No processo de produção de hidrogênio por eletrólise alcalina, como fazer o dispositivo funcionar de forma estável, além da qualidade do próprio eletrolisador, a quantidade de circulação de lixívia definida também é um fator de influência importante.

Recentemente, na Reunião de Troca de Tecnologia de Produção Segura do Comitê Profissional de Hidrogênio da China Industrial Gases Association, Huang Li, chefe do Programa de Operação e Manutenção de Hidrogênio por Eletrólise de Água, compartilhou nossa experiência sobre a configuração do volume de circulação de hidrogênio e lixívia no processo real de teste, operação e manutenção.

O seguinte é o artigo original.

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Sob o pano de fundo da estratégia nacional de dupla carbono, a Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd, que se especializa em produção de hidrogênio há 25 anos e foi a primeira a se envolver no campo da energia do 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 de tanques de eletrólise e operação e manutenção.

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 cátodo, ânodo, diafragma e eletrólito. A principal função do diafragma é evitar a permeação de gás. Na parte inferior do eletrolisador, há uma entrada e saída comuns, a parte superior da mistura gás-líquido de canal de fluxo alcalino e oxialcalino. Passada em uma certa voltagem de corrente contínua, quando a voltagem excede a voltagem teórica de decomposição da água de 1,23v e a voltagem neutra térmica de 1,48V acima de um certo valor, a reação redox da interface do eletrodo e do líquido ocorre, a água é decomposta em hidrogênio e oxigênio.

Dois Como a lixívia é circulada

1️⃣Ciclo misto de lixívia do lado do hidrogênio e do 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 do cátodo e do ânodo do eletrolisador após resfriamento e filtragem. As vantagens da circulação mista são estrutura simples, processo curto, baixo custo e pode garantir o mesmo tamanho de circulação de lixívia nas câmaras do cátodo e do ânodo do eletrolisador; a desvantagem é que, por um lado, pode afetar a pureza do hidrogênio e do oxigênio e, por outro lado, pode fazer com que o nível do separador de hidrogênio-oxigênio saia do ajuste, 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 do lado do hidrogênio e do 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 do cátodo 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 do ânodo do eletrolisador. A vantagem da circulação independente de lixívia é que o hidrogênio e o oxigênio produzidos por eletrólise são de alta pureza, evitando fisicamente o risco de mistura do separador de hidrogênio e oxigênio; a desvantagem é que a estrutura e o processo são complicados e caros, e também é necessário garantir a consistência da vazão, da altura manométrica, da potência e de outros parâmetros das bombas em ambos os lados, o que aumenta a complexidade da operação e apresenta o requisito de controlar a estabilidade de ambos os lados do sistema.

Três Influência da vazão de circulação da lixívia na produção de hidrogênio por água eletrolítica e condição de trabalho do eletrolisador

1️⃣Circulação excessiva de lixívia

（1）Efeito na pureza do hidrogênio e do oxigênio

Como o hidrogênio e o oxigênio têm uma certa solubilidade na lixívia, 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 lixívia, 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 lixívia, o que afeta a eficiência da reação eletroquímica do eletrolisador e a pureza do hidrogênio e do oxigênio, e ainda Isso afetará a eficiência da reação eletroquímica no eletrolisador e a pureza do hidrogênio e do oxigênio, e afetará ainda mais a capacidade do equipamento de purificação de hidrogênio e oxigênio de desidrogenar e desoxigenar, resultando em um 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 resfriador de lixívia permaneça inalterada, muito fluxo de lixívia removerá mais calor do eletrolisador, fazendo com que a temperatura do tanque caia e a potência aumente.

（3）Efeito na corrente e na voltagem

A circulação excessiva de lixívia afetará a estabilidade da corrente e da voltagem. O fluxo excessivo de líquido interferirá na flutuação normal da corrente e da voltagem, fazendo com que a corrente e a voltagem não sejam facilmente estabilizadas, causando flutuações na condição de trabalho do gabinete do retificador e do transformador e, assim, afetando a produção e a qualidade do hidrogênio.

（4）Aumento do consumo de energia

A circulação excessiva de lixívia também pode levar ao aumento do consumo de energia, ao aumento dos custos operacionais e à redução da eficiência energética do sistema. Principalmente no aumento do sistema de circulação interna de água de resfriamento auxiliar e pulverização e ventilador de circulação externa, carga de água gelada, etc., de modo que o consumo de energia aumenta, o consumo total de energia aumenta.

（5）Causa falha do equipamento

A circulação excessiva de lixívia aumenta a carga na bomba de circulação de lixívia, o que corresponde ao aumento da vazão, pressão e flutuações de 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 lixívia muito pequena

（1）Efeito na temperatura do tanque

Quando o volume de circulação de lixívia é insuficiente, o calor no eletrolisador não pode ser removido a tempo, resultando em um aumento da 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 suficientemente, isso aumentará o fardo do sistema de purificação e afetará o efeito de purificação, e também afetará o efeito e a vida útil do catalisador e do adsorvente.

（2）Impacto na vida útil do diafragma

O ambiente de alta temperatura contínua acelerará o envelhecimento do diafragma, fará com que seu desempenho diminua ou até mesmo se rompa, fácil de causar a permeabilidade mútua do diafragma em ambos os lados do hidrogênio e do oxigênio, afetando a pureza do hidrogênio e do oxigênio. Quando a infiltração mútua se aproxima do limite inferior da explosão, de modo que a probabilidade de perigo do eletrolisador aumenta muito. Ao mesmo tempo, a alta temperatura contínua também causará danos por vazamento à junta de vedação, encurtando sua vida útil.

（3）Efeito nos eletrodos

Se a quantidade de circulação de lixívia for muito pequena, o gás produzido não poderá deixar o centro ativo do eletrodo rapidamente, e a eficiência da eletrólise será afetada; se o eletrodo não puder entrar em contato total com a lixívia para realizar a reação eletroquímica, ocorrerão descarga parcial anormal e queima a seco, acelerando o desprendimento do catalisador no eletrodo.

（4）Efeito na voltagem da célula

A quantidade de lixívia circulante 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 lixívia

Para resolver os problemas acima, é necessário tomar as medidas correspondentes, como verificar regularmente o sistema de circulação de lixívia 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, a fim de evitar a ocorrência de um volume muito grande ou muito pequeno de circulação de lixívia.

A vazão ideal de circulação de lixívia 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 de lixívia, resfriador de lixívia, separador de hidrogênio-oxigênio, densidade de corrente, pureza do gás e outros requisitos, durabilidade do equipamento e tubulação e outros fatores.

Dimensões dos Parâmetros Técnicos：

tamanhos 4800x2240x2281mm

peso total 40700Kg

Tamanho efetivo da câmara 1830、Número de câmaras 238个

Densidade de corrente do eletrolisador 5000A/m²

pressão de operação 1.6Mpa

temperatura de reação 90℃±5℃

Volume de hidrogênio do produto do eletrolisador de um único conjunto 1300Nm³/h

Oxigênio do produto 650Nm³/h

corrente contínua n13100A、tensão CC 480V

Resfriador de lixívia 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 da água pura >5MΩ·cm

Relação entre a solução de hidróxido de potássio e o eletrolisador：

Tornar a água pura condutora, produzir hidrogênio e oxigênio e remover o calor. O fluxo de água de resfriamento é usado para controlar a temperatura da lixívia para que a temperatura da reação do eletrolisador seja relativamente estável, e a geração de calor do eletrolisador e o fluxo de água de resfriamento são usados para combinar o equilíbrio térmico do sistema para obter as melhores condições de trabalho e os parâmetros operacionais mais econômicos.

Com base nas operações reais：

Controle do volume de circulação de lixívia em 60m³/h，

O fluxo de água de resfriamento abre em cerca de 95%，

A temperatura de reação do eletrolisador é controlada em 90°C em carga total，

A condição ideal de consumo de energia CC do eletrolisador é 4,56 kWh/Nm³H₂.

Cincoresumir

Para resumir, o volume de circulação de lixívia é um parâmetro importante no processo de produção de hidrogênio por eletrólise de água, que está relacionado à pureza do gás, voltagem da câmara, temperatura do eletrolisador e outros parâmetros. É apropriado controlar o volume de circulação em 2~4 vezes/h/min de substituição de lixívia no tanque. Ao controlar efetivamente o volume de circulação de lixívia, garante a operação estável e segura do equipamento de produção de hidrogênio por eletrólise de água por um longo período de tempo.

No processo de produção de hidrogênio por eletrólise de água em eletrolisador alcalino, a otimização dos parâmetros de condição de trabalho e o projeto do corredor do eletrolisador, combinados com a seleção do material do eletrodo e do material do diafragma, são a chave para aumentar a corrente, reduzir a voltagem do tanque e economizar o consumo de energia.

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