制氢系统工作原理及主设备电解槽的结构和检修工序工艺.docx

制氢系统工作原理及主设备电解槽的构造和检修工序工艺一、氢气根本学问 1．氢气的性质和用途：氢是宇宙中分布最广的一种元素，它在地球上主要以化合状态存在于化合物中，在大气层中的含量很低，仅有 1ppm〔体积比〕气体中，氢气最轻，粘度最小，导热系数最高，化学活性、渗透和集中性强〔集中系数为0.63cm2/s，约为甲烷的三倍〕它是一种强的复原剂，可同很多物质进展不同程度的化学反响， 生成各种类型的氢化物氢气的着火、燃烧、爆炸性能是它的主要特性氢气含量范围在 4-75％〔空气环境〕、4.65-93.9％〔氧气环境〕时形成可爆燃气体，遇到明火或温度在 585℃ 以上时可引起燃爆压力水电解制出的氢气具有压力高〔 1.6 或 3.2MPa〕便于输送，纯度高〔99.8％以上〕可直接用于一般场合，还可以通过后续纯化〔氢气纯度提高到99.995 以上〕和枯燥〔露点提高到-40～-85℃〕，可作为燃料、载气、复原或保护气、冷却介质，广泛用于国民经济的各行各业 2．水电解制氢、纯化脱氧、枯燥原理2.1 水电解制氢原理利用电能使某电解质溶液分解为其它物质的单元装置称为电解池。

任何物质在电解过程中，从数量上的变化听从法拉第定律法拉第定律指出：电解时，在电极上析出物质的数量，与通过溶液的电流强度和通电时间成正比；用一样的电量通过不同的电解质溶液时，各种溶液在两极上析出物质量与它的电化当量成正比，而析出 1 克当量的任何物质都需要 1 法拉第单位 96500 库仑〔26.8Ah〕的电量水电解制氢符合法拉第电解定律，即在标准状态下，阴极析出 1 克分子的氢气，所需电量为 53.6Ah生产 1Nm3 氢气〔1.073m3，20℃〕〔氧气为氢气产量的 50%〕，所需电量 2390Ah，原料水消耗 0.805kg将水电解为氢气和氧气的过程，其电极反响为：阴极：2H O＋2e→H ↑＋2OH阳极：2OH＋2e→H O＋1/2O ↑总反响：2H O→2H ↑＋O ↑从反响式得出：1) 水电解时产生两个氢和一个氧2) 电解过程中只消耗水和电能3) 参加氢氧化钾只起导电作用由浸没在电解液中的一对电极，中间隔以隔膜，通以肯定电压〔水的分解电压 1.23V、热平衡电压 1.47V〕以上的直流电，水就电解浸润的隔膜可以允许电解过程的离子穿透运动〔离子导电〕并防止已合成的氢、氧气体混合。

依据产量要求，使用多组水电解池组合增加产量，就形成了水电解槽的压滤式组合构造二、制氢系统概述我公司 2 台 300MW 汽轮发电机承受水-氢-氢冷却方式，即定子承受水冷却， 转子和铁芯承受氢气冷却方式我公司制氢站承受苏州竞立制氢设备公司生产的两套 DQ--5/3.2 型中压水电解制氢装置及配套枯燥装置，为发电机供氢单套额定出力为H ：5Nm3/h，O ：2 22.5Nm3/h，由主体电解槽和气体分别装置、氢气枯燥装置、整流柜、掌握柜、框架Ⅱ、原料水箱、碱液箱、送水泵、压缩空气罐、储氢罐、冷却水装置、PLC 掌握系统等组成电解槽的电流承受硅整流，将沟通电〔380V〕变为直流电供给，承受氢氧化钾为电解质，以五氧化二矾或四氧化三钴为添加剂，电解除盐水来获得高纯度的氢气，以满足发电机氢冷却的需要整套制氢系统实现全自动化运行，到达无人值班条件系统掌握承受 PLC 掌握系统，与水局域网相连可在锅炉补给水处理车间集控室监控三、制氢系统及设备1.水电解制氢装置构造及作用DQ---5/3.2 型制氢装置由电解槽、气液处理器、整流装置、掌握柜、计算机治理系统、加水泵、碱箱、水箱等八大局部组成1) 电解槽电解槽为并联压滤式双极性构造，下部有进液管，上部有氢、氧出口管，直流电从两端极板输入，对并联槽型，中间极板为正极，两端极板为负极。

电解槽的作用：电解槽是水电解制氢、氧的主要设备，电解液在电解槽内， 在直流电作用下在阴极外表产生氢气，在阳极外表产生氧气2) 气液处理器本装置气液处理器为框架组合式，由氢、氧分别洗涤器、碱液循环泵、碱液过滤器及阀门、管路、一次仪表、框架等组成氢、氧分别洗涤器下部为分别器及碱液冷却器，上部为洗涤冷却器，顶部为气体除雾器a) 氢氧分别器的作用：借助于重力的作用使水电解产生的氢气和氧气与循环的碱液分别，维持水电解过程中所需的电解液容量，有利于观看液位，通过分别器内设置的蛇形冷却管冷却循环的碱液，掌握槽温b) 氢洗涤器的作用：除掉氢气中的碱雾及液滴并降低氢气温度c) 碱液循环泵的作用：补充电解过程中消耗的介质，带走电解槽内氢氧气体的热碱液，使碱液搅拌均匀削减浓差极化电压，降低碱液中的含气量d) 碱液过滤器的作用：滤除碱液中的机械杂质和绒毛e) 枯燥器的作用及原理：枯燥氢气，将氢气中的水分除掉枯燥器内填装的吸附剂是一种具有大量微孔的固体，当含水氢气通过微孔时，属于极性分子的水被猛烈的吸附在微孔外表，属于非极性分子的氢则不易被吸附而顺当通过微孔，从而将氢气中的水分吸掉f) 枯燥冷却塔的作用及原理：分别水分子，冷却氢气。

枯燥器失效后再生时，由于枯燥器再生时出口高温氢气携带大量水蒸气，进入枯燥冷却塔后气体温度降低，所携带的水蒸气被快速冷凝成水而与氢气分别，并同时降低氢气温度， 此装置运行时应保证冷却水充分畅通g) 氢气过滤器的作用：滤去气体中夹带的微小粒状物质h) 汽水分别器的作用：除去气体中的游离液滴3) 整流装置整流装置由整流变压器，整流柜组成，用于供给电解所需直流电源使用方法详见“可控硅整流装置使用说明书”4) 掌握柜掌握柜包括工业掌握机、二次仪表、氢和氧气、稳压电源及操作按钮、开关等可实现自动检测、调整、显示、故障报警、联锁、自动开机与停机等功能5) 计算机治理系统包括一台微机〔上位机〕，一台打印机可实现装置的自动程序运行及各参数的调整、显示、记录等功能，是掌握局部的核心6) 加水泵供给装置所需的碱液或原料水7) 碱箱、水箱碱箱用于氢氧化钠或氢氧化钾电解液的配制和贮存，设有原料水进口管、碱液出口管、排污口等水箱用于原料水的贮存碱箱也可作水箱用，水箱也可用于贮存碱液四、水电解制氢装置工艺流程及子系统DQ-5/3.2 型制氢装置，工艺流程详见工艺流程图该装置可分为以下九个子系统1） 电解液循环系统从电解槽出来夹带氢气和氧气的碱液在氢分别洗涤器和氧分别洗涤器中，靠重力作用分别与氢气、氧气分别经蛇形管冷却后，通过氢、氧分别器底部的连通管经碱液过滤器去除机械杂质，进入循环泵，然后进入电解槽形成了电解液循环系统。

电解液循环的目的在于向电极区域补充电解消耗的纯水；带走电解过程中产生的氢气、氧气和热量，以便电解槽在稳定条件下工作；增加电极区域电解液的搅拌，削减浓差极化电压；降低碱液中的含气度，降低小室电压，削减能耗等该系统包括如下路线：→氢分别洗涤器 ←碱液泵→碱液过滤器→电解槽 → → 碱液泵→氧分别洗涤器 ←2） 氢气系统氢气从电解小室的阴极侧分解出来，借助于电解液的循环和气液比重差，在氢分别洗涤器中与电解液分别形成产品气，其路线为：→枯燥系统电解槽→氧分别洗涤器→调整阀 →→阻火器排空氢气的排空主要用于开停机期间不正常操作或故障排空时3〕氧气系统氧气系统与氢气系统有很强的对称性，装置的工作压力和工作温度也都以氧侧为测试点它包括：电解槽→氧分别洗涤器→调整阀→ 氧气的排空与氢气排空作同样考虑4) 原料水系统→用户或储存→或排空原料水箱中的水通过加水泵被打入氢分别器的筛板上面，吸取通过筛孔的氢气中夹带的碱雾滴，通过溢流管，注入氢分别器洗涤器下部的液位局部，和循环碱液一并进入电解小室电极反响区域进展电解，同时使电解液中碱的浓度保持在最正确浓度范围内水箱中的水通过加水泵被注人氢分别洗涤器和氧分别洗涤器上部，先冷却洗涤，然后通过中心溢流管流人碱液循环系统，经循环泵被送入电解槽。

为保证水电解制氢设备系统中的带压气体和碱液在加水泵不工作期间外漏，在送水管上装有止回阀原料水箱→补水泵→氢分别洗涤器→电解槽5〕冷却水系统水的电解过程是吸热反响，制氢过程必需供以电能，但水电解过程消耗的电能超过了水电解反响理论吸热量超出局部主要由冷却水带走，以维持电解反响区正常的温度本装置要求工作温度不超过 90℃此外，所生成的氢气、氧气必需冷却除湿，可控硅整流装置也设有必要的冷却管路冷却水共分五路：—温度调整阀→冷却器→出口—氢(氧)分别洗涤器→出口冷却水入口→ —水封—整流柜冷却管路→排放—再生冷却器→出口6） 充氮和氮气吹扫系统在开机前要对系统作气密性试验及气相充氮和吹扫，以保证氢氧两侧气相空间的气体远离可燃可爆范围充氮口设在氢氧分别洗涤器连通管的一侧，氮气引入后流经：充氮口—→氢分别洗涤器→阻火器→排空→氧分别洗涤器→排空用于系统的气密试验与开机前的氮气吹扫，当使用氮气时用软管与氮气源临时连接，决不行用金属管道与氮气管道气源固定连接7） 排污系统排污管道共分四处第一处：电解槽两端排污管其次处：碱液过滤器底部，通过过滤器排污阀排出碱液和过滤器中过滤下来的石棉绒杂质及污物第三、四处：水箱和碱箱底部排污口，分别通过其排污门排出箱中的污物或残液8） 整流系统依据法拉第定律，水电解制氢装置产品气的产量与小室电流成正比。

9〕掌握系统微机掌握的制氢装置，能对本装置的主要参数：压力、温度、氢氧液位差进展自动调整；原料水补充有自动和手动两种方式，对装置的压力、温度、氢液位上下限、氧液位上下限、氢气纯度和氧气纯度能集中指示和定前打印记录；假设氢阀后压力、冷却水压力、气源压力、氢氧液位上下限、氢氧纯度产生肯定的偏差时能自动声光报警；假设装置的主要参数压力、温度、氢氧液位、碱液循环量，气源压力偏离正常值太大，又不能准时处理时，为了保护装置的安全，该装置能自动声光报警停车；为了进一步提高本装置安全运行系数，装置的主要参数压力， 设置了双重独立系统，当自控系统失灵，装置的运行状态到达危急值时，该独立系统可使装置自动声光报警停车10〕制氢系统工艺过程表达由氢氧分别器回流的碱液进入碱液泵吸口，泵压后经过碱液冷却器、碱液过滤器后进入电解槽下部；碱液沿电解槽内部的通道向上进入各个电解池〔小室〕此时，由于整流柜启动，外部供沟通电通过变压器连接整流柜 6 相晶闸管的依次导通，将直流电源电压加到水电解槽的中间极板和两端极板上，于是在每个电解池〔以隔膜垫片为界〕，依次形成 2V 左右的电压降当直流电流由正极由中间极板向两端负极流淌时，依据法拉第电解定律，每个电解池通过 53.6Ah 的电流时， 在阴极析出 1 克分子的氢气〔阳极析出 0.5 克分子的氧气〕。

必要的电解消耗功率 1.47V×53.6Ah＝78.792VAh，产生废热的功率消耗为〔2V-1.47V〕×53.6Ah＝28.408VAh由于水电解池承受的双极性极板，对于假设干的水电解池组合的水电解槽来说，当中间极板接入直流电源正极〔阳极产生氧气〕，通过隔膜垫片〔产生 2V 电压降〕相邻的水电解池为阴极〔产生氢气〕，其极板反面的水电解池为阳极〔产生氧气〕，相对其次块隔膜垫片〔产生 2V 的电压降〕，相邻的水电解池为阴极〔产生氢气〕，依此类推，直至接入直流电源负极的端极板为阴极〔产生氢气〕水电解槽将阳极和阴极分别产生的氧气和氢气汇流引出，进入各自的氧分别器和氢分别器，进展气液分别氧气和氢气向上引出送出系统外，碱液回流返回。