limite inferior da explosão, a probabilidade de perigo do eletrolisador aumenta consideravelmente. Ao mesmo tempo, a alta temperatura contínua também causa danos por vazamento na junta de vedação, reduzindo sua vida útil.
（3）Efeito nos eletrodos
Se a quantidade de soda cáustica circulante for muito pequena, o gás produzido não poderá sair do centro ativo do eletrodo rapidamente, e a eficiência da eletrólise será afetada; se o eletrodo não puder entrar em contato total com a soda cáustica para realizar a reação eletroquímica, ocorrerá anormalidade de descarga parcial e queima a seco, acelerando o derramamento do catalisador no eletrodo.
（4）Efeito na voltagem da célula
A quantidade de soda cáustica circulando é muito pequena, porque 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 vazão ideal de circulação de soda cáustica
Para resolver os problemas acima, é necessário tomar medidas correspondentes, como verificar regularmente o sistema de circulação de soda cáustica para garantir sua operação normal; manter boas condições de dissipação de calor ao redor do eletrolisador; e ajustar os parâmetros operacionais do eletrolisador, se necessário, para evitar a ocorrência de um volume muito grande ou muito pequeno de circulação de soda cáustica.
A vazão ideal de circulação de soda cáustica precisa ser determinada com base em parâmetros técnicos específicos do eletrolisador, como tamanho do eletrolisador, número de câmaras, pressão operacional, temperatura de reação, geração de calor, concentração de soda cáustica, resfriador de soda cáustica, separador de hidrogênio-oxigênio, densidade de corrente, pureza do gás e outros requisitos, durabilidade do equipamento e da tubulação e outros fatores.
Parâmetros técnicos Dimensões:
tamanhos 4800x2240x2281mm
peso total 40700Kg
Tamanho efetivo da câmara 1830, número de câmaras 238
Densidade de corrente do eletrolisador 5000A/m²
pressão de operação 1,6 MPa
temperatura de reação 90℃±5℃
Conjunto único de volume de hidrogênio do produto eletrolisador 1300Nm³/h
Produto Oxigênio 650Nm³/h
corrente contínua n13100A, tensão CC 480V
Refrigerador de soda cáustica Φ700x4244mm
área de troca de calor 88,2m²
Separador de hidrogênio e oxigênio Φ1300x3916mm
separador de oxigênio Φ1300x3916mm
Solução de hidróxido de potássio concentração 30%
Valor de resistência à água pura >5MΩ·cm
Relação entre solução de hidróxido de potássio e eletrolisador:
Tornar a água pura condutora, liberar hidrogênio e oxigênio e dissipar calor. O fluxo de água de resfriamento é usado para controlar a temperatura da soda cáustica, de modo que a temperatura de reação do eletrolisador seja relativamente estável, e a geração de calor do eletrolisador e o fluxo de água de resfriamento são usados para equilibrar o equilíbrio térmico do sistema, a fim de alcançar as melhores condições de trabalho e os parâmetros operacionais mais econômicos.
Com base em operações reais:
Controle de volume de circulação de soda cáustica a 60m³/h，
O fluxo de água de resfriamento abre em cerca de 95%,
A temperatura de reação do eletrolisador é controlada a 90°C em carga total,
O consumo de energia CC do eletrolisador em condições ideais é de 4,56 kWh/Nm³H₂.
Cincoresumir
Em resumo, o volume de circulação da soda cáustica 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 apropriado controlar o volume de circulação em 2 a 4 vezes/h/min de reposição da soda cáustica no tanque. Ao controlar eficazmente o volume de circulação da soda cáustica, 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 de água em eletrolisador alcalino, a otimização dos parâmetros de condições de trabalho e o projeto do rotor do eletrolisador, combinados com a seleção do material do eletrodo e do diafragma, são essenciais para aumentar a corrente, reduzir a tensão do tanque e economizar o consumo de energia.
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Horário da postagem: 09/01/2025
