O eletrolíticohidrogênioa unidade de produção inclui um conjunto completo de eletrólise de águahidrogênioequipamentos de produção, sendo os principais equipamentos:
1. Célula eletrolítica
2. Dispositivo de separação de gás e líquido
3. Sistema de secagem e purificação
4. A parte elétrica inclui: transformador, gabinete retificador, gabinete de controle PLC, gabinete de instrumentos, gabinete de distribuição, computador superior, etc.
5. O sistema auxiliar inclui principalmente: tanque de solução alcalina, tanque de água de matéria-prima, bomba de água de reposição, cilindro/barramento de nitrogênio, etc. 6. O sistema auxiliar geral do equipamento inclui: máquina de água pura, torre de resfriamento, resfriador, compressor de ar, etc.
resfriadores de hidrogênio e oxigênio, e a água é coletada por um coletor de gotejamento antes de ser enviada para fora sob o controle do sistema de controle; O eletrólito passa porhidrogênioe filtros de oxigênio alcalino, resfriadores de hidrogênio e oxigênio alcalino, respectivamente, sob a ação da bomba de circulação e, em seguida, retornam à célula eletrolítica para eletrólise adicional.
A pressão do sistema é regulada pelo sistema de controle de pressão e pelo sistema de controle de pressão diferencial para atender aos requisitos dos processos e armazenamento posteriores.
O hidrogênio produzido pela eletrólise da água apresenta as vantagens de alta pureza e baixo teor de impurezas. Normalmente, as impurezas no gás hidrogênio produzido pela eletrólise da água são apenas oxigênio e água, sem outros componentes (o que pode evitar o envenenamento de certos catalisadores). Isso proporciona conveniência para a produção de gás hidrogênio de alta pureza, e o gás purificado pode atender aos padrões de gases industriais de grau eletrônico.
O hidrogênio produzido pela unidade de produção de hidrogênio passa por um tanque de buffer para estabilizar a pressão de trabalho do sistema e remover ainda mais a água livre do hidrogênio.
Após entrar no dispositivo de purificação de hidrogênio, o hidrogênio produzido pela eletrólise da água é purificado ainda mais, usando os princípios de reação catalítica e adsorção por peneira molecular para remover oxigênio, água e outras impurezas do hidrogênio.
O equipamento pode configurar um sistema de ajuste automático da produção de hidrogênio de acordo com a situação real. Alterações na carga de gás causarão flutuações na pressão do tanque de armazenamento de hidrogênio. O transmissor de pressão instalado no tanque de armazenamento emitirá um sinal de 4-20 mA para o CLP para comparação com o valor original definido e, após a transformação inversa e o cálculo do PID, emitirá um sinal de 20-4 mA para o gabinete do retificador para ajustar o valor da corrente de eletrólise, alcançando assim o objetivo de ajuste automático da produção de hidrogênio de acordo com as alterações na carga de hidrogênio.
A única reação no processo de produção de hidrogênio por eletrólise da água é a água (H2O), que precisa ser continuamente abastecida com água bruta por meio de uma bomba de reabastecimento. O ponto de reabastecimento está localizado no separador de hidrogênio ou oxigênio. Além disso, o hidrogênio e o oxigênio precisam remover uma pequena quantidade de água ao sair do sistema. Equipamentos com baixo consumo de água podem consumir 1L/Nm³ H2, enquanto equipamentos maiores podem reduzi-lo para 0,9L/Nm³ H2. O sistema reabastece continuamente a água bruta, o que pode manter a estabilidade do nível e da concentração do líquido alcalino. Ele também pode reabastecer a água reagida em tempo hábil para manter a concentração da solução alcalina.
- Sistema retificador de transformador
Este sistema consiste principalmente em dois dispositivos: um transformador e um gabinete retificador. Sua principal função é converter a energia CA de 10/35 kV fornecida pelo proprietário do front-end em energia CC necessária para a célula eletrolítica, fornecendo energia CC à célula eletrolítica. Parte da energia fornecida é usada para decompor diretamente as moléculas de água em hidrogênio e oxigênio, e a outra parte gera calor, que é transportado pelo resfriador alcalino através da água de resfriamento.
A maioria dos transformadores é do tipo óleo. Se instalados em ambientes internos ou dentro de um contêiner, transformadores do tipo seco podem ser usados. Os transformadores utilizados em equipamentos de produção de hidrogênio por água eletrolítica são transformadores especiais que precisam ser adaptados de acordo com os dados de cada célula eletrolítica, sendo, portanto, equipamentos personalizados.
Atualmente, o gabinete retificador mais utilizado é o do tipo tiristor, que conta com o apoio dos fabricantes de equipamentos devido à sua longa vida útil, alta estabilidade e baixo preço. No entanto, devido à necessidade de adaptar equipamentos de grande porte para energias renováveis de ponta, a eficiência de conversão dos gabinetes retificadores tiristorizados é relativamente baixa. Atualmente, diversos fabricantes de gabinetes retificadores estão se esforçando para adotar novos gabinetes retificadores IGBT. O IGBT já é muito comum em outras indústrias, como a de energia eólica, e acredita-se que os gabinetes retificadores IGBT terão um desenvolvimento significativo no futuro.
- Sistema de armário de distribuição
O gabinete de distribuição é usado principalmente para fornecer energia a vários componentes com motores no sistema de separação e purificação de hidrogênio e oxigênio, localizado atrás do equipamento de produção de hidrogênio em água eletrolítica, incluindo equipamentos de 400 V, comumente chamados de 380 V. O equipamento inclui a bomba de circulação alcalina na estrutura de separação de hidrogênio e oxigênio e a bomba de água de reposição no sistema auxiliar. A alimentação de energia para os fios de aquecimento no sistema de secagem e purificação, bem como para os sistemas auxiliares necessários para todo o sistema, como máquinas de água pura, resfriadores, compressores de ar, torres de resfriamento, compressores de hidrogênio de back-end, máquinas de hidrogenação, etc., também inclui a alimentação de energia para a iluminação, monitoramento e outros sistemas de toda a estação.
- Controsistema l
O sistema de controle implementa o controle automático PLC. O PLC geralmente adota Siemens 1200 ou 1500 e é equipado com uma tela sensível ao toque com interface homem-máquina. 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 de solução alcalina
Este sistema inclui principalmente os seguintes equipamentos principais:
Separador de hidrogênio e oxigênio – Bomba de circulação de solução alcalina – Válvula – Filtro de solução alcalina – Célula eletrolítica
O processo principal é o seguinte: a solução alcalina misturada com hidrogênio e oxigênio no separador de hidrogênio e oxigênio é separada pelo separador gás-líquido e refluxada para a bomba de circulação de solução alcalina. O separador de hidrogênio e o separador de oxigênio são conectados aqui, e a bomba de circulação de solução alcalina circula a solução alcalina refluxada para a válvula e o filtro de solução alcalina na extremidade traseira. Após o filtro filtrar as impurezas maiores, a solução alcalina é circulada para o interior da célula eletrolítica.
6. Sistema de hidrogênio
O gás hidrogênio é gerado pelo eletrodo catódico e chega ao separador juntamente com o sistema de circulação da solução alcalina. Dentro do separador, o gás hidrogênio é relativamente leve e naturalmente separado da solução alcalina, alcançando a parte superior do separador. Em seguida, passa por tubulações para posterior separação, é resfriado por água de resfriamento e coletado por um coletor de gotejamento para atingir uma pureza de cerca de 99% antes de chegar ao sistema de secagem e purificação na parte traseira.
Evacuação: A evacuação de gás hidrogênio é usada principalmente durante períodos de inicialização e desligamento, operações anormais ou quando a pureza não atende aos padrões, bem como para solução de problemas.
7. Sistema de oxigênio
O caminho do oxigênio é semelhante ao do hidrogênio, exceto que é realizado em separadores diferentes.
Esvaziamento: Atualmente, a maioria dos projetos utiliza o método de esvaziamento de oxigênio.
Utilização: O valor de utilização do oxigênio só é significativo em projetos especiais, como aplicações que podem utilizar tanto hidrogênio quanto oxigênio de alta pureza, como fabricantes de fibra óptica. Existem também alguns projetos de grande porte que reservaram espaço para a utilização de oxigênio. Os cenários de aplicação de backend são para a produção de oxigênio líquido após secagem e purificação, ou para oxigênio medicinal por meio de sistemas de dispersão. No entanto, a precisão desses cenários de utilização ainda precisa de mais confirmação.
8. Sistema de água de resfriamento
O processo de eletrólise da água é uma reação endotérmica, e o processo de produção de hidrogênio deve ser abastecido com energia elétrica. No entanto, a energia elétrica consumida no processo de eletrólise da água excede a absorção teórica de calor da reação de eletrólise da água. Em outras palavras, uma parte da eletricidade usada na célula de eletrólise é convertida em calor, que é usado principalmente para aquecer o sistema de circulação da solução alcalina no início, elevando a temperatura da solução alcalina para a faixa de temperatura necessária de 90 ± 5 ℃ para o equipamento. Se a célula de eletrólise continuar a operar após atingir a temperatura nominal, o calor gerado precisa ser transportado pela água de resfriamento para manter a temperatura normal da zona de reação de eletrólise. A alta temperatura na zona de reação de eletrólise pode reduzir o consumo de energia, mas se a temperatura for muito alta, o diafragma da câmara de eletrólise será danificado, o que também será prejudicial à operação a longo prazo do equipamento.
A temperatura operacional ideal para este dispositivo deve ser mantida em, no máximo, 95 °C. Além disso, o hidrogênio e o oxigênio gerados também precisam ser resfriados e desumidificados, e o retificador tiristorizado refrigerado a água também é equipado com as tubulações de resfriamento necessárias.
O corpo da bomba de grandes equipamentos também requer a participação de água de resfriamento.
- Sistema de enchimento e purga de nitrogênio
Antes de depurar e operar o dispositivo, um teste de estanqueidade ao nitrogênio deve ser realizado no sistema. Antes da partida normal, também é necessário purgar a fase gasosa do sistema com nitrogênio para garantir que o gás no espaço da fase gasosa em ambos os lados do hidrogênio e do oxigênio esteja longe 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 persistir durante a inicialização, não há necessidade de realizar uma ação de purga. No entanto, se a pressão for completamente aliviada, uma ação de purga de nitrogênio precisará ser realizada novamente.
- Sistema de secagem (purificação) de hidrogênio (opcional)
O gás hidrogênio preparado a partir da eletrólise da água é desumidificado por um secador paralelo e, finalmente, purificado por um filtro de tubo de níquel sinterizado para obter gás hidrogênio seco. De acordo com as necessidades do usuário para o hidrogênio produzido, o sistema pode adicionar um dispositivo de purificação, que utiliza desoxigenação catalítica bimetálica de paládio e platina para a purificação.
O hidrogênio produzido pela unidade de produção de hidrogênio por eletrólise da água é enviado para a unidade de purificação de hidrogênio através de um tanque de armazenamento.
O gás hidrogênio passa primeiro por uma torre de desoxigenação e, sob a ação de um catalisador, o oxigênio no gás hidrogênio reage com o gás hidrogênio para produzir água.
Fórmula de reação: 2H2+O2 2H2O.
Em seguida, o gás hidrogênio passa por um condensador de hidrogênio (que resfria o gás para condensar o vapor de água em água, que é automaticamente descarregada para fora do sistema através de um coletor) e entra na torre de adsorção.
Horário da publicação: 03/12/2024
