Sirkulasi Hidrogen dan Alkali dalam Elektroliser Alkali pada Proses Produksi Hidrogen Elektrolisis Air

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

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

Berikut ini adalah makalah aslinya.

——————

Dalam kerangka strategi karbon ganda nasional, Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd, yang telah berspesialisasi dalam produksi hidrogen selama 25 tahun dan merupakan yang pertama terlibat di bidang energi hidrogen, telah mulai memperluas pengembangan teknologi dan peralatan hidrogen hijau, termasuk desain saluran tangki elektrolisis, pembuatan peralatan, pelapisan elektroda, serta pengujian dan pengoperasian serta pemeliharaan tangki elektrolisis.

SatuPrinsip Kerja Elektroliser Alkali

Dengan mengalirkan arus searah melalui elektroliser yang diisi dengan 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 elektrolitik. Setiap ruang elektrolisis terdiri dari katoda, anoda, diafragma, dan elektrolit. Fungsi utama diafragma adalah untuk mencegah permeasi gas. Di bagian bawah elektroliser terdapat saluran masuk dan keluar umum, bagian atas berupa saluran aliran campuran gas-cair alkali dan oksi-alkali. Arus searah dengan tegangan tertentu dialirkan ke dalamnya. Ketika tegangan melebihi tegangan dekomposisi teoritis air 1,23V dan tegangan netral termal 1,48V di atas nilai tertentu, reaksi redoks terjadi antara antarmuka elektroda dan cairan, air terurai menjadi hidrogen dan oksigen.

Dua. Bagaimana larutan alkali diedarkan.

1️⃣Siklus Campuran Larutan Alkali Sisi Hidrogen dan Oksigen

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

2️⃣Sirkulasi terpisah dari larutan alkali sisi hidrogen dan oksigen

Bentuk sirkulasi ini membutuhkan dua pompa sirkulasi larutan alkali, yaitu dua sirkulasi internal. Larutan alkali di bagian bawah pemisah hidrogen melewati pompa sirkulasi sisi hidrogen, didinginkan dan disaring, kemudian masuk ke ruang katoda elektroliser; larutan alkali di bagian bawah pemisah oksigen melewati pompa sirkulasi sisi oksigen, didinginkan dan disaring, kemudian masuk ke ruang anoda elektroliser. Keuntungan dari sirkulasi larutan alkali independen adalah hidrogen dan oksigen yang dihasilkan oleh elektrolisis memiliki kemurnian tinggi, secara fisik menghindari risiko pencampuran pemisah hidrogen dan oksigen; kekurangannya adalah struktur dan prosesnya rumit dan mahal, dan juga perlu untuk memastikan konsistensi laju aliran, tekanan, daya, dan parameter lain dari pompa di kedua sisi, yang meningkatkan kompleksitas pengoperasian, dan menuntut pengendalian stabilitas kedua sisi sistem.

Tiga Pengaruh laju aliran sirkulasi larutan alkali terhadap produksi hidrogen oleh air elektrolit dan kondisi kerja elektroliser

1️⃣Sirkulasi alkali yang berlebihan

(1) Pengaruh terhadap kemurnian hidrogen dan oksigen

Karena hidrogen dan oksigen memiliki kelarutan tertentu dalam larutan alkali, volume sirkulasi terlalu besar sehingga jumlah total hidrogen dan oksigen terlarut meningkat dan masuk ke setiap ruang bersama dengan larutan alkali, yang menyebabkan kemurnian hidrogen dan oksigen berkurang di saluran keluar elektroliser; volume sirkulasi terlalu besar sehingga waktu retensi pemisah cairan hidrogen dan oksigen terlalu pendek, dan gas yang belum sepenuhnya terpisah dibawa kembali ke bagian dalam elektroliser bersama dengan larutan alkali, yang memengaruhi efisiensi reaksi elektrokimia elektroliser dan kemurnian hidrogen dan oksigen, dan selanjutnya hal ini akan memengaruhi efisiensi reaksi elektrokimia dalam elektroliser dan kemurnian hidrogen dan oksigen, dan selanjutnya memengaruhi kemampuan peralatan pemurnian hidrogen dan oksigen untuk menghilangkan hidrogen dan oksigen, sehingga mengakibatkan efek pemurnian hidrogen dan oksigen yang buruk dan memengaruhi kualitas produk.

(2) Pengaruh terhadap suhu tangki

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

(3) Pengaruh terhadap arus dan tegangan

Sirkulasi larutan alkali yang berlebihan akan memengaruhi stabilitas arus dan tegangan. Aliran cairan yang berlebihan akan mengganggu fluktuasi normal arus dan tegangan, menyebabkan arus dan tegangan sulit distabilkan, sehingga menyebabkan fluktuasi pada kondisi kerja kabinet penyearah dan transformator, dan dengan demikian memengaruhi produksi dan kualitas hidrogen.

(4) Peningkatan konsumsi energi

Sirkulasi larutan alkali yang berlebihan juga dapat menyebabkan peningkatan konsumsi energi, peningkatan biaya operasional, dan penurunan efisiensi energi sistem. Terutama pada peningkatan sistem sirkulasi internal air pendingin tambahan dan semprotan serta kipas sirkulasi eksternal, beban air dingin, dll., sehingga konsumsi daya meningkat, dan total konsumsi energi pun meningkat.

(5) Penyebab kerusakan peralatan

Sirkulasi larutan alkali yang berlebihan meningkatkan beban pada pompa sirkulasi larutan alkali, yang mengakibatkan peningkatan laju aliran, tekanan, dan fluktuasi suhu di dalam elektroliser. Hal ini pada gilirannya memengaruhi elektroda, diafragma, dan gasket di dalam elektroliser, yang dapat menyebabkan kerusakan atau malfungsi peralatan, serta peningkatan beban kerja untuk pemeliharaan dan perbaikan.

2️⃣Sirkulasi larutan alkali terlalu kecil

(1) Pengaruh terhadap suhu tangki

Ketika volume sirkulasi larutan alkali tidak mencukupi, panas dalam elektroliser tidak dapat dihilangkan tepat waktu, sehingga menyebabkan peningkatan suhu. Lingkungan suhu tinggi menyebabkan tekanan uap jenuh air dalam fase gas meningkat dan kandungan air bertambah. Jika air tidak dapat dikondensasikan secara memadai, hal itu akan meningkatkan beban sistem pemurnian dan memengaruhi efek pemurnian, serta akan memengaruhi efek dan umur pakai katalis dan adsorben.

(2) Dampak pada masa pakai diafragma

Lingkungan bersuhu tinggi terus-menerus akan mempercepat penuaan diafragma, menyebabkan penurunan kinerja atau bahkan pecah, dan mudah menyebabkan permeabilitas timbal balik hidrogen dan oksigen di kedua sisi diafragma, yang memengaruhi kemurnian hidrogen dan oksigen. Ketika perembesan timbal balik mendekati batas bawah ledakan, maka kemungkinan bahaya elektroliser akan meningkat drastis. Pada saat yang sama, suhu tinggi terus-menerus juga akan menyebabkan kerusakan kebocoran pada gasket penyegel, sehingga memperpendek masa pakainya.

(3) Pengaruh pada elektroda

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

(4) Pengaruh terhadap tegangan sel

Jumlah larutan 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, menyebabkan peningkatan tegangan ruang kecil dan peningkatan konsumsi daya.

Empat Metode untuk Menentukan Laju Aliran Sirkulasi Larutan Alkali yang Optimal

Untuk mengatasi masalah-masalah di atas, perlu dilakukan tindakan-tindakan yang sesuai, seperti secara rutin memeriksa sistem sirkulasi larutan alkali untuk memastikan pengoperasiannya normal; menjaga kondisi pembuangan panas yang baik di sekitar elektroliser; dan menyesuaikan parameter pengoperasian elektroliser, jika perlu, untuk menghindari terjadinya volume sirkulasi larutan alkali yang terlalu besar atau terlalu kecil.

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

Parameter Teknis Dimensi:

ukuran 4800x2240x2281mm

berat total 40700Kg

Ukuran ruang efektif 1830, Jumlah ruang 238

Kepadatan arus elektroliser 5000A/m²

tekanan operasi 1,6 MPa

suhu reaksi 90℃±5℃

Satu set elektroliser menghasilkan volume hidrogen sebesar 1300 Nm³/jam.

Produk Oksigen 650Nm³/jam

arus searah n13100A、tegangan DC 480V

Pendingin Larutan Natrium Hidroksida Φ700x4244mm

Luas area pertukaran panas 88,2 m²

Pemisah hidrogen dan oksigen Φ1300x3916mm

pemisah oksigen Φ1300x3916mm

Larutan kalium hidroksida dengan konsentrasi 30%

Nilai resistansi air murni >5MΩ·cm

Hubungan antara larutan kalium hidroksida dan elektroliser:

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

Berdasarkan operasi aktual:

Kontrol volume sirkulasi larutan alkali pada 60m³/jam.

Aliran air pendingin terbuka sekitar 95%,

Suhu reaksi elektroliser dikendalikan pada 90°C pada beban penuh.

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

Limameringkaskan

Singkatnya, volume sirkulasi larutan 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 larutan alkali yang tepat untuk dikontrol adalah 2~4 kali/jam/menit penggantian larutan alkali dalam tangki. Dengan mengontrol volume sirkulasi larutan alkali secara efektif, hal ini dapat memastikan pengoperasian peralatan produksi hidrogen elektrolisis air yang stabil dan aman dalam jangka waktu yang lama.

Dalam proses produksi hidrogen melalui elektrolisis air dalam elektroliser alkali, optimasi 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

Faks: +86 028 6259 0100

E-mail: tech@allygas.com