מחזור מימן ובסיס באלקטרוליזה אלקלית - תהליך ייצור מימן באמצעות אלקטרוליזה במים

בתהליך ייצור המימן באלקטרוליזר אלקליין, כיצד לגרום למכשיר לפעול בצורה יציבה, בנוסף לאיכות האלקטרוליזר עצמו, שבו כמות זרימת הבסיס של ההגדרה היא גם גורם השפעה חשוב.

לאחרונה, בכנס חילופי טכנולוגיות ייצור בטיחות של הוועדה המקצועית למימן של איגוד הגזים התעשייתיים של סין, הואנג לי, ראש תוכנית תפעול ותחזוקת מימן באמצעות אלקטרוליזה של מימן במים, שיתף את ניסיוננו בקביעת נפח סירקולציית מימן וסודה קאוסטית בתהליך הבדיקה, התפעול והתחזוקה בפועל.

להלן המסמך המקורי.

———————

על רקע האסטרטגיה הלאומית הדו-פחמנית, חברת Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd, המתמחה בייצור מימן מזה 25 שנה והייתה הראשונה שעסקה בתחום אנרגיית המימן, החלה להרחיב את פיתוח טכנולוגיית וציוד המימן הירוק, כולל תכנון של ציוד רציף למיכלי אלקטרוליזה, ייצור ציוד, ציפוי אלקטרודות, וכן בדיקה, תפעול ותחזוקה של מיכלי אלקטרוליזה.

אֶחָדעקרון העבודה של אלקטרוליזר אלקליין

על ידי העברת זרם ישר דרך אלקטרוליזר מלא באלקטרוליט, מולקולות מים מגיבות אלקטרוכימית על האלקטרודות ומתפרקות למימן וחמצן. על מנת לשפר את המוליכות של האלקטרוליט, האלקטרוליט הכללי הוא תמיסה מימית בריכוז של 30% אשלגן הידרוקסיד או 25% נתרן הידרוקסיד.

האלקטרוליזר מורכב ממספר תאים אלקטרוליטיים. כל תא אלקטרוליזה מורכב מקתודה, אנודה, דיאפרגמה ואלקטרוליט. תפקידה העיקרי של הדיאפרגמה הוא למנוע חדירת גז. בחלק התחתון של האלקטרוליזר יש פתח כניסה ויציאה משותפים, בחלק העליון של תערובת הגז-נוזל של אלקלי וחמצן-אלקלי. כאשר המתח עובר מתח מסוים של זרם ישר, כאשר המתח עולה על מתח הפירוק התאורטי של מים של 1.23 וולט ומתח ניטרלי תרמי של 1.48 וולט מעל ערך מסוים, מתרחשת תגובת חיזור בין האלקטרודה לנוזל, המים מתפרקים למימן וחמצן.

שתיים כיצד הסודה היבשה מופצת

1️⃣מחזור מעורב של מימן וחמצן בצד הבסיסי

בצורת סירקולציה זו, הבסיסית נכנסת למשאבת סירקולציית הבסיסית דרך צינור החיבור בתחתית מפריד המימן ומפריד החמצן, ולאחר מכן נכנסת לתאי הקתודה והאנודה של האלקטרוליזר לאחר קירור וסינון. יתרונות סירקולציה מעורבת הם מבנה פשוט, תהליך קצר, עלות נמוכה, ויכולה להבטיח את אותו גודל של סירקולציית בסיסית לתאי הקתודה והאנודה של האלקטרוליזר; החיסרון הוא שמצד אחד, זה עלול להשפיע על טוהר המימן והחמצן, ומצד שני, זה עלול לגרום לרמת מפריד המימן-חמצן להיות לא מותאמת, מה שעלול לגרום לסיכון מוגבר לערבוב מימן-חמצן. נכון לעכשיו, הצד המימן-חמצן של מחזור ערבוב הבסיסית הוא התהליך הנפוץ ביותר.

2️⃣זרימה נפרדת של סודה בצד המימן והחמצן

צורת סירקולציה זו דורשת שתי משאבות סירקולציה של סודה קאוסטית, כלומר שתי סירקולציות פנימיות. הסודה הקאוסטית בתחתית מפריד המימן עוברת דרך משאבת סירקולציה בצד המימן, מקוררת ומסוננת, ולאחר מכן נכנסת לתא הקתודה של האלקטרוליזר; הסודה הקאוסטית בתחתית מפריד החמצן עוברת דרך משאבת סירקולציה בצד החמצן, מקוררת ומסוננת, ולאחר מכן נכנסת לתא האנודה של האלקטרוליזר. היתרון של סירקולציה עצמאית של סודה קאוסטית הוא שהמימן והחמצן המיוצרים על ידי האלקטרוליזה הם בעלי טוהר גבוה, מה שמאפשר פיזית למנוע את הסיכון של ערבוב מימן ומפריד חמצן; החיסרון הוא שהמבנה והתהליך מסובכים ויקרים, ויש גם צורך להבטיח עקביות של קצב הזרימה, גובה התרומה, ההספק ופרמטרים אחרים של המשאבות משני הצדדים, מה שמגדיל את מורכבות הפעולה, ומעלה את הדרישה לשליטה על היציבות של שני צידי המערכת.

שלוש השפעת קצב הזרימה במחזור של סודה קאוסטית על ייצור מימן על ידי מים אלקטרוליטיים ותנאי העבודה של האלקטרוליזר

1️⃣זרימה מוגזמת של סודה קאוסטית

(1) השפעה על טוהר המימן והחמצן

מכיוון שלמימן וחמצן יש מסיסות מסוימת בסודה הקאוסטית, נפח הסירקולציה גדול מדי כך שכמות המימן והחמצן המומסים עולה ונכנסת לכל תא עם הסודה הקאוסטית, מה שגורם לירידה בטוהר המימן והחמצן ביציאת האלקטרוליזר; נפח הסירקולציה גדול מדי כך שזמן ההחזקה של מפריד הנוזלים של מימן וחמצן קצר מדי, והגז שלא הופרד לחלוטין מוחזר לחלקו הפנימי של האלקטרוליזר עם הסודה הקאוסטית, דבר המשפיע על יעילות התגובה האלקטרוכימית של האלקטרוליזר ועל טוהר המימן והחמצן, בנוסף לכך הדבר ישפיע על יעילות התגובה האלקטרוכימית באלקטרוליזר ועל טוהר המימן והחמצן, וישפיע עוד יותר על יכולתו של ציוד טיהור מימן וחמצן לבצע דהידרוגנציה ודחומצן, וכתוצאה מכך השפעה ירודה של טיהור מימן וחמצן ופגיעה באיכות המוצרים.

(2) השפעה על טמפרטורת המיכל

בתנאי שטמפרטורת היציאה של מקרר הסודה הקאוסטית נותרת ללא שינוי, זרימת סודה קאוסטית גדולה מדי תגרום להסרת חום רב יותר מהאלקטרוליזר, מה שיגרום לטמפרטורת המיכל לרדת ולהגברת ההספק.

(3) השפעה על זרם ומתח

זרימת יתר של סודה קאוסטית תשפיע על יציבות הזרם והמתח. זרימת נוזלים מוגזמת תפריע לתנודות הרגילות של הזרם והמתח, ותגרום לזרם ולמתח לא להתיייצב בקלות, ולגרום לתנודות במצב העבודה של ארון המיישר והשנאי, ובכך לפגוע בייצור ואיכות המימן.

(4) צריכת אנרגיה מוגברת

סירקולציה מוגזמת של סודה קאוסטית יכולה גם להוביל לעלייה בצריכת האנרגיה, עלייה בעלויות התפעול והפחתת יעילות האנרגיה של המערכת. בעיקר בהגדלת מערכת הסירקולציה הפנימית של מי הקירור הנלווים ובסירקולציה חיצונית של ריסוס ומאוורר, עומס מים קרים וכו', כך שצריכת החשמל עולה, וצריכת האנרגיה הכוללת עולה.

(5) גורם לכשל בציוד

זרימת סודה קאוסטית מוגזמת מגבירה את העומס על משאבת זרימת הסודה קאוסטית, מה שתואם לעלייה בקצב הזרימה, תנודות בלחץ ובטמפרטורה באלקטרוליזר, אשר בתורו משפיעים על האלקטרודות, הדיאפרגמות והאטמים בתוך האלקטרוליזר, מה שעלול להוביל לתקלות או נזקים בציוד, ולעלייה בעומס העבודה לתחזוקה ותיקון.

2️⃣מחזור הקאוסט קטן מדי

(1) השפעה על טמפרטורת המיכל

כאשר נפח הבסיס במחזור אינו מספיק, לא ניתן להסיר את החום באלקטרוליזר בזמן, מה שגורם לעלייה בטמפרטורה. סביבת הטמפרטורה הגבוהה גורמת ללחץ האדים הרווי של המים בשלב הגז לעלות ולתכולת המים לעלות. אם לא ניתן לעבות את המים מספיק, הדבר יגביר את העומס על מערכת הטיהור וישפיע על אפקט הטיהור, וגם ישפיע על ההשפעה ואורך החיים של הזרז והסופח.

(2) השפעה על חיי הסרעפת

סביבה גבוהה ומתמשכת תאיץ את הזדקנות הסרעפת, תגרום לירידה בביצועיה או אפילו לקרע, מה שעלול לגרום לחדירות הדדית של מימן וחמצן בין הסרעפת משני צידיה, דבר המשפיע על טוהר המימן והחמצן. כאשר חדירת המימן ההדדית מתקרבת לגבול התחתון של הפיצוץ, ההסתברות לסכנה באלקטרוליזה עולה מאוד. במקביל, הטמפרטורה הגבוהה המתמשכת תגרום גם לדליפה ולנזק לאטם, וקצר את חיי השירות שלו.

(3) השפעה על אלקטרודות

אם כמות הסודה היבשה במחזור קטנה מדי, הגז המיוצר לא יוכל לעזוב את המרכז הפעיל של האלקטרודה במהירות, ויעילות האלקטרוליזה מושפעת; אם האלקטרודה לא תוכל ליצור מגע מלא עם הסודה היבשה כדי לבצע את התגובה האלקטרוכימית, תתרחש הפרעה חלקית בפריקה וצריבה יבשה, מה שיאיץ את נשירת הזרז על האלקטרודה.

(4) השפעה על מתח התא

כמות הבסיסית במחזור קטנה מדי, מכיוון שלא ניתן להסיר את בועות המימן והחמצן הנוצרות במרכז הפעיל של האלקטרודה בזמן, וכמות הגזים המומסים באלקטרוליט עולה, מה שגורם לעלייה במתח של התא הקטן ולעלייה בצריכת החשמל.

ארבע שיטות לקביעת קצב הזרימה האופטימלי של סודה קאוסטית

כדי לפתור את הבעיות הנ"ל, יש לנקוט באמצעים מתאימים, כגון בדיקה סדירה של מערכת זרימת הבסיס כדי להבטיח את פעולתה התקינה; שמירה על תנאי פיזור חום טובים סביב האלקטרוליזר; והתאמת פרמטרי ההפעלה של האלקטרוליזר, במידת הצורך, על מנת למנוע התרחשות של נפח גדול מדי או קטן מדי של זרימת בסיס.

יש לקבוע את קצב הזרימה האופטימלי של סודה קאוסטית על סמך פרמטרים טכניים ספציפיים של האלקטרוליזר, כגון גודל האלקטרוליזר, מספר התאים, לחץ הפעלה, טמפרטורת תגובה, ייצור חום, ריכוז סודה קאוסטית, מקרר סודה קאוסטית, מפריד מימן-חמצן, צפיפות זרם, טוהר הגז ודרישות אחרות, עמידות הציוד והצנרת וגורמים אחרים.

פרמטרים טכניים מידות:

מידות 4800x2240x2281 מ"מ

משקל כולל 40700 ק"ג

גודל תא אפקטיבי 1830, מספר תאים 238

צפיפות זרם אלקטרוליזר 5000A/m²

לחץ הפעלה 1.6 מגה פסקל

טמפרטורת תגובה 90℃±5℃

סט יחיד של נפח מימן של מוצר אלקטרוליזר 1300Nm³/h

חמצן מוצר 650 ניוטון מטר/שעה

זרם ישר n13100A, מתח DC 480V

מקרר סודה Φ700x4244 מ"מ

שטח חילופי חום 88.2 מ"ר

מפריד מימן וחמצן Φ1300x3916 מ"מ

מפריד חמצן Φ1300x3916 מ"מ

ריכוז תמיסת אשלגן הידרוקסיד 30%

ערך התנגדות למים טהורים >5MΩ·cm

הקשר בין תמיסת אשלגן הידרוקסיד לאלקטרוליזר:

להפוך מים טהורים למוליכים, להוציא מימן וחמצן, ולסלק חום. זרימת מי הקירור משמשת לשליטה בטמפרטורת הבסיס כך שטמפרטורת תגובת האלקטרוליזר תהיה יציבה יחסית, ויצירת החום של האלקטרוליזר וזרימת מי הקירור משמשים להתאמת מאזן החום של המערכת כדי להשיג את תנאי העבודה הטובים ביותר ואת פרמטרי ההפעלה החוסכים ביותר באנרגיה.

בהתבסס על פעולות בפועל:

בקרת נפח סירקולציית סודה קאוסטית ב-60 מ"ק/שעה

זרימת מי הקירור נפתחת בכ-95%,

טמפרטורת התגובה של האלקטרוליזר נשלטת על 90 מעלות צלזיוס בעומס מלא,

צריכת החשמל האופטימלית של האלקטרוליזר DC היא 4.56 קוט"ש/Nm³H₂.

חָמֵשׁלְסַכֵּם

לסיכום, נפח הסירקולציה של סודה קאוסטית הוא פרמטר חשוב בתהליך ייצור המימן על ידי אלקטרוליזה של מים, הקשור לטוהר הגז, מתח התא, טמפרטורת האלקטרוליזה ופרמטרים אחרים. ראוי לשלוט בנפח הסירקולציה בקצב של פי 2~4/שעה/דקה של החלפת סודה קאוסטית במיכל. על ידי שליטה יעילה בנפח הסירקולציה של סודה קאוסטית, הדבר מבטיח פעולה יציבה ובטוחה של ציוד ייצור מימן אלקטרוליזה של מים למשך תקופה ארוכה.

בתהליך ייצור המימן באמצעות אלקטרוליזה במים באלקטרוליזר אלקליין, אופטימיזציה של פרמטרי תנאי העבודה ותכנון משטח האלקטרוליזר, בשילוב עם בחירת חומר האלקטרודה וחומר הסרעפת, הם המפתח להגברת הזרם, הפחתת מתח המיכל וחיסכון בצריכת האנרגיה.

——צור קשר——

טלפון: 86 028 6259 0080+

פקס: 86 028 6259 0100+

E-mail: tech@allygas.com