Tuần hoàn hydro và kiềm trong quá trình điện phân nước kiềm để sản xuất hydro.

Trong quy trình sản xuất hydro bằng điện phân kiềm, làm thế nào để thiết bị hoạt động ổn định, ngoài chất lượng của chính thiết bị điện phân, thì lượng dung dịch kiềm tuần hoàn cũng là một yếu tố ảnh hưởng quan trọng.

Mới đây, tại Hội nghị Trao đổi Công nghệ Sản xuất An toàn của Ủy ban Chuyên môn về Hydro thuộc Hiệp hội Khí công nghiệp Trung Quốc, ông Huang Li, Trưởng chương trình Vận hành và Bảo trì Hydro điện phân nước hydro, đã chia sẻ kinh nghiệm của chúng tôi về việc thiết lập lưu lượng tuần hoàn hydro và dung dịch kiềm trong quá trình thử nghiệm thực tế cũng như vận hành và bảo trì.

Sau đây là bài báo gốc.

——————

Trong bối cảnh chiến lược kép carbon quốc gia, Công ty TNHH Công nghệ Năng lượng Hydro Ally, chuyên sản xuất hydro trong 25 năm và là đơn vị tiên phong trong lĩnh vực năng lượng hydro, đã bắt đầu mở rộng phát triển công nghệ và thiết bị hydro xanh, bao gồm thiết kế đường 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 chất điện giải, các phân tử nước sẽ phản ứng điện hóa trên các điện cực và bị phân hủy thành hydro và oxy. Để tăng cường độ dẫn điện của chất điện giải, chất điện giải thường được sử dụng là dung dịch nước có nồng độ 30% kali hydroxit hoặc 25% natri hydroxit.

Thiết bị điện phân bao gồm nhiều buồng điện phân. Mỗi buồng điện phân gồm catốt, anốt, màng ngăn và chất điện phân. Chức năng chính của màng ngăn là ngăn chặn sự thẩm thấu của khí. Ở phần dưới của thiết bị điện phân có một cửa vào và cửa ra chung, phần trên là kênh dẫn hỗn hợp khí-lỏng kiềm và oxy-kiềm. Dòng điện một chiều được dẫn vào với một điện áp nhất định, khi điện áp vượt quá điện áp phân hủy lý thuyết của nước (1,23V) và điện áp trung tính nhiệt (1,48V) trên một giá trị nhất định, phản ứng oxy hóa khử xảy ra tại giao diện giữa điện cực và chất lỏng, nước bị phân hủy thành hydro và oxy.

Hai cách dung dịch kiềm được tuần hoàn

1️⃣ Chu trình hỗn hợp kiềm phụ hydro, oxy

Trong hình thức tuần hoàn này, dung dịch kiềm đi vào bơm tuần hoàn kiềm thông qua ống nối ở đáy bộ tách hydro và bộ tách oxy, sau đó đi vào buồng catốt và anốt của thiết bị điện phân sau khi được làm mát và lọc. Ưu điểm của tuần hoàn hỗn hợp là cấu trúc đơn giản, quy trình ngắn, chi phí thấp và có thể đảm bảo lượng dung dịch kiềm tuần hoàn vào buồng catốt và anốt của thiết bị điện phân là như nhau; nhược điểm là một mặt, nó có thể ảnh hưởng đến độ tinh khiết của hydro và oxy, mặt khác, nó có thể làm mất cân bằng mức độ của bộ tách hydro-oxy, dẫn đến tăng nguy cơ trộn lẫn hydro-oxy. Hiện nay, quy trình trộn dung dịch kiềm theo hướng hydro-oxy là quy trình phổ biến nhất.

2️⃣Tuần hoàn riêng biệt dung dịch kiềm phía hydro và phía oxy

Hệ thống tuần hoàn này yêu cầu hai bơm tuần hoàn dung dịch kiềm, tức là hai vòng tuần hoàn nội bộ. Dung dịch 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 thiết bị điện phân; dung dịch kiềm ở đáy bộ tách oxy đi qua bơm tuần hoàn phía oxy, được làm mát và lọc, sau đó đi vào buồng anốt của thiết bị điện phân. Ưu điểm của việc tuần hoàn dung dịch kiềm độc lập là hydro và oxy được tạo ra bằng điện phân có độ tinh khiết cao, tránh được nguy cơ trộn lẫn hydro và oxy trong bộ tách; nhược điểm là cấu trúc và quy trình phức tạp và tốn kém, đồng thời cần đảm bảo sự nhất quán về lưu lượng, cột áp, công suất và các thông số khác của bơm ở cả hai phía, làm tăng độ phức tạp của hoạt động và đặt ra yêu cầu kiểm soát sự ổn định của cả hai phía của hệ thống.

Ba yếu tố ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy tuần hoàn của dung dịch kiềm đến quá trình sản xuất hydro bằng nước điện phân và điều kiện hoạt động của thiết bị điện phân.

1️⃣ Lưu thông dung dịch kiềm quá mức

(1) Ảnh hưởng đến độ tinh khiết của hydro và oxy

Do hydro và oxy có độ hòa tan nhất định trong dung dịch kiềm, thể tích tuần hoàn quá lớn dẫn đến tổng lượng hydro và oxy hòa tan tăng lên và đi vào mỗi buồng cùng với dung dịch kiềm, làm giảm độ tinh khiết của hydro và oxy ở đầu ra của thiết bị điện phân; thể tích tuần hoàn quá lớn cũng khiến thời gian lưu giữ của bộ tách lỏng hydro và oxy quá ngắn, và khí chưa được tách hoàn toàn sẽ bị đưa trở lại bên trong thiết bị điện phân cùng với dung dịch kiềm, ảnh hưởng đến hiệu quả phản ứng điện hóa của thiết bị điện phân và độ tinh khiết của hydro và oxy, từ đó 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 và ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

(2) Ảnh hưởng đến nhiệt độ bể chứa

Trong điều kiện nhiệt độ đầu ra của bộ làm mát dung dịch kiềm không thay đổi, lượng dung dịch kiềm chảy quá nhiều sẽ lấy đi nhiều nhiệt hơn từ thiết bị điện phân, khiến nhiệt độ trong bể giảm và công suất tăng lên.

(3) Ảnh hưởng đến dòng điện và điện áp

Sự tuần hoàn quá mức của dung dịch kiềm sẽ ảnh hưởng đến sự ổn định của dòng điện và điện áp. Lưu lượng chất lỏng quá lớn sẽ gây nhiễu loạn sự dao động bình thường của dòng điện và điện áp, khiến dòng điện và điện áp khó ổn định, gây ra sự dao động trong điều kiện hoạt động của tủ chỉnh lưu và máy biến áp, từ đó ảnh hưởng đến sản lượng và chất lượng hydro.

(4) Tăng mức tiêu thụ năng lượng

Việc tuần hoàn dung dịch 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 hệ thống tuần hoàn nước làm mát phụ trợ bên trong và hệ thống phun và quạt tuần hoàn bên ngoài, tải nước lạnh, v.v., dẫn đến tăng công suất tiêu thụ, tổng mức tiêu thụ năng lượng tăng lên.

(5) Gây ra sự cố thiết bị

Việc tuần hoàn dung dịch kiềm quá mức làm tăng tải trọng lên bơm tuần hoàn dung dịch kiềm, dẫn đến tăng lưu lượng, áp suất và dao động nhiệt độ trong thiết bị điện phân, từ đó ảnh hưởng đến các điện cực, màng ngăn và gioăng bên trong thiết bị điện phân, có thể dẫn đến trục trặc hoặc hư hỏng thiết bị, và làm tăng khối lượng công việc bảo trì và sửa chữa.

2️⃣Lưu thông dung dịch kiềm quá nhỏ

(1) Ảnh hưởng đến nhiệt độ bể chứa

Khi lượng dung dịch kiềm tuần hoàn không đủ, nhiệt lượng trong thiết bị điện phân không thể được tản ra 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 và hàm lượng nước cũng tăng lên. Nếu nước không được ngưng tụ đủ, nó sẽ làm tăng gánh nặng cho hệ thống lọc và ảnh hưởng đến hiệu quả lọc, đồng thời cũng ảnh hưởng đến hiệu quả và tuổi thọ của chất xúc tác và chất hấp phụ.

(2) Tác động đến tuổi thọ màng ngăn

Môi trường nhiệt độ cao liên tục sẽ đẩy nhanh quá trình lão hóa của màng ngăn, làm giảm hiệu suất hoặc thậm chí gây rách, dễ dẫn đến hiện tượng thấm lẫn hydro và oxy giữa hai mặt màng ngăn, ảnh hưởng đến độ tinh khiết của hydro và oxy. Khi hiện tượng thấm lẫn này tiến gần đến giới hạn dưới của nguy cơ nổ, xác suất xảy ra nguy hiểm đối với thiết bị điện phân sẽ tăng lên đáng kể. Đồng thời, nhiệt độ cao liên tục cũng sẽ gây ra hiện tượng rò rỉ và hư hỏng gioăng làm kín, làm giảm tuổi thọ của gioăng.

(3) Ảnh hưởng lên điện cực

Nếu lượng dung dịch kiềm tuần hoàn quá ít, khí sinh ra không thể thoát ra khỏi trung tâm hoạt động của điện cực nhanh chóng, ảnh hưởng đến hiệu suất điện phân; nếu điện cực không tiếp xúc hoàn toàn với dung dịch 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 bong tróc chất xúc tác trên điện cực.

(4) Ảnh hưởng đến điện áp tế bào

Lượng dung dịch kiềm tuần hoàn quá ít, do đó các bọt khí hydro và oxy sinh ra ở trung tâm hoạt động của điện cực không thể được loại bỏ kịp thời, dẫn đến lượng khí hòa tan trong chất điện phân tăng lên, gây ra sự tăng điện áp trong buồng nhỏ và tăng mức tiêu thụ điện năng.

Bốn phương pháp xác định tốc độ dòng chảy tuần hoàn dung dịch kiềm tối ưu

Để giải quyết các vấn đề trên, cần phải thực hiện các biện pháp tương ứng, chẳng hạn như thường xuyên kiểm tra hệ thống tuần hoàn dung dịch kiềm để đảm bảo hoạt động bình thường; duy trì điều kiện tản nhiệt tốt xung quanh thiết bị điện phân; và điều chỉnh các thông số vận hành của thiết bị điện phân, nếu cần, để tránh tình trạng lượng dung dịch kiềm tuần hoàn quá lớn hoặc quá nhỏ.

Tốc độ tuần hoàn dung dịch 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 buồng, áp suất hoạt động, nhiệt độ phản ứng, lượng nhiệt sinh ra, nồng độ dung dịch kiềm, bộ làm mát dung dịch 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, cùng các yếu tố khác.

Thông số kỹ thuật Kích thước:

kích thước 4800x2240x2281mm

Tổng trọng lượng 40700kg

Kích thước buồng hiệu dụng: 1830, Số lượng buồng: 238

Mật độ dòng điện của thiết bị điện phân: 5000A/m²

Áp suất hoạt động 1,6 MPa

nhiệt độ phản ứng 90℃±5℃

Một bộ điện phân duy nhất cho sản lượng hydro 1300 Nm³/h.

Sản lượng oxy 650 Nm³/h

dòng điện một chiều n13100A, điện áp một chiều 480V

Bộ làm mát dung dịch kiềm Φ700x4244mm

Diện tích trao đổi nhiệt 88,2m²

Bộ tách hydro và oxy Φ1300x3916mm

bộ tách oxy Φ1300x3916mm

Dung dịch kali hydroxit có nồng độ 30%

Giá trị điện trở của nước tinh khiết >5MΩ·cm

Mối quan hệ giữa dung dịch kali hydroxit và thiết bị điện phân:

Làm cho nước tinh khiết dẫn điện, giải phóng hydro và oxy, đồng thời tản nhiệt. Luồng nước làm mát được sử dụng để kiểm soát nhiệt độ dung dịch kiềm sao cho nhiệt độ phản ứng điện phân tương đối ổn định, và sự sinh nhiệt của thiết bị điện phân cùng với luồng nước làm mát được sử dụng để cân bằng nhiệt độ 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 lưu lượng tuần hoàn dung dịch kiềm ở mức 60 m³/h.

Lưu lượng nước làm mát mở ở mức khoảng 95%.

Nhiệt độ phản ứng của thiết bị điện phân được kiểm soát ở mức 90°C khi hoạt động ở tải trọng tối đa.

Mức tiêu thụ điện DC tối ưu của máy điện phân là 4,56 kWh/Nm³H₂.

Nămtóm tắt

Tóm lại, thể tích tuần hoàn dung dịch kiềm là một thông số quan trọng trong quá trình sản xuất hydro bằng điện phân nước, liên quan đến độ tinh khiết của khí, điện áp buồng, nhiệt độ thiết bị điện phân và các thông số khác. Nên kiểm soát thể tích tuần hoàn ở mức 2-4 lần/giờ/phút khi thay dung dịch kiềm trong bể. Bằng cách kiểm soát hiệu quả thể tích tuần hoàn dung dịch kiềm, chúng ta đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn của thiết bị sản xuất hydro bằng điện phân nước trong thời gian dài.

Trong quá trình sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân nước trong thiết bị điện phân kiềm, việc tối ưu hóa các thông số điều kiện hoạt động và thiết kế cánh khuấy điện phân, kết hợp với việc lựa chọn vật liệu điện cực và vật liệu màng ngăn là chìa khóa để tăng cường dòng điện, giảm điện áp trong bể và tiết kiệm năng lượng tiêu thụ.

Liên hệ với chúng tôi

Điện thoại: +86 028 6259 0080

Fax: +86 028 6259 0100

E-mail: tech@allygas.com