En el proceso de producción de hidrógeno del electrolizador alcalino, cómo hacer que el dispositivo funcione de manera estable, además de la calidad del electrolizador en sí, en el que la cantidad de circulación de lejía de la configuración también es un factor de influencia importante.
Recientemente, en la Reunión de Intercambio de Tecnología de Producción de Seguridad del Comité Profesional de Hidrógeno de la Asociación de Gases Industriales de China, Huang Li, jefe del Programa de Operación y Mantenimiento de Hidrógeno para Electrólisis de Agua Hidrógena, compartió nuestra experiencia en el ajuste del volumen de circulación de hidrógeno y lejía en el proceso real de prueba, operación y mantenimiento.
El siguiente es el artículo original.
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En el marco de la estrategia nacional de doble carbono, Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd, especializada en la producción de hidrógeno desde hace 25 años y primera en involucrarse en el campo de la energía del hidrógeno, ha comenzado a expandir el desarrollo de tecnología y equipos de hidrógeno verde, incluido el diseño de corredores de tanques de electrólisis, la fabricación de equipos, el recubrimiento de electrodos, así como las pruebas, la operación y el mantenimiento de tanques de electrólisis.
UnoPrincipio de funcionamiento del electrolizador alcalino
Al pasar una corriente continua a través de un electrolizador lleno de electrolito, las moléculas de agua reaccionan electroquímicamente en los electrodos y se descomponen en hidrógeno y oxígeno. Para mejorar la conductividad del electrolito, el electrolito general es una solución acuosa con una concentración de hidróxido de potasio al 30 % o hidróxido de sodio al 25 %.
El electrolizador consta de varias celdas electrolíticas. Cada cámara de electrólisis consta de un cátodo, un ánodo, un diafragma y un electrolito. La función principal del diafragma es evitar la permeación de gases. En la parte inferior del electrolizador hay una entrada y una salida comunes, y en la parte superior, un canal de flujo de mezcla gas-líquido de álcali y oxiálcali. Al pasar a una tensión de corriente continua, cuando esta supera la tensión teórica de descomposición del agua (1,23 V) y la tensión térmica neutra (1,48 V) por encima de un valor determinado, se produce una reacción redox entre el electrodo y la interfaz líquido, descomponiendo el agua en hidrógeno y oxígeno.
Dos Cómo se hace circular la lejía
1️⃣Ciclo mixto de lejía lateral de hidrógeno y oxígeno
En este tipo de circulación, la lejía ingresa a la bomba de circulación a través de la tubería de conexión en la parte inferior del separador de hidrógeno y oxígeno, y luego ingresa a las cámaras catódica y anódica del electrolizador después de enfriarse y filtrarse. Las ventajas de la circulación mixta son su estructura simple, proceso corto, bajo costo y la posibilidad de garantizar la misma cantidad de lejía circulando en las cámaras catódica y anódica del electrolizador. La desventaja es que, por un lado, puede afectar la pureza del hidrógeno y el oxígeno, y por otro, puede causar un desajuste del nivel del separador de hidrógeno-oxígeno, lo que puede resultar en un mayor riesgo de mezcla de hidrógeno y oxígeno. Actualmente, el lado hidrógeno-oxígeno del ciclo de mezcla de lejía es el proceso más común.
2️⃣Circulación separada de la lejía del lado de hidrógeno y oxígeno
Esta forma de circulación requiere dos bombas de circulación de lejía, es decir, dos circulaciones internas. La lejía en la parte inferior del separador de hidrógeno pasa a través de la bomba de circulación del lado del hidrógeno, se enfría y se filtra, y luego entra en la cámara del cátodo del electrolizador; la lejía en la parte inferior del separador de oxígeno pasa a través de la bomba de circulación del lado del oxígeno, se enfría y se filtra, y luego entra en la cámara del ánodo del electrolizador. La ventaja de la circulación independiente de lejía es que el hidrógeno y el oxígeno producidos por electrólisis son de alta pureza, evitando físicamente el riesgo de mezclar el separador de hidrógeno y oxígeno; la desventaja es que la estructura y el proceso son complicados y costosos, y también es necesario asegurar la consistencia del caudal, la altura, la potencia y otros parámetros de las bombas en ambos lados, lo que aumenta la complejidad de la operación y plantea el requisito de controlar la estabilidad de ambos lados del sistema.
Tres influencias del caudal circulante de lejía en la producción de hidrógeno por agua electrolítica y las condiciones de trabajo del electrolizador
1️⃣Circulación excesiva de lejía
(1) Efecto sobre la pureza del hidrógeno y el oxígeno
Debido a que el hidrógeno y el oxígeno tienen una cierta solubilidad en la lejía, el volumen de circulación es demasiado grande, por lo que la cantidad total de hidrógeno y oxígeno disueltos aumenta y entra en cada cámara con la lejía, lo que hace que la pureza del hidrógeno y el oxígeno se reduzca en la salida del electrolizador; el volumen de circulación es demasiado grande, por lo que el tiempo de retención del separador líquido de hidrógeno y oxígeno es demasiado corto, y el gas que no se ha separado completamente se devuelve al interior del electrolizador con la lejía, lo que afecta la eficiencia de la reacción electroquímica del electrolizador y la pureza del hidrógeno y el oxígeno, y además Esto afectará la eficiencia de la reacción electroquímica en el electrolizador y la pureza del hidrógeno y el oxígeno, y afectará aún más la capacidad del equipo de purificación de hidrógeno y oxígeno para deshidrogenar y desoxigenar, lo que resultará en un efecto deficiente de la purificación de hidrógeno y oxígeno y afectará la calidad de los productos.
(2) Efecto sobre la temperatura del tanque
Bajo la condición de que la temperatura de salida del enfriador de lejía permanezca sin cambios, un flujo excesivo de lejía quitará más calor al electrolizador, lo que hará que la temperatura del tanque baje y la potencia aumente.
(3) Efecto sobre la corriente y el voltaje
La circulación excesiva de lejía afectará la estabilidad de la corriente y el voltaje. Un flujo excesivo de líquido interferirá con la fluctuación normal de la corriente y el voltaje, dificultando su estabilización, lo que provocará fluctuaciones en el funcionamiento del gabinete del rectificador y del transformador, afectando así la producción y la calidad del hidrógeno.
(4) Aumento del consumo de energía
La circulación excesiva de lejía también puede aumentar el consumo de energía, los costos operativos y reducir la eficiencia energética del sistema. Esto se debe principalmente al aumento del sistema de circulación interna de agua de refrigeración auxiliar, la aspersión y el ventilador de circulación externa, la carga de agua fría, etc., lo que aumenta el consumo de energía y, por consiguiente, el consumo total de energía.
(5) Causar fallas en el equipo
La circulación excesiva de lejía aumenta la carga en la bomba de circulación de lejía, lo que corresponde a un mayor caudal, fluctuaciones de presión y temperatura en el electrolizador, lo que a su vez afecta a los electrodos, diafragmas y juntas dentro del electrolizador, lo que puede provocar fallas o daños en el equipo y un aumento en la carga de trabajo para mantenimiento y reparación.
2️⃣La circulación de lejía es demasiado pequeña
(1) Efecto sobre la temperatura del tanque
Cuando el volumen circulante de lejía es insuficiente, el calor del electrolizador no se puede disipar a tiempo, lo que provoca un aumento de temperatura. El ambiente de alta temperatura aumenta la presión de vapor saturado del agua en fase gaseosa y el contenido de agua. Si el agua no se condensa lo suficiente, sobrecarga el sistema de purificación, lo que afecta a su eficacia y a la vida útil del catalizador y el adsorbente.
(2) Impacto en la vida útil del diafragma
Un entorno de alta temperatura constante acelera el envejecimiento del diafragma, reduce su rendimiento e incluso lo rompe, lo que facilita la permeabilidad mutua del diafragma al hidrógeno y al oxígeno, lo que afecta la pureza de ambos. Cuando la infiltración mutua se acerca al límite inferior de explosión, aumenta considerablemente la probabilidad de peligro para el electrolizador. Asimismo, la alta temperatura constante también causa fugas en la junta de sellado, acortando su vida útil.
(3) Efecto sobre los electrodos
Si la cantidad circulante de lejía es demasiado pequeña, el gas producido no puede salir rápidamente del centro activo del electrodo y se ve afectada la eficiencia de la electrólisis; si el electrodo no puede entrar en contacto completo con la lejía para llevar a cabo la reacción electroquímica, se producirá una anomalía de descarga parcial y una quemadura en seco, lo que acelerará el desprendimiento del catalizador en el electrodo.
(4) Efecto sobre el voltaje de la celda
La cantidad de lejía que circula es demasiado pequeña, porque las burbujas de hidrógeno y oxígeno generadas en el centro activo del electrodo no se pueden eliminar a tiempo, y la cantidad de gases disueltos en el electrolito aumenta, lo que provoca un aumento en el voltaje de la cámara pequeña y un aumento en el consumo de energía.
Cuatro métodos para determinar el caudal óptimo de circulación de lejía
Para resolver los problemas anteriores, es necesario tomar medidas correspondientes, como verificar periódicamente el sistema de circulación de lejía para garantizar su funcionamiento normal; mantener buenas condiciones de disipación de calor alrededor del electrolizador; y ajustar los parámetros de funcionamiento del electrolizador, si es necesario, para evitar que se produzca un volumen demasiado grande o demasiado pequeño de circulación de lejía.
El caudal óptimo de circulación de lejía debe determinarse en función de los parámetros técnicos específicos del electrolizador, como el tamaño del electrolizador, el número de cámaras, la presión de funcionamiento, la temperatura de reacción, la generación de calor, la concentración de lejía, el enfriador de lejía, el separador de hidrógeno y oxígeno, la densidad de corriente, la pureza del gas y otros requisitos, la durabilidad de los equipos y las tuberías y otros factores.
Parámetros técnicos Dimensiones:
tamaños 4800x2240x2281mm
peso total 40700Kg
Tamaño efectivo de la cámara: 1830, número de cámaras: 238
Densidad de corriente del electrolizador 5000 A/m²
Presión de funcionamiento 1,6 Mpa
temperatura de reacción 90℃±5℃
Conjunto único de volumen de hidrógeno del producto del electrolizador 1300 Nm³/h
Producto Oxígeno 650 Nm³/h
Corriente continua n13100A, voltaje CC 480V
Enfriador de lejía Φ700x4244mm
Área de intercambio de calor 88,2m²
Separador de hidrógeno y oxígeno Φ1300x3916mm
separador de oxígeno Φ1300x3916mm
Solución de hidróxido de potasio concentración 30%
Valor de resistencia al agua pura >5 MΩ·cm
Relación entre la solución de hidróxido de potasio y el electrolizador:
Aumenta la conductividad del agua pura, extrae hidrógeno y oxígeno, y disipa el calor. El flujo de agua de refrigeración controla la temperatura de la lejía, de modo que la temperatura de reacción del electrolizador se mantenga relativamente estable. La generación de calor del electrolizador y el flujo de agua de refrigeración se utilizan para equilibrar el sistema térmico y lograr las mejores condiciones de funcionamiento y el máximo ahorro energético.
Basado en operaciones reales:
Control del volumen de circulación de lejía a 60 m³/h,
El flujo de agua de refrigeración se abre aproximadamente al 95%.
La temperatura de reacción del electrolizador se controla a 90 °C a plena carga.
El consumo de energía CC del electrolizador en condiciones óptimas es de 4,56 kWh/Nm³H₂.
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En resumen, el volumen de circulación de lejía es un parámetro importante en el proceso de producción de hidrógeno por electrólisis del agua, que está relacionado con la pureza del gas, el voltaje de la cámara, la temperatura del electrolizador y otros parámetros. Es conveniente controlar el volumen de circulación a un ritmo de 2 a 4 veces/h/min de reemplazo de lejía en el tanque. Un control eficaz del volumen de circulación de lejía garantiza el funcionamiento estable y seguro del equipo de producción de hidrógeno por electrólisis del agua durante un largo periodo.
En el proceso de producción de hidrógeno por electrólisis de agua en un electrolizador alcalino, la optimización de los parámetros de las condiciones de trabajo y el diseño del corredor del electrolizador, combinados con la selección del material del electrodo y del diafragma son la clave para aumentar la corriente, reducir el voltaje del tanque y ahorrar el consumo de energía.
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Hora de publicación: 09-ene-2025
