Trong quá trình sản xuất hydro bằng máy điện phân kiềm, để thiết bị hoạt động ổn định, ngoài chất lượng của chính máy điện phân, thì lượng tuần hoàn kiềm của quá trình cài đặt cũng là một yếu tố ảnh hưởng quan trọng.
Gần đây, tại Cuộc họp trao đổi công nghệ sản xuất an toàn của Ủy ban chuyên môn về hydro thuộc Hiệp hội khí công nghiệp Trung Quốc, Huang Li, người đứng đầu Chương trình vận hành và bảo trì hydro điện phân nước hydro, đã chia sẻ kinh nghiệm của chúng tôi về việc thiết lập thể tích tuần hoàn hydro và kiềm trong quá trình thử nghiệm, vận hành và bảo trì thực tế.
Sau đây là bản gốc của bài báo.
——————
Trong bối cảnh chiến lược carbon kép quốc gia, Công ty TNHH Công nghệ Năng lượng Hydrogen Ally, chuyên sản xuất hydro trong 25 năm và là công ty đầu tiên tham gia vào lĩnh vực năng lượng hydro, đã bắt đầu mở rộng phát triển công nghệ và thiết bị hydro xanh, bao gồm thiết kế đường ống dẫn bể điện phân, sản xuất thiết bị, mạ điện cực cũng như thử nghiệm, vận hành và bảo trì bể điện phân.
MộtNguyên lý hoạt động của máy điện phân kiềm
Bằng cách cho dòng điện một chiều chạy qua bình điện phân chứa đầy chất điện phân, các phân tử nước phản ứng điện hóa trên các điện cực và phân hủy thành hydro và oxy. Để tăng độ dẫn điện của chất điện phân, chất điện phân thông thường là dung dịch nước có nồng độ 30% kali hydroxit hoặc 25% natri hydroxit.
Bình điện phân bao gồm nhiều ngăn điện phân. Mỗi buồng điện phân bao gồm catốt, anot, màng ngăn và chất điện phân. Chức năng chính của màng ngăn là ngăn chặn sự thẩm thấu khí. Phần dưới của bình điện phân có một cửa vào và cửa ra chung, phần trên là kênh dẫn hỗn hợp khí-lỏng gồm kiềm và oxy-kiềm. Khi dòng điện một chiều được đưa vào một điện áp nhất định, khi điện áp vượt quá điện áp phân hủy lý thuyết của nước 1,23V và điện áp trung hòa nhiệt 1,48V trên một giá trị nhất định, phản ứng oxy hóa khử giữa điện cực và bề mặt chất lỏng xảy ra, nước bị phân hủy thành hydro và oxy.
Hai Cách lưu thông dung dịch kiềm
1️⃣Chu trình hỗn hợp kiềm hydro, oxy
Trong hình thức tuần hoàn này, nước kiềm đi vào bơm tuần hoàn nước kiềm qua ống nối ở đáy bộ tách hydro và bộ tách oxy, sau khi làm mát và lọc, nước kiềm đi vào khoang catốt và anot của thiết bị điện phân. Ưu điểm của tuần hoàn hỗn hợp là cấu trúc đơn giản, quy trình ngắn, chi phí thấp và có thể đảm bảo lưu lượng nước kiềm vào khoang catốt và anot của thiết bị điện phân đồng đều; nhược điểm là một mặt có thể ảnh hưởng đến độ tinh khiết của hydro và oxy, mặt khác có thể khiến mức nước trong bộ tách hydro-oxy bị mất cân bằng, làm tăng nguy cơ trộn lẫn hydro-oxy. Hiện nay, phía hydro-oxy của chu trình trộn nước kiềm là quy trình phổ biến nhất.
2️⃣Tuần hoàn tách biệt hydro và oxy bên kiềm
Hình thức tuần hoàn này đòi hỏi hai bơm tuần hoàn kiềm, tức là hai tuần hoàn bên trong. Kiềm ở đáy bộ tách hydro đi qua bơm tuần hoàn phía hydro, được làm mát và lọc, sau đó đi vào buồng catốt của bình điện phân; kiềm ở đáy bộ tách oxy đi qua bơm tuần hoàn phía oxy, được làm mát và lọc, sau đó đi vào buồng anot của bình điện phân. Ưu điểm của tuần hoàn kiềm độc lập là hydro và oxy tạo ra trong quá trình điện phân có độ tinh khiết cao, tránh được nguy cơ trộn lẫn hydro và oxy trong quá trình tách; nhược điểm là cấu trúc và quy trình phức tạp và tốn kém, đồng thời cần đảm bảo tính nhất quán của lưu lượng, cột áp, công suất và các thông số khác của bơm ở cả hai phía, điều này làm tăng độ phức tạp của hoạt động và đặt ra yêu cầu kiểm soát tính ổn định của cả hai phía của hệ thống.
Ba ảnh hưởng của lưu lượng tuần hoàn của kiềm đến sản xuất hydro bằng nước điện phân và điều kiện làm việc của thiết bị điện phân
1️⃣Lưu thông quá nhiều kiềm
（1）Ảnh hưởng đến độ tinh khiết của hydro và oxy
Do hydro và oxy có độ hòa tan nhất định trong kiềm, nên thể tích tuần hoàn quá lớn khiến tổng lượng hydro và oxy hòa tan tăng lên và đi vào mỗi buồng cùng với kiềm, khiến độ tinh khiết của hydro và oxy giảm đi ở đầu ra của bình điện phân; thể tích tuần hoàn quá lớn khiến thời gian lưu của bộ tách lỏng hydro và oxy quá ngắn, khí chưa tách hoàn toàn được đưa trở lại bên trong bình điện phân cùng với kiềm, ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng điện hóa của bình điện phân và độ tinh khiết của hydro và oxy, hơn nữa điều này sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng điện hóa trong bình điện phân và độ tinh khiết của hydro và oxy, đồng thời ảnh hưởng đến khả năng khử hydro và khử oxy của thiết bị tinh chế hydro và oxy, dẫn đến hiệu quả tinh chế hydro và oxy kém, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
（2） Ảnh hưởng đến nhiệt độ bể
Trong điều kiện nhiệt độ đầu ra của bộ làm mát xút không đổi, lượng xút chảy quá nhiều sẽ làm mất nhiều nhiệt hơn từ bộ điện phân, khiến nhiệt độ bình giảm và công suất tăng.
（3）Ảnh hưởng đến dòng điện và điện áp
Lưu thông quá mức của xút sẽ ảnh hưởng đến sự ổn định của dòng điện và điện áp. Lưu lượng chất lỏng quá mức sẽ làm nhiễu loạn sự dao động bình thường của dòng điện và điện áp, khiến dòng điện và điện áp không dễ ổn định, gây ra sự dao động trong điều kiện làm việc của tủ chỉnh lưu và máy biến áp, từ đó ảnh hưởng đến sản lượng và chất lượng hydro.
（4）Tăng tiêu thụ năng lượng
Tuần hoàn kiềm quá mức cũng có thể dẫn đến tăng tiêu thụ năng lượng, tăng chi phí vận hành và giảm hiệu suất năng lượng của hệ thống. Chủ yếu là do sự gia tăng của hệ thống tuần hoàn nước làm mát phụ trợ bên trong và tuần hoàn bên ngoài (phun và quạt), tải nước lạnh, v.v., dẫn đến tiêu thụ điện năng tăng, tổng mức tiêu thụ năng lượng cũng tăng.
（5）Gây ra sự cố thiết bị
Tuần hoàn kiềm quá mức làm tăng tải cho bơm tuần hoàn kiềm, tương ứng với việc tăng lưu lượng, áp suất và biến động nhiệt độ trong bình điện phân, từ đó ảnh hưởng đến các điện cực, màng ngăn và miếng đệm bên trong bình điện phân, có thể dẫn đến trục trặc hoặc hư hỏng thiết bị, đồng thời làm tăng khối lượng công việc bảo trì và sửa chữa.
2️⃣Lưu thông kiềm quá nhỏ
（1）Ảnh hưởng đến nhiệt độ bể
Khi thể tích tuần hoàn của dung dịch kiềm không đủ, nhiệt trong thiết bị điện phân không được giải phóng kịp thời, dẫn đến nhiệt độ tăng cao. Môi trường nhiệt độ cao làm tăng áp suất hơi bão hòa của nước trong pha khí, làm tăng hàm lượng nước. Nếu nước không được ngưng tụ đủ, sẽ làm tăng gánh nặng cho hệ thống lọc, ảnh hưởng đến hiệu quả lọc, đồng thời ảnh hưởng đến hiệu quả và tuổi thọ của chất xúc tác và chất hấp phụ.
（2）Ảnh hưởng đến tuổi thọ màng ngăn
Môi trường nhiệt độ cao liên tục sẽ đẩy nhanh quá trình lão hóa màng ngăn, làm giảm hiệu suất hoặc thậm chí vỡ màng ngăn, dễ gây ra hiện tượng thẩm thấu lẫn nhau giữa hydro và oxy ở cả hai mặt màng ngăn, ảnh hưởng đến độ tinh khiết của hydro và oxy. Khi sự thẩm thấu lẫn nhau gần đến giới hạn dưới của sự nổ, nguy cơ gây nguy hiểm cho thiết bị điện phân tăng lên đáng kể. Đồng thời, nhiệt độ cao liên tục cũng sẽ gây rò rỉ gioăng làm kín, rút ngắn tuổi thọ của gioăng.
（3）Ảnh hưởng đến điện cực
Nếu lượng kiềm tuần hoàn quá nhỏ, khí sinh ra không thể thoát ra khỏi trung tâm hoạt động của điện cực một cách nhanh chóng, ảnh hưởng đến hiệu suất điện phân; nếu điện cực không thể tiếp xúc hoàn toàn với kiềm để thực hiện phản ứng điện hóa, sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện cục bộ bất thường và cháy khô, đẩy nhanh quá trình loại bỏ chất xúc tác trên điện cực.
（4 ）Ảnh hưởng đến điện áp pin
Lượng kiềm tuần hoàn quá nhỏ vì các bọt khí hydro và oxy sinh ra ở trung tâm hoạt động của điện cực không được loại bỏ kịp thời, lượng khí hòa tan trong chất điện phân tăng lên, làm tăng điện áp của buồng nhỏ và tăng mức tiêu thụ điện năng.
Bốn phương pháp xác định lưu lượng tuần hoàn kiềm tối ưu
Để giải quyết các vấn đề trên, cần thực hiện các biện pháp tương ứng như kiểm tra thường xuyên hệ thống tuần hoàn kiềm để đảm bảo hoạt động bình thường; duy trì điều kiện tản nhiệt tốt xung quanh bình điện phân; và điều chỉnh các thông số vận hành của bình điện phân nếu cần để tránh xảy ra tình trạng thể tích tuần hoàn kiềm quá lớn hoặc quá nhỏ.
Lưu lượng tuần hoàn kiềm tối ưu cần được xác định dựa trên các thông số kỹ thuật cụ thể của thiết bị điện phân, chẳng hạn như kích thước thiết bị điện phân, số lượng buồng, áp suất vận hành, nhiệt độ phản ứng, sinh nhiệt, nồng độ kiềm, bộ làm mát kiềm, bộ tách hydro-oxy, mật độ dòng điện, độ tinh khiết của khí và các yêu cầu khác, độ bền của thiết bị và đường ống cũng như các yếu tố khác.
Thông số kỹ thuật Kích thước：
kích thước 4800x2240x2281mm
tổng trọng lượng 40700Kg
Kích thước buồng hiệu quả 1830、Số lượng buồng 238
Mật độ dòng điện điện phân 5000A/m²
áp suất vận hành 1.6Mpa
nhiệt độ phản ứng 90℃±5℃
Bộ sản phẩm điện phân hydro đơn thể tích 1300Nm³/h
Sản phẩm Oxy 650Nm³/h
dòng điện một chiều n13100A, điện áp một chiều 480V
Máy làm mát lye Φ700x4244mm
diện tích trao đổi nhiệt 88,2m²
Máy tách hydro và oxy Φ1300x3916mm
máy tách oxy Φ1300x3916mm
Nồng độ dung dịch kali hydroxit 30%
Giá trị điện trở nước tinh khiết >5MΩ·cm
Mối quan hệ giữa dung dịch kali hydroxit và chất điện phân:
Làm cho nước tinh khiết dẫn điện, giải phóng hydro và oxy, đồng thời lấy nhiệt. Lưu lượng nước làm mát được sử dụng để kiểm soát nhiệt độ dung dịch kiềm, đảm bảo nhiệt độ phản ứng điện phân tương đối ổn định, đồng thời nhiệt lượng tỏa ra từ điện phân và lưu lượng nước làm mát được sử dụng để cân bằng nhiệt của hệ thống, nhằm đạt được điều kiện hoạt động tốt nhất và các thông số vận hành tiết kiệm năng lượng nhất.
Dựa trên hoạt động thực tế:
Kiểm soát thể tích tuần hoàn kiềm ở mức 60m³/h，
Lưu lượng nước làm mát mở ra khoảng 95%，
Nhiệt độ phản ứng của thiết bị điện phân được kiểm soát ở mức 90°C khi tải đầy đủ，
Công suất tiêu thụ điện một chiều của máy điện phân ở điều kiện tối ưu là 4,56 kWh/Nm³H₂.
Nămtóm tắt
Tóm lại, thể tích tuần hoàn kiềm là một thông số quan trọng trong quá trình sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân nước, liên quan đến độ tinh khiết của khí, điện áp buồng, nhiệt độ điện phân và các thông số khác. Việc kiểm soát thể tích tuần hoàn kiềm trong bể chứa ở mức 2-4 lần/giờ/phút là phù hợp. Việc kiểm soát hiệu quả thể tích tuần hoàn kiềm đảm bảo thiết bị sản xuất hydro điện phân nước hoạt động ổn định và an toàn trong thời gian dài.
Trong quá trình sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân nước trong bình điện phân kiềm, việc tối ưu hóa các thông số điều kiện làm việc và thiết kế đường dẫn điện phân, kết hợp với lựa chọn vật liệu điện cực và vật liệu màng ngăn là chìa khóa để tăng dòng điện, giảm điện áp bình và tiết kiệm năng lượng tiêu thụ.
——Liên hệ với chúng tôi——
Điện thoại: +86 028 6259 0080
Số fax: +86 028 6259 0100
E-mail: tech@allygas.com
Thời gian đăng: 09-01-2025
