Wie ein stabiler Betrieb des Geräts im Wasserstoffproduktionsprozess mit einem alkalischen Elektrolyseur gewährleistet werden kann, hängt neben der Qualität des Elektrolyseurs selbst auch von der Einstellung der Laugenzirkulationsmenge ab. Ein wichtiger Einflussfaktor ist dabei die Art und Weise, wie das Gerät stabil läuft.
Kürzlich hat Huang Li, Leiter des Wasserstoff-Betriebs- und Wartungsprogramms für die Wasserelektrolyse, auf der Tagung zum Austausch von Technologien für die sichere Produktion des Wasserstoff-Fachausschusses der China Industrial Gases Association unsere Erfahrungen mit der Einstellung des Wasserstoff- und Laugenzirkulationsvolumens im eigentlichen Test- und Betriebs- und Wartungsprozess mitgeteilt.
Das Folgende ist das Originaldokument.
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Vor dem Hintergrund der nationalen Dual-Carbon-Strategie hat Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd., das seit 25 Jahren auf die Wasserstoffproduktion spezialisiert ist und als erstes Unternehmen in den Bereich der Wasserstoffenergie eingestiegen ist, mit der Ausweitung der Entwicklung von grüner Wasserstofftechnologie und -ausrüstung begonnen, einschließlich der Konstruktion von Elektrolysetank-Läufern, der Ausrüstungsherstellung, der Elektrodenbeschichtung sowie der Prüfung und des Betriebs und der Wartung von Elektrolysetanks.
EinsFunktionsprinzip eines alkalischen Elektrolyseurs
Durch das Leiten eines Gleichstroms durch einen mit Elektrolyt gefüllten Elektrolyseur werden Wassermoleküle an den Elektroden elektrochemisch umgesetzt und in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Um die Leitfähigkeit des Elektrolyten zu verbessern, ist der allgemeine Elektrolyt eine wässrige Lösung mit einer Konzentration von 30 % Kaliumhydroxid oder 25 % Natriumhydroxid.
Der Elektrolyseur besteht aus mehreren Elektrolysezellen. Jede Elektrolysekammer besteht aus Kathode, Anode, Membran und Elektrolyt. Die Hauptfunktion der Membran besteht darin, Gaspermeation zu verhindern. Im unteren Teil des Elektrolyseurs befinden sich ein gemeinsamer Ein- und Auslass, im oberen Teil der Durchflusskanal für das Gas-Flüssigkeits-Gemisch aus Alkali und Oxy-Alkali. Bei einer bestimmten Gleichspannung wird Gleichstrom angelegt. Wenn die Spannung die theoretische Zersetzungsspannung von Wasser von 1,23 V und die thermisch neutrale Spannung von 1,48 V überschreitet, findet an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Flüssigkeit eine Redoxreaktion statt, bei der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird.
Zwei Wie die Lauge zirkuliert
1️⃣Wasserstoff-, Sauerstoff-Laugen-Mischzyklus
Bei dieser Kreislaufform gelangt die Lauge durch das Verbindungsrohr am Boden des Wasserstoff- und Sauerstoffabscheiders in die Laugenumwälzpumpe und nach dem Abkühlen und Filtern in die Kathoden- und Anodenkammer des Elektrolyseurs. Die Vorteile des Mischkreislaufs liegen in der einfachen Struktur, dem kurzen Prozess und den geringen Kosten. Außerdem kann sichergestellt werden, dass die Lauge in den Kathoden- und Anodenkammern des Elektrolyseurs gleichmäßig zirkuliert. Der Nachteil besteht darin, dass einerseits die Reinheit von Wasserstoff und Sauerstoff beeinträchtigt werden kann und andererseits der Füllstand des Wasserstoff-Sauerstoff-Abscheiders verstellt werden kann, was das Risiko einer Wasserstoff-Sauerstoff-Vermischung erhöhen kann. Derzeit ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Seite des Laugenmischkreislaufs der am häufigsten verwendete Prozess.
2️⃣Getrennte Zirkulation der wasserstoff- und sauerstoffseitigen Lauge
Diese Art der Zirkulation erfordert zwei Laugenzirkulationspumpen, d. h. zwei interne Zirkulationen. Die Lauge am Boden des Wasserstoffabscheiders durchläuft die wasserstoffseitige Zirkulationspumpe, wird gekühlt und gefiltert und gelangt dann in die Kathodenkammer des Elektrolyseurs. Die Lauge am Boden des Sauerstoffabscheiders durchläuft die sauerstoffseitige Zirkulationspumpe, wird gekühlt und gefiltert und gelangt dann in die Anodenkammer des Elektrolyseurs. Der Vorteil der unabhängigen Laugenzirkulation besteht darin, dass der durch die Elektrolyse erzeugte Wasserstoff und Sauerstoff eine hohe Reinheit aufweisen und das Risiko einer Vermischung von Wasserstoff und Sauerstoff im Abscheider physikalisch vermieden wird. Der Nachteil besteht darin, dass Struktur und Verfahren kompliziert und kostspielig sind. Außerdem müssen Durchflussrate, Förderhöhe, Leistung und andere Parameter der Pumpen auf beiden Seiten konstant gehalten werden, was den Betrieb komplexer macht und die Notwendigkeit einer Stabilitätskontrolle auf beiden Seiten des Systems mit sich bringt.
Drei Einfluss der zirkulierenden Durchflussrate der Lauge auf die Wasserstoffproduktion durch Elektrolytwasser und die Arbeitsbedingungen des Elektrolyseurs
1️⃣Übermäßige Zirkulation der Lauge
(1) Einfluss auf die Reinheit von Wasserstoff und Sauerstoff
Da Wasserstoff und Sauerstoff eine gewisse Löslichkeit in der Lauge aufweisen, ist das Zirkulationsvolumen zu groß, sodass die Gesamtmenge an gelöstem Wasserstoff und Sauerstoff zunimmt und mit der Lauge in jede Kammer gelangt, was zu einer Verringerung der Reinheit von Wasserstoff und Sauerstoff am Auslass des Elektrolyseurs führt. Das Zirkulationsvolumen ist zu groß, sodass die Verweilzeit des Wasserstoff- und Sauerstoff-Flüssigkeitsabscheiders zu kurz ist und das nicht vollständig abgetrennte Gas mit der Lauge zurück ins Innere des Elektrolyseurs gelangt, was die Effizienz der elektrochemischen Reaktion des Elektrolyseurs und die Reinheit von Wasserstoff und Sauerstoff beeinträchtigt. Dies wirkt sich ferner auf die Effizienz der elektrochemischen Reaktion im Elektrolyseur und die Reinheit von Wasserstoff und Sauerstoff aus und beeinträchtigt ferner die Fähigkeit der Wasserstoff- und Sauerstoffreinigungsausrüstung zur Dehydrierung und Desoxygenierung, was zu einer schlechten Wirkung der Wasserstoff- und Sauerstoffreinigung führt und die Qualität der Produkte beeinträchtigt.
(2) Einfluss auf die Tanktemperatur
Unter der Voraussetzung, dass die Austrittstemperatur des Laugenkühlers unverändert bleibt, führt ein zu hoher Laugendurchfluss zu einer stärkeren Wärmeabfuhr aus dem Elektrolyseur, wodurch die Tanktemperatur sinkt und die Leistung steigt.
(3) Auswirkungen auf Strom und Spannung
Eine übermäßige Zirkulation der Lauge beeinträchtigt die Stabilität von Strom und Spannung. Ein übermäßiger Flüssigkeitsfluss stört die normalen Schwankungen von Strom und Spannung, wodurch sich Strom und Spannung nicht leicht stabilisieren lassen, was zu Schwankungen im Betriebszustand des Gleichrichterschranks und des Transformators führt und somit die Produktion und Qualität des Wasserstoffs beeinträchtigt.
(4) Erhöhter Energieverbrauch
Eine übermäßige Laugenzirkulation kann auch zu einem erhöhten Energieverbrauch, erhöhten Betriebskosten und einer verringerten Energieeffizienz des Systems führen. Hauptsächlich durch die Erhöhung des internen Kühlwasserkreislaufsystems und des externen Zirkulationssprays und -lüfters, der Kühlwasserlast usw., sodass der Stromverbrauch steigt und der Gesamtenergieverbrauch steigt.
(5) Ursache Geräteausfall
Eine übermäßige Laugenzirkulation erhöht die Belastung der Laugenzirkulationspumpe, was zu erhöhten Durchflussraten, Druck- und Temperaturschwankungen im Elektrolyseur führt, was wiederum die Elektroden, Membranen und Dichtungen im Inneren des Elektrolyseurs beeinträchtigt, was zu Fehlfunktionen oder Schäden an der Ausrüstung und einem erhöhten Arbeitsaufwand für Wartung und Reparatur führen kann.
2️⃣Laugenzirkulation zu gering
(1) Auswirkung auf die Tanktemperatur
Wenn das zirkulierende Laugenvolumen nicht ausreicht, kann die Wärme im Elektrolyseur nicht rechtzeitig abgeführt werden, was zu einem Temperaturanstieg führt. Die hohe Umgebungstemperatur lässt den Sättigungsdampfdruck des Wassers in der Gasphase ansteigen und den Wassergehalt erhöhen. Wenn das Wasser nicht ausreichend kondensiert werden kann, erhöht dies die Belastung des Reinigungssystems und beeinträchtigt die Reinigungswirkung. Auch die Wirkung und Lebensdauer des Katalysators und des Adsorbens werden beeinträchtigt.
(2) Auswirkungen auf die Lebensdauer der Membran
Dauerhaft hohe Temperaturen beschleunigen die Alterung der Membran, führen zu Leistungseinbußen oder gar zum Bruch. Die Membran kann leicht beidseitig für Wasserstoff und Sauerstoff durchlässig werden, was die Reinheit von Wasserstoff und Sauerstoff beeinträchtigt. Bei gegenseitiger Infiltration nahe der unteren Explosionsgrenze steigt die Gefahr für den Elektrolyseur deutlich an. Gleichzeitig führen anhaltend hohe Temperaturen zu Undichtigkeiten an der Dichtung und verkürzen deren Lebensdauer.
(3) Wirkung auf Elektroden
Wenn die zirkulierende Laugenmenge zu gering ist, kann das erzeugte Gas das aktive Zentrum der Elektrode nicht schnell verlassen und die Elektrolyseeffizienz wird beeinträchtigt. Wenn die Elektrode nicht vollständig mit der Lauge in Kontakt kommen kann, um die elektrochemische Reaktion durchzuführen, kommt es zu einer Teilentladungsanomalie und Trockenverbrennung, wodurch das Ablösen des Katalysators auf der Elektrode beschleunigt wird.
（4 ）Auswirkung auf die Zellspannung
Die zirkulierende Laugenmenge ist zu gering, da die im aktiven Zentrum der Elektrode entstehenden Wasserstoff- und Sauerstoffblasen nicht rechtzeitig abgeführt werden können und die Menge der gelösten Gase im Elektrolyten zunimmt, was zu einem Spannungsanstieg in der kleinen Kammer und einem Anstieg des Stromverbrauchs führt.
Vier Methoden zur Bestimmung der optimalen Laugenzirkulationsrate
Zur Lösung der oben genannten Probleme müssen entsprechende Maßnahmen ergriffen werden, wie etwa die regelmäßige Überprüfung des Laugenzirkulationssystems, um dessen normalen Betrieb sicherzustellen, die Aufrechterhaltung guter Wärmeableitungsbedingungen rund um den Elektrolyseur und gegebenenfalls die Anpassung der Betriebsparameter des Elektrolyseurs, um das Auftreten eines zu großen oder zu kleinen Laugenzirkulationsvolumens zu vermeiden.
Die optimale Laugenzirkulationsdurchflussrate muss anhand spezifischer technischer Parameter des Elektrolyseurs bestimmt werden, wie etwa Elektrolyseurgröße, Anzahl der Kammern, Betriebsdruck, Reaktionstemperatur, Wärmeerzeugung, Laugenkonzentration, Laugenkühler, Wasserstoff-Sauerstoff-Separator, Stromdichte, Gasreinheit und andere Anforderungen, Haltbarkeit der Ausrüstung und Rohrleitungen und andere Faktoren.
Technische Parameter Abmessungen:
Abmessungen 4800x2240x2281mm
Gesamtgewicht 40700Kg
Effektive Kammergröße 1830, Anzahl der Kammern 238
Elektrolyseur-Stromdichte 5000A/m²
Betriebsdruck 1,6 MPa
Reaktionstemperatur 90℃±5℃
Einzelner Elektrolyseursatz, Produktwasserstoffvolumen 1300 Nm³/h
Produkt Sauerstoff 650Nm³/h
Gleichstrom n13100A, Gleichspannung 480V
Laugenkühler Φ700x4244mm
Wärmeaustauschfläche 88,2 m²
Wasserstoff- und Sauerstoffabscheider Φ1300x3916mm
Sauerstoffabscheider Φ1300x3916mm
Kaliumhydroxidlösung Konzentration 30%
Widerstandswert für reines Wasser >5 MΩ·cm
Beziehung zwischen Kaliumhydroxidlösung und Elektrolyseur:
Machen Sie reines Wasser leitfähig, fördern Sie Wasserstoff und Sauerstoff heraus und führen Sie Wärme ab. Der Kühlwasserfluss wird verwendet, um die Laugentemperatur zu regeln, sodass die Temperatur der Elektrolyseurreaktion relativ stabil ist. Die Wärmeerzeugung des Elektrolyseurs und der Kühlwasserfluss werden verwendet, um den Wärmehaushalt des Systems anzupassen und so die besten Arbeitsbedingungen und die energiesparendsten Betriebsparameter zu erreichen.
Basierend auf tatsächlichen Vorgängen:
Laugenumwälzmengenregelung auf 60m³/h，
Der Kühlwasserfluss öffnet sich bei etwa 95 %.
Die Reaktionstemperatur des Elektrolyseurs wird bei Volllast auf 90 °C geregelt.
Der Gleichstromstromverbrauch des Elektrolyseurs beträgt unter optimalen Bedingungen 4,56 kWh/Nm³H₂.
Fünfzusammenfassen
Zusammenfassend ist das Laugenumlaufvolumen ein wichtiger Parameter bei der Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse, der mit der Gasreinheit, der Kammerspannung, der Elektrolyseurtemperatur und anderen Parametern zusammenhängt. Es ist sinnvoll, das Laugenumlaufvolumen im Tank auf 2- bis 4-mal/h/min zu regeln. Durch die effektive Regelung des Laugenumlaufvolumens wird ein stabiler und sicherer Betrieb der Wasserelektrolyse-Wasserstofferzeugungsanlage über einen langen Zeitraum gewährleistet.
Beim Wasserstoffherstellungsprozess durch Wasserelektrolyse in einem alkalischen Elektrolyseur sind die Optimierung der Arbeitsbedingungen und des Designs des Elektrolyseurkanals in Kombination mit der Auswahl des Elektroden- und Membranmaterials der Schlüssel zur Erhöhung des Stroms, zur Reduzierung der Tankspannung und zur Einsparung von Energie.
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