A unidade de produção de hidrogênio por eletrólise inclui um conjunto completo de equipamentos para a produção de hidrogênio por eletrólise da água. Os principais equipamentos são:
1. Eletrolisador
2. Dispositivo de separação gás-líquido
3. Sistema de secagem e purificação
4. A parte elétrica inclui: transformador, painel retificador, painel de controle do programa PLC, painel de instrumentos, painel de distribuição de energia, computador central, etc.
5. O sistema auxiliar inclui principalmente: tanque de álcali, tanque de água para matéria-prima, bomba de abastecimento de água, cilindro/barra de nitrogênio, etc.
6. O sistema auxiliar geral do equipamento inclui: máquina de água pura, torre de resfriamento de água, chiller, compressor de ar, etc.
Na unidade de produção de hidrogênio por eletrólise, a água é decomposta em uma parte de hidrogênio e meia parte de oxigênio no eletrolisador sob a ação de corrente contínua. O hidrogênio e o oxigênio gerados são enviados ao separador gás-líquido juntamente com o eletrólito para separação. O hidrogênio e o oxigênio são resfriados pelos resfriadores de hidrogênio e oxigênio, e o coletor de gotas captura e remove a água, que então é enviada para fora sob o controle do sistema de controle; o eletrólito passa pelo filtro de hidrogênio, oxigênio e álcali, etc., sob a ação da bomba de circulação, e retorna ao eletrolisador para continuar a eletrólise.
A pressão do sistema é ajustada através do sistema de controle de pressão e do sistema de controle de pressão diferencial para atender aos requisitos dos processos subsequentes e do armazenamento.
O hidrogênio produzido por eletrólise da água apresenta as vantagens de alta pureza e poucas impurezas. Normalmente, as impurezas no hidrogênio produzido por eletrólise da água são apenas oxigênio e água, e nenhum outro componente (o que evita o envenenamento de alguns catalisadores), proporcionando conveniência na produção de hidrogênio de alta pureza. Após a purificação, o gás produzido pode atingir os indicadores de gás industrial de grau eletrônico.
O hidrogênio produzido pelo dispositivo de produção de hidrogênio passa por um tanque de armazenamento para estabilizar a pressão de trabalho do sistema e remover ainda mais a água livre presente no hidrogênio.
Após entrar no dispositivo de purificação de hidrogênio, o hidrogênio produzido pela eletrólise da água é ainda mais purificado, e o oxigênio, a água e outras impurezas presentes no hidrogênio são removidas utilizando os princípios da reação catalítica e da adsorção por peneira molecular.
O equipamento pode configurar um sistema de ajuste automático para a produção de hidrogênio de acordo com a situação real. Alterações na carga de gás causam flutuações na pressão do tanque de armazenamento de hidrogênio. O transmissor de pressão instalado no tanque de armazenamento emite um sinal de 4-20mA e o envia para o CLP (Controlador Lógico Programável). Após comparar o sinal com o valor de ajuste original e realizar a transformação inversa e o cálculo PID, um sinal de 20~4mA é emitido e enviado para o painel retificador para ajustar a corrente de eletrólise, atingindo assim o objetivo de ajuste automático da produção de hidrogênio de acordo com as mudanças na carga de hidrogênio.
Os equipamentos para produção de hidrogênio por eletrólise alcalina da água incluem principalmente os seguintes sistemas:
(1)Sistema de água de matéria-prima
No processo de produção de hidrogênio por eletrólise da água, a única substância que reage é a água (H₂O), que precisa ser continuamente reposta com água bruta por meio de uma bomba de reposição. O ponto de reposição de água é no separador de hidrogênio ou oxigênio. Além disso, uma pequena quantidade de hidrogênio e oxigênio deve ser removida do sistema ao sair da água. O consumo de água em equipamentos de pequeno porte é de 1 L/Nm³H₂, podendo ser reduzido para 0,9 L/Nm³H₂ em equipamentos de grande porte. O sistema realiza a reposição contínua de água bruta. Através dessa reposição, é possível manter a estabilidade do nível e da concentração da solução alcalina, permitindo que a solução reacional seja reposta em tempo hábil.
2) Sistema retificador de transformador
Este sistema consiste principalmente em dois dispositivos: um transformador e um retificador. Sua principal função é converter a energia CA de 10/35 kV fornecida pelo proprietário da unidade externa em energia CC, necessária para o eletrolisador, e fornecer energia CC ao eletrolisador. Parte da energia fornecida é usada para decompor diretamente a água, gerando moléculas de hidrogênio e oxigênio, e a outra parte gera calor, que é dissipado pelo resfriador de soda cáustica através de água de resfriamento.
A maioria dos transformadores são do tipo óleo. Se instalados em ambientes internos ou dentro de um contêiner, podem ser utilizados transformadores a seco. Os transformadores usados em equipamentos de produção de hidrogênio por eletrólise da água são transformadores especiais e precisam ser dimensionados de acordo com os dados de cada eletrolisador, sendo, portanto, equipamentos personalizados.
(3) sistema de armário de distribuição de energia
O painel de distribuição de energia é usado principalmente para fornecer energia de 400 V, ou 380 V, para diversos componentes com motores nos sistemas de separação e purificação de hidrogênio e oxigênio, localizados após a produção de hidrogênio por eletrólise da água. Esses equipamentos incluem a circulação alcalina no sistema de separação de hidrogênio e oxigênio; bombas, bombas de reposição de água em sistemas auxiliares; resistências de aquecimento em sistemas de secagem e purificação; e sistemas auxiliares necessários para todo o sistema, como purificadores de água, chillers, compressores de ar, torres de resfriamento, compressores de hidrogênio, máquinas de hidrogenação e outros equipamentos. O fornecimento de energia também inclui a alimentação para iluminação, monitoramento e outros sistemas de toda a estação.
(4) sistema de controle
O sistema de controle implementa o controle automático por meio de um CLP (Controlador Lógico Programável). O CLP geralmente é do tipo Siemens 1200 ou 1500. Ele é equipado com uma interface de interação homem-máquina com tela sensível ao toque, e a operação e a exibição dos parâmetros de cada sistema do equipamento, bem como a exibição da lógica de controle, são realizadas na tela sensível ao toque.
5) Sistema de circulação alcalina
Este sistema inclui principalmente os seguintes equipamentos principais:
Separador de hidrogênio e oxigênio - bomba de circulação alcalina - válvula - filtro alcalino - eletrolisador
O processo principal é o seguinte: o líquido alcalino misturado com hidrogênio e oxigênio no separador de hidrogênio e oxigênio é separado pelo separador gás-líquido e, em seguida, retorna para a bomba de circulação do líquido alcalino. Aqui, o separador de hidrogênio e o separador de oxigênio estão conectados, e a bomba de circulação do líquido alcalino promove o refluxo. O líquido alcalino circula até a válvula e o filtro de líquido alcalino na extremidade posterior. Após a filtragem, que retém as impurezas maiores, o líquido alcalino circula para o interior do eletrolisador.
(6) Sistema de hidrogênio
O hidrogênio é gerado no lado do eletrodo do cátodo e chega ao separador juntamente com o sistema de circulação do líquido alcalino. No separador, como o hidrogênio é relativamente leve, ele se separa naturalmente do líquido alcalino e atinge a parte superior do separador, passando então pelo tubo para posterior separação e resfriamento. Após o resfriamento com água, o coletor de gotas captura as gotas, atingindo uma pureza de cerca de 99%, e as encaminha para o sistema de secagem e purificação.
Evacuação: A evacuação de hidrogênio é utilizada principalmente durante a partida e o desligamento, em operações anormais ou falhas de pureza, e para evacuação de falhas.
(7) Sistema de oxigênio
O percurso do oxigênio é semelhante ao do hidrogênio, mas em um separador diferente.
Evacuação: Atualmente, a maioria dos projetos de oxigênio são tratados por meio de evacuação.
Utilização: O valor de utilização do oxigênio só é significativo em projetos especiais, como em alguns cenários de aplicação que podem usar tanto hidrogênio quanto oxigênio de alta pureza, como fabricantes de fibra óptica. Existem também alguns grandes projetos que reservam espaço para a utilização de oxigênio. Os cenários de aplicação final incluem a produção de oxigênio líquido após secagem e purificação, ou o uso de oxigênio medicinal por meio de um sistema de dispersão. No entanto, o refinamento desses cenários de utilização ainda precisa ser determinado. Mais informações são necessárias.
(8) sistema de água de refrigeração
O processo de eletrólise da água é uma reação endotérmica. O processo de produção de hidrogênio requer o fornecimento de energia elétrica. No entanto, a energia elétrica consumida pelo processo de eletrólise da água excede a absorção teórica de calor da reação. Ou seja, parte da eletricidade utilizada pelo eletrolisador é convertida em calor. Esse calor é utilizado principalmente para aquecer o sistema de circulação alcalina inicialmente, elevando a temperatura da solução alcalina à faixa de 90 ± 5 °C exigida pelo equipamento. Se o eletrolisador continuar a operar após atingir a temperatura nominal, o calor gerado precisa ser utilizado para resfriar a água e manter a temperatura normal da zona de reação da eletrólise. A alta temperatura na zona de reação da eletrólise pode reduzir o consumo de energia, mas se a temperatura for muito alta, a membrana da câmara de eletrólise será danificada, o que também será prejudicial à operação do equipamento a longo prazo.
Este dispositivo requer que a temperatura de operação seja mantida em no máximo 95°C. Além disso, o hidrogênio e o oxigênio gerados também devem ser resfriados e desumidificados, e o dispositivo retificador controlado de silício refrigerado a água também está equipado com os tubos de refrigeração necessários.
O corpo da bomba de equipamentos de grande porte também requer a participação de água de refrigeração.
(9) Sistema de enchimento e purga de nitrogênio
Antes de depurar e operar o dispositivo, o sistema deve ser preenchido com nitrogênio para teste de estanqueidade. Antes da inicialização normal, a fase gasosa do sistema também precisa ser purgada com nitrogênio para garantir que o gás no espaço da fase gasosa em ambos os lados do hidrogênio e do oxigênio esteja fora da faixa de inflamabilidade e explosão.
Após o desligamento do equipamento, o sistema de controle manterá automaticamente a pressão e reterá uma certa quantidade de hidrogênio e oxigênio dentro do sistema. Se a pressão ainda for detectada quando o equipamento for ligado, não será necessário realizar a purga. No entanto, se toda a pressão for removida, será necessário realizar uma nova purga. Ação de purga com nitrogênio.
(10) Sistema de secagem (purificação) de hidrogênio (opcional)
O hidrogênio produzido pela eletrólise da água é desumidificado por um secador paralelo e, finalmente, filtrado em um filtro de tubo de níquel sinterizado para obtenção de hidrogênio seco. (De acordo com as necessidades do usuário em relação ao hidrogênio produzido, o sistema pode incluir um dispositivo de purificação, que utiliza desoxidação catalítica bimetálica de paládio-platina).
O hidrogênio produzido pelo dispositivo de produção de hidrogênio por eletrólise da água é enviado para o dispositivo de purificação de hidrogênio através do tanque de armazenamento.
O hidrogênio passa primeiro pela torre de desoxigenação. Sob a ação do catalisador, o oxigênio presente no hidrogênio reage com o próprio hidrogênio para gerar água.
Fórmula da reação: 2H2 + O2 → 2H2O.
Em seguida, o hidrogênio passa pelo condensador de hidrogênio (que resfria o gás para condensar o vapor de água presente nele, gerando água, e a água condensada é automaticamente descarregada do sistema através do coletor de líquidos) e entra na torre de adsorção.
Data da publicação: 14 de maio de 2024
