Sirkulasi Hidrogen dan Alkali dalam Elektrolisis Air Alkali Proses Produksi Hidrogen

Dalam proses produksi hidrogen elektroliser alkali, bagaimana membuat perangkat tersebut dapat beroperasi secara stabil, selain kualitas elektroliser itu sendiri, jumlah sirkulasi alkali yang diatur juga merupakan faktor pengaruh yang penting.

Baru-baru ini, pada Pertemuan Pertukaran Teknologi Produksi Keselamatan Komite Profesional Hidrogen Asosiasi Gas Industri China, Huang Li, kepala Program Operasi dan Pemeliharaan Hidrogen Elektrolisis Air Hidrogen, berbagi pengalaman kami tentang pengaturan volume sirkulasi hidrogen dan alkali dalam pengujian serta proses operasi dan pemeliharaan yang sebenarnya.

Berikut ini adalah makalah aslinya.

———————

Di bawah latar belakang strategi karbon ganda nasional, Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd, yang telah mengkhususkan diri dalam produksi hidrogen selama 25 tahun dan merupakan yang pertama terlibat dalam bidang energi hidrogen, telah mulai memperluas pengembangan teknologi dan peralatan hidrogen hijau, termasuk desain saluran tangki elektrolisis, manufaktur peralatan, pelapisan elektroda, serta pengujian dan pengoperasian serta pemeliharaan tangki elektrolisis.

SatuPrinsip Kerja Elektroliser Alkali

Dengan mengalirkan arus searah melalui elektroliser berisi elektrolit, molekul air bereaksi secara elektrokimia pada elektroda dan terurai menjadi hidrogen dan oksigen. Untuk meningkatkan konduktivitas elektrolit, elektrolit umum yang digunakan adalah larutan berair dengan konsentrasi 30% kalium hidroksida atau 25% natrium hidroksida.

Elektroliser terdiri dari beberapa sel elektrolit. Setiap ruang elektrolisis terdiri dari katoda, anoda, diafragma, dan elektrolit. Fungsi utama diafragma adalah mencegah kebocoran gas. Di bagian bawah elektroliser terdapat saluran masuk dan keluar bersama, sedangkan di bagian atas terdapat saluran aliran campuran gas-cair alkali dan oksi-alkali. Arus searah dialirkan ke dalam elektroliser dengan tegangan tertentu. Ketika tegangan melebihi tegangan dekomposisi air teoritis 1,23V dan tegangan netral termal 1,48V di atas nilai tertentu, terjadi reaksi redoks antara elektroda dan antarmuka cairan, yang menyebabkan air terurai menjadi hidrogen dan oksigen.

Dua Bagaimana alkali diedarkan

1️⃣Siklus Campuran Hidrogen dan Oksigen

Dalam bentuk sirkulasi ini, alkali memasuki pompa sirkulasi alkali melalui pipa penghubung di bagian bawah pemisah hidrogen dan pemisah oksigen, dan kemudian memasuki ruang katoda dan anoda elektroliser setelah pendinginan dan penyaringan. Keuntungan dari sirkulasi campuran adalah struktur sederhana, proses singkat, biaya rendah, dan dapat memastikan ukuran sirkulasi alkali yang sama ke dalam ruang katoda dan anoda elektroliser; kerugiannya adalah di satu sisi, itu dapat memengaruhi kemurnian hidrogen dan oksigen, dan di sisi lain, itu dapat menyebabkan level pemisah hidrogen-oksigen menjadi tidak sesuai, yang dapat mengakibatkan peningkatan risiko pencampuran hidrogen-oksigen. Saat ini, sisi hidrogen-oksigen dari siklus pencampuran alkali adalah proses yang paling umum.

2️⃣Sirkulasi terpisah dari sisi hidrogen dan oksigen

Bentuk sirkulasi ini memerlukan dua pompa sirkulasi alkali, yaitu dua sirkulasi internal. Larutan alkali di bagian bawah pemisah hidrogen melewati pompa sirkulasi sisi hidrogen, didinginkan dan disaring, lalu masuk ke ruang katoda elektroliser; larutan alkali di bagian bawah pemisah oksigen melewati pompa sirkulasi sisi oksigen, didinginkan dan disaring, lalu masuk ke ruang anoda elektroliser. Keuntungan sirkulasi alkali independen adalah hidrogen dan oksigen yang dihasilkan elektrolisis memiliki kemurnian tinggi, sehingga secara fisik terhindar dari risiko pencampuran hidrogen dan pemisah oksigen; kerugiannya adalah struktur dan prosesnya rumit dan mahal, serta perlu dipastikan konsistensi laju alir, head, daya, dan parameter lain dari pompa di kedua sisi, yang meningkatkan kompleksitas operasi, dan memunculkan kebutuhan untuk mengontrol stabilitas kedua sisi sistem.

Tiga Pengaruh Laju Aliran Sirkulasi Lye terhadap Produksi Hidrogen oleh Air Elektrolit dan Kondisi Kerja Elektroliser

1️⃣Sirkulasi alkali yang berlebihan

（1）Efek pada kemurnian hidrogen dan oksigen

Karena hidrogen dan oksigen memiliki kelarutan tertentu dalam alkali, volume sirkulasi terlalu besar sehingga jumlah total hidrogen dan oksigen terlarut meningkat dan masuk ke setiap ruang dengan alkali, yang menyebabkan kemurnian hidrogen dan oksigen berkurang di outlet elektroliser; volume sirkulasi terlalu besar sehingga waktu retensi pemisah cairan hidrogen dan oksigen terlalu pendek, dan gas yang belum sepenuhnya dipisahkan dibawa kembali ke bagian dalam elektroliser dengan alkali, yang memengaruhi efisiensi reaksi elektrokimia elektroliser dan kemurnian hidrogen dan oksigen, dan selanjutnya Ini akan memengaruhi efisiensi reaksi elektrokimia dalam elektroliser dan kemurnian hidrogen dan oksigen, dan selanjutnya memengaruhi kemampuan peralatan pemurnian hidrogen dan oksigen untuk mengalami dehidrogenasi dan deoksigenasi, menghasilkan efek pemurnian hidrogen dan oksigen yang buruk dan memengaruhi kualitas produk.

（2） Efek pada suhu tangki

Jika suhu keluaran pendingin alkali tetap tidak berubah, aliran alkali yang terlalu banyak akan mengambil lebih banyak panas dari elektroliser, yang menyebabkan suhu tangki turun dan daya meningkat.

（3）Pengaruh pada arus dan tegangan

Sirkulasi alkali yang berlebihan akan memengaruhi stabilitas arus dan tegangan. Aliran cairan yang berlebihan akan mengganggu fluktuasi normal arus dan tegangan, menyebabkan arus dan tegangan tidak mudah stabil, menyebabkan fluktuasi pada kondisi kerja kabinet penyearah dan transformator, sehingga memengaruhi produksi dan kualitas hidrogen.

（4）Peningkatan konsumsi energi

Sirkulasi alkali yang berlebihan juga dapat menyebabkan peningkatan konsumsi energi, peningkatan biaya operasional, dan penurunan efisiensi energi sistem. Hal ini terutama disebabkan oleh peningkatan penggunaan sistem sirkulasi internal air pendingin tambahan dan semprotan serta kipas sirkulasi eksternal, beban air dingin, dll., sehingga konsumsi daya meningkat dan konsumsi energi total pun meningkat.

（5）Menyebabkan kegagalan peralatan

Sirkulasi alkali yang berlebihan akan meningkatkan beban pada pompa sirkulasi alkali, yang berakibat pada peningkatan laju aliran, tekanan, dan fluktuasi suhu dalam elektroliser, yang pada gilirannya akan memengaruhi elektroda, diafragma, dan gasket di dalam elektroliser, yang dapat mengakibatkan kegagalan fungsi atau kerusakan peralatan, serta peningkatan beban kerja untuk perawatan dan perbaikan.

2️⃣Sirkulasi alkali terlalu kecil

（1）Efek pada suhu tangki

Ketika volume alkali yang bersirkulasi tidak mencukupi, panas dalam elektroliser tidak dapat dihilangkan tepat waktu, sehingga mengakibatkan peningkatan suhu. Suhu tinggi tersebut menyebabkan tekanan uap jenuh air dalam fase gas meningkat dan kadar air meningkat. Jika air tidak dapat dikondensasikan secara memadai, beban sistem pemurnian akan meningkat dan memengaruhi efek pemurnian, serta memengaruhi kinerja dan masa pakai katalis dan adsorben.

（2）Dampak pada kehidupan diafragma

Lingkungan bersuhu tinggi yang terus-menerus akan mempercepat penuaan diafragma, menyebabkan penurunan kinerjanya, atau bahkan pecah. Hal ini dapat menyebabkan diafragma kehilangan permeabilitas hidrogen dan oksigen di kedua sisinya, sehingga memengaruhi kemurnian hidrogen dan oksigen. Infiltrasi timbal balik yang mendekati batas bawah dapat menyebabkan ledakan, sehingga kemungkinan bahaya elektroliser meningkat pesat. Di saat yang sama, suhu tinggi yang terus-menerus juga akan menyebabkan kerusakan kebocoran pada gasket penyegel, sehingga memperpendek masa pakainya.

（3）Efek pada elektroda

Jika jumlah alkali yang bersirkulasi terlalu kecil, gas yang dihasilkan tidak dapat meninggalkan pusat aktif elektroda dengan cepat, dan efisiensi elektrolisis terpengaruh; jika elektroda tidak dapat sepenuhnya bersentuhan dengan alkali untuk melakukan reaksi elektrokimia, kelainan pelepasan sebagian dan pembakaran kering akan terjadi, mempercepat pengelupasan katalis pada elektroda.

（4 ）Efek pada tegangan sel

Jumlah alkali yang bersirkulasi terlalu kecil, karena gelembung hidrogen dan oksigen yang dihasilkan di pusat aktif elektroda tidak dapat dihilangkan tepat waktu, dan jumlah gas terlarut dalam elektrolit meningkat, yang menyebabkan peningkatan tegangan pada ruang kecil dan peningkatan konsumsi daya.

Empat Metode untuk menentukan laju aliran sirkulasi alkali yang optimal

Untuk mengatasi permasalahan tersebut di atas, maka perlu dilakukan tindakan yang tepat, seperti melakukan pengecekan secara berkala terhadap sistem sirkulasi alkali guna memastikan sistem tersebut dapat beroperasi dengan normal; menjaga kondisi pembuangan panas di sekitar elektroliser agar tetap baik; dan melakukan pengaturan parameter operasi elektroliser apabila diperlukan guna menghindari terjadinya sirkulasi alkali yang terlalu besar atau terlalu kecil.

Laju aliran sirkulasi alkali yang optimal perlu ditentukan berdasarkan parameter teknis elektroliser tertentu, seperti ukuran elektroliser, jumlah ruang, tekanan pengoperasian, suhu reaksi, pembangkitan panas, konsentrasi alkali, pendingin alkali, pemisah hidrogen-oksigen, rapat arus, kemurnian gas, dan persyaratan lainnya, ketahanan peralatan dan perpipaan, serta faktor-faktor lainnya.

Parameter Teknis Dimensi：

ukuran 4800x2240x2281mm

berat total 40700Kg

Ukuran ruang efektif 1830、Jumlah ruang 238 inci

Kepadatan arus elektroliser 5000A/m²

tekanan operasi 1.6Mpa

suhu reaksi 90℃±5℃

Satu set produk elektroliser hidrogen volume 1300Nm³/jam

Produk Oksigen 650Nm³/jam

arus searah n13100A, tegangan dc 480V

Pendingin Lye Φ700x4244mm

luas pertukaran panas 88,2m²

Pemisah hidrogen dan oksigen Φ1300x3916mm

pemisah oksigen Φ1300x3916mm

Konsentrasi larutan kalium hidroksida 30%

Nilai ketahanan air murni >5MΩ·cm

Hubungan antara larutan kalium hidroksida dan elektroliser：

Menjadikan air murni konduktif, mengeluarkan hidrogen dan oksigen, serta menghilangkan panas. Aliran air pendingin digunakan untuk mengontrol suhu alkali sehingga suhu reaksi elektroliser relatif stabil, sementara panas yang dihasilkan elektroliser dan aliran air pendingin digunakan untuk menyeimbangkan panas sistem guna mencapai kondisi kerja terbaik dan parameter operasi yang paling hemat energi.

Berdasarkan operasi aktual:

Kontrol volume sirkulasi alkali pada 60m³/jam，

Aliran air pendingin terbuka sekitar 95%，

Suhu reaksi elektroliser dikontrol pada 90°C pada beban penuh,

Konsumsi daya DC elektroliser kondisi optimum adalah 4,56 kWh/Nm³H₂.

Limameringkaskan

Singkatnya, volume sirkulasi alkali merupakan parameter penting dalam proses produksi hidrogen melalui elektrolisis air, yang berkaitan dengan kemurnian gas, tegangan ruang, suhu elektroliser, dan parameter lainnya. Volume sirkulasi sebaiknya dikontrol 2-4 kali/jam/menit setelah penggantian alkali di dalam tangki. Dengan mengontrol volume sirkulasi alkali secara efektif, pengoperasian peralatan produksi hidrogen elektrolisis air yang stabil dan aman dalam jangka panjang dapat dipastikan.

Dalam proses produksi hidrogen dengan elektrolisis air dalam elektroliser alkali, optimalisasi parameter kondisi kerja dan desain runner elektroliser, dikombinasikan dengan pemilihan material elektroda dan material diafragma merupakan kunci untuk meningkatkan arus, mengurangi tegangan tangki dan menghemat konsumsi energi.

--Hubungi kami--

Telp: +86 028 6259 0080

Telp: +86 028 6259 0100

E-mail: tech@allygas.com