氫系統(tǒng)工作原理及主設(shè)備電解槽的結(jié)構(gòu)和檢修工序工藝講解

1、氫系統(tǒng)工作原理及主設(shè)備電解槽的結(jié)構(gòu)和檢修工序工藝一、氫氣基本知識1.氫氣的性質(zhì)和用途:氫是宇宙中分布最廣的一種元素,它在地球上主要以化合狀態(tài)存在于化合物中,在大氣層中的含量很低,僅有1ppm(體積比。氣體中,氫氣最輕,粘度最小,導(dǎo)熱系數(shù)最高,化學(xué)活性、滲透和擴散性強(擴散系數(shù)為0.63cm2/s,約為甲烷的三倍。它是一種強的還原劑,可同許多物質(zhì)進行不同程度的化學(xué)反應(yīng),生成各種類型的氫化物。氫氣的著火、燃燒、爆炸性能是它的主要特性。氫氣含量范圍在4-75% (空氣環(huán)境、4.65-93.9%(氧氣環(huán)境時形成可爆燃?xì)怏w,遇到明火或溫度在585以上時可引起燃爆。2.水電解制氫、純化脫氧、干燥原理2.1

2、 水電解制氫原理利用電能使某電解質(zhì)溶液分解為其它物質(zhì)的單元裝置稱為電解池。任何物質(zhì)在電解過程中,從數(shù)量上的變化服從法拉第定律。法拉第定律指出:電解時,在電極上析出物質(zhì)的數(shù)量,與通過溶液的電流強度和通電時間成正比;用相同的電量通過不同的電解質(zhì)溶液時,各種溶液在兩極上析出物質(zhì)量與它的電化當(dāng)量成正比,而析出1克當(dāng)量的任何物質(zhì)都需要1法拉第單位96500庫侖(26.8Ah的電量。水電解制氫符合法拉第電解定律,即在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,陰極析出1克分子的氫氣,所需電量為53.6Ah。生產(chǎn)1Nm3氫氣(1.073m3,20(氧氣為氫氣產(chǎn)量的50%,所需電量2390Ah,原料水消耗0.805kg。將水電解為氫氣和氧氣

3、的過程,其電極反應(yīng)為:陰極: 2H O + 2e H + 2OH陽極: 2OH + 2e H O + 1/2O 總反應(yīng): 2H O 2H + O 從反應(yīng)式得出:1 水電解時產(chǎn)生兩個氫和一個氧。2 電解過程中只消耗水和電能。3 加入氫氧化鉀只起導(dǎo)電作用。由浸沒在電解液中的一對電極,中間隔以隔膜,通以一定電壓(水的分解電壓1.23V、熱平衡電壓1.47V以上的直流電,水就電解。浸潤的隔膜可以允許電解過程的離子穿透運動(離子導(dǎo)電并防止已合成的氫、氧氣體混合。根據(jù)產(chǎn)量要求,使用多組水電解池組合增加產(chǎn)量,就形成了水電解槽的壓濾式組合結(jié)構(gòu)。二、制氫系統(tǒng)概述我公司2臺300MW汽輪發(fā)電機采用水-氫-氫冷卻方

4、式,即定子采用水冷卻,轉(zhuǎn)子和鐵芯采用氫氣冷卻方式。我公司制氫站采用蘇州競立制氫設(shè)備公司生產(chǎn)的兩套DQ-5/3.2型中壓水電解制氫裝置及配套干燥裝置,為發(fā)電機供氫。單套額定出力為H2:5Nm3/h,O2:2.5Nm3/h,由主體電解槽和氣體分離裝置、氫氣干燥裝置、整流柜、控制柜、框架、原料水箱、堿液箱、送水泵、壓縮空氣罐、儲氫罐、冷卻水裝置、PLC控制系統(tǒng)等組成。電解槽的電流采用硅整流,將交流電(380V變?yōu)橹绷麟姽┙o,采用氫氧化鉀為電解質(zhì),以五氧化二礬或四氧化三鈷為添加劑,電解除鹽水來獲得高純度的氫氣,以滿足發(fā)電機氫冷卻的需要。整套制氫系統(tǒng)實現(xiàn)全自動化運行,達到無人值班條件。系統(tǒng)控制采用PLC

5、控制系統(tǒng),與水局域網(wǎng)相連可在鍋爐補給水處理車間集控室監(jiān)控。三、制氫系統(tǒng)及設(shè)備1.水電解制氫裝置結(jié)構(gòu)及作用DQ-5/3.2型制氫裝置由電解槽、氣液處理器、整流裝置、控制柜、計算機管理系統(tǒng)、加水泵、堿箱、水箱等八大部分組成。1 電解槽電解槽為并聯(lián)壓濾式雙極性結(jié)構(gòu),下部有進液管,上部有氫、氧出口管,直流電從兩端極板輸入,對并聯(lián)槽型,中間極板為正極,兩端極板為負(fù)極。電解槽的作用:電解槽是水電解制氫、氧的主要設(shè)備,電解液在電解槽內(nèi),在直流電作用下在陰極表面產(chǎn)生氫氣,在陽極表面產(chǎn)生氧氣。2 氣液處理器本裝置氣液處理器為框架組合式,由氫、氧分離洗滌器、堿液循環(huán)泵、堿液過濾器及閥門、管路、一次儀表、框架等組成

6、。氫、氧分離洗滌器下部為分離器及堿液冷卻器,上部為洗滌冷卻器,頂部為氣體除霧器。a 氫氧分離器的作用:借助于重力的作用使水電解產(chǎn)生的氫氣和氧氣與循環(huán)的堿液分離,維持水電解過程中所需的電解液容量,有利于觀察液位,通過分離器內(nèi)設(shè)置的蛇形冷卻管冷卻循環(huán)的堿液,控制槽溫。b 氫洗滌器的作用:除掉氫氣中的堿霧及液滴并降低氫氣溫度。c 堿液循環(huán)泵的作用:補充電解過程中消耗的介質(zhì),帶走電解槽內(nèi)氫氧氣體的熱堿液,使堿液攪拌均勻減少濃差極化電壓,降低堿液中的含氣量。d 堿液過濾器的作用:濾除堿液中的機械雜質(zhì)和絨毛。e 干燥器的作用及原理:干燥氫氣,將氫氣中的水分除掉。干燥器內(nèi)填裝的吸附劑是一種具有大量微孔的固體

7、,當(dāng)含水氫氣通過微孔時,屬于極性分子的水被強烈的吸附在微孔表面,屬于非極性分子的氫則不易被吸附而順利通過微孔,從而將氫氣中的水分吸掉。f 干燥冷卻塔的作用及原理:分離水分子,冷卻氫氣。干燥器失效后再生時,由于干燥器再生時出口高溫氫氣攜帶大量水蒸氣,進入干燥冷卻塔后氣體溫度降低,所攜帶的水蒸氣被迅速冷凝成水而與氫氣分離,并同時降低氫氣溫度,此裝置運行時應(yīng)保證冷卻水充足暢通。g 氫氣過濾器的作用:濾去氣體中夾帶的微小粒狀物質(zhì)。h 汽水分離器的作用:除去氣體中的游離液滴。 3 整流裝置整流裝置由整流變壓器,整流柜組成,用于供給電解所需直流電源。使用方法詳見“可控硅整流裝置使用說明書”。4 控制柜控制

8、柜包括工業(yè)控制機、二次儀表、氫和氧氣分析儀、穩(wěn)壓電源及操作按鈕、開關(guān)等?？蓪崿F(xiàn)自動檢測、調(diào)節(jié)、顯示、故障報警、聯(lián)鎖、自動開機與停機等功能。5 計算機管理系統(tǒng)包括一臺微機(上位機,一臺打印機。可實現(xiàn)裝置的自動程序運行及各參數(shù)的調(diào)節(jié)、顯示、記錄等功能,是控制部分的核心。6 加水泵供給裝置所需的堿液或原料水。7 堿箱、水箱堿箱用于氫氧化鈉或氫氧化鉀電解液的配制和貯存,設(shè)有原料水進口管、堿液出口管、排污口等。水箱用于原料水的貯存。堿箱也可作水箱用,水箱也可用于貯存堿液。四、水電解制氫裝置工藝流程及子系統(tǒng)DQ-5/3.2型制氫裝置,工藝流程詳見工藝流程圖。該裝置可分為以下九個子系統(tǒng)1電解液循環(huán)系統(tǒng)從電解

9、槽出來夾帶氫氣和氧氣的堿液在氫分離洗滌器和氧分離洗滌器中,靠重力作用分別與氫氣、氧氣分離經(jīng)蛇形管冷卻后,通過氫、氧分離器底部的連通管經(jīng)堿液過濾器去除機械雜質(zhì),進入循環(huán)泵,然后進入電解槽形成了電解液循環(huán)系統(tǒng)。電解液循環(huán)的目的在于向電極區(qū)域補充電解消耗的純水;帶走電解過程中產(chǎn)生的氫氣、氧氣和熱量,以便電解槽在穩(wěn)定條件下工作;增加電極區(qū)域電解液的攪拌,減少濃差極化電壓;降低堿液中的含氣度,降低小室電壓,減少能耗等。該系統(tǒng)包括如下路線:氫分離洗滌器堿液泵堿液過濾器電解槽堿液泵氧分離洗滌器2氫氣系統(tǒng)氫氣從電解小室的陰極側(cè)分解出來,借助于電解液的循環(huán)和氣液比重差,在氫分離洗滌器中與電解液分離形成產(chǎn)品氣,其

10、路線為:干燥系統(tǒng)電解槽氧分離洗滌器調(diào)節(jié)閥阻火器排空氫氣的排空主要用于開停機期間不正常操作或故障排空時。3氧氣系統(tǒng)氧氣系統(tǒng)與氫氣系統(tǒng)有很強的對稱性,裝置的工作壓力和工作溫度也都以氧側(cè)為測試點。它包括:用戶或儲存電解槽氧分離洗滌器調(diào)節(jié)閥或排空氧氣的排空與氫氣排空作同樣考慮。 4 原料水系統(tǒng)原料水箱中的水通過加水泵被打入氫分離器的篩板上面,吸收通過篩孔的氫氣中夾帶的堿霧滴,通過溢流管,注入氫分離器洗滌器下部的液位部分,和循環(huán)堿液一并進入電解小室電極反應(yīng)區(qū)域進行電解,同時使電解液中堿的濃度保持在最佳濃度范圍內(nèi)。水箱中的水通過加水泵被注人氫分離洗滌器和氧分離洗滌器上部,先冷卻洗滌,然后通過中心溢流管流人

11、堿液循環(huán)系統(tǒng),經(jīng)循環(huán)泵被送入電解槽。為保證水電解制氫設(shè)備系統(tǒng)中的帶壓氣體和堿液在加水泵不工作期間外漏,在送水管上裝有止回閥。原料水箱補水泵氫分離洗滌器電解槽5冷卻水系統(tǒng)水的電解過程是吸熱反應(yīng),制氫過程必須供以電能,但水電解過程消耗的電能超過了水電解反應(yīng)理論吸熱量。超出部分主要由冷卻水帶走,以維持電解反應(yīng)區(qū)正常的溫度。本裝置要求工作溫度不超過90。此外,所生成的氫氣、氧氣必須冷卻除濕,可控硅整流裝置也設(shè)有必要的冷卻管路。冷卻水共分五路:溫度調(diào)節(jié)閥冷卻器出口氫(氧分離洗滌器出口冷卻水入口水封整流柜冷卻管路排放再生冷卻器出口6充氮和氮氣吹掃系統(tǒng)在開機前要對系統(tǒng)作氣密性試驗及氣相充氮和吹掃,以保證氫氧

12、兩側(cè)氣相空間的氣體遠(yuǎn)離可燃可爆范圍。充氮口設(shè)在氫氧分離洗滌器連通管的一側(cè),氮氣引入后流經(jīng):氫分離洗滌器阻火器排空充氮口氧分離洗滌器排空用于系統(tǒng)的氣密試驗與開機前的氮氣吹掃,當(dāng)使用氮氣時用軟管與氮氣源臨時連接,決不可用金屬管道與氮氣管道氣源固定連接。7排污系統(tǒng)排污管道共分四處第一處:電解槽兩端排污管第二處:堿液過濾器底部,通過過濾器排污閥排出堿液和過濾器中過濾下來的石棉絨雜質(zhì)及污物。第三、四處:水箱和堿箱底部排污口,分別通過其排污門排出箱中的污物或殘液8整流系統(tǒng)根據(jù)法拉第定律,水電解制氫裝置產(chǎn)品氣的產(chǎn)量與小室電流成正比。9控制系統(tǒng)微機控制的制氫裝置,能對本裝置的主要參數(shù):壓力、溫度、氫氧液位差進

13、行自動調(diào)節(jié);原料水補充有自動和手動兩種方式,對裝置的壓力、溫度、氫液位上下限、氧液位上下限、氫氣純度和氧氣純度能集中指示和定前打印記錄;若氫閥后壓力、冷卻水壓力、氣源壓力、氫氧液位上下限、氫氧純度產(chǎn)生一定的偏差時能自動聲光報警;若裝置的主要參數(shù)壓力、溫度、氫氧液位、堿液循環(huán)量,氣源壓力偏離正常值太大,又不能及時處理時,為了保護裝置的安全,該裝置能自動聲光報警停車;為了進一步提高本裝置安全運行系數(shù),裝置的主要參數(shù)壓力,設(shè)置了雙重獨立系統(tǒng),當(dāng)自控系統(tǒng)失靈,裝置的運行狀態(tài)達到危險值時,該獨立系統(tǒng)可使裝置自動聲光報警停車.10制氫系統(tǒng)工藝過程敘述由氫氧分離器回流的堿液進入堿液泵吸口,泵壓后經(jīng)過堿液冷卻

14、器、堿液過濾器后進入電解槽下部;堿液沿電解槽內(nèi)部的通道向上進入各個電解池(小室。此時,由于整流柜啟動,外部供交流電通過變壓器連接整流柜6相晶閘管的依次導(dǎo)通,將直流電源電壓加到水電解槽的中間極板和兩端極板上,于是在每個電解池(以隔膜墊片為界,依次形成2V左右的電壓降。當(dāng)直流電流由正極由中間極板向兩端負(fù)極流動時,按照法拉第電解定律,每個電解池通過53.6Ah的電流時,在陰極析出1克分子的氫氣(陽極析出0.5克分子的氧氣。必要的電解消耗功率1.47V×53.6Ah=78.792V Ah,產(chǎn)生廢熱的功率消耗為(2V-1.47V×53.6Ah=28.408V Ah。由于水電解池采用的

15、雙極性極板,對于若干的水電解池組合的水電解槽來說,當(dāng)中間極板接入直流電源正極(陽極產(chǎn)生氧氣,通過隔膜墊片(產(chǎn)生2V電壓降相鄰的水電解池為陰極(產(chǎn)生氫氣,其極板背面的水電解池為陽極(產(chǎn)生氧氣,相對第二塊隔膜墊片(產(chǎn)生2V的電壓降,相鄰的水電解池為陰極(產(chǎn)生氫氣,依此類推,直至接入直流電源負(fù)極的端極板為陰極(產(chǎn)生氫氣。水電解槽將陽極和陰極分別產(chǎn)生的氧氣和氫氣匯流引出,進入各自的氧分離器和氫分離器,進行氣液分離。氧氣和氫氣向上引出送出系統(tǒng)外,堿液回流返回堿液泵進行再次循環(huán)。在上述的循環(huán)中,系統(tǒng)添加了一些功能。例如,堿液冷卻器帶走水電解槽電解時產(chǎn)生的廢熱,堿液過濾器過濾堿液中的雜質(zhì),氣體冷卻器冷卻氣體

16、溫度以降低氣體的飽和含濕量以及自動補水功能等等。為了滿足工藝系統(tǒng)的自動運行,控制系統(tǒng)分別對壓力、液位平衡、堿液溫度進行控制和形成閉環(huán)調(diào)節(jié)。為了防止意外的發(fā)生,控制系統(tǒng)分別對壓力、槽溫、堿液流量進行監(jiān)控和聯(lián)鎖。為了對系統(tǒng)運行的次要參數(shù)有所了解,控制系統(tǒng)分別對氫氣溫度、氧氣溫度進行顯示。如果實現(xiàn)上位機顯示和控制,還將整流器的運行電流進行顯示和控制。五、電解槽檢修工序工藝1. 三方確認(rèn):點檢、運行、檢修三方安全確認(rèn)。2. 檢修前作防爆措施檢查:檢修前后應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行停機聯(lián)系制度和有關(guān)安全規(guī)定作防爆措施。 3. 電解槽的拆卸 3.1 拆除與電解槽連接的管道和兩極電纜線； 3.2 測量兩個極板之間的距離；

17、3.3 均勻的松開四個拉緊螺栓，取出上部一個螺栓； 3.4 將端極板稍稍移動，然后從端極板陽極側(cè)將墊片、極板、隔膜框 安順序取出，作好標(biāo)記； 3.5 下部兩根螺栓及兩個端極板不可取出； 4. 電解槽的檢查清理 4.1 電極：用除鹽水清洗，白布擦干； 4.2 檢查有無腐蝕及銹垢，特別是陽極側(cè)的鍍鎳保護層，如有銹垢用 毛刷輕輕刷去，然后用航空汽油清理干凈； 4.3 隔膜框應(yīng)清理檢查密封結(jié)合面及氣液孔道； 4.4 密封結(jié)合面應(yīng)無腐蝕、損壞、孔洞和裂紋 4.5 所有氣液孔道暢通無雜物堵塞； 4.6 密封墊圈應(yīng)完好無損，大小合適并與氣液孔道對正； 4.7 拉緊螺栓應(yīng)無銹垢、腐蝕，絲扣完好； 4.8 彈簧墊圈性能良好，無裂紋和銹垢，檢修后應(yīng)涂鉛粉； 4.9 石棉布在鉚釘前應(yīng)清理干凈,噴水使其潮濕,便于鉚釘時拉緊,鉚好 的石棉布應(yīng)繃緊,如鼓面不正、有臟物和損壞處、石棉纖維和其他