電解水制氫系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

李保法 中國石化集團(tuán)南京工程公司 南京 211100

電解水制氫系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

李保法*中國石化集團(tuán)南京工程公司 南京 211100

針對氫氣制備及純化，根據(jù)氫氣的理化和火災(zāi)危險(xiǎn)特性，分析電解水制氫系統(tǒng)中的潛在危險(xiǎn)因素，提出安全設(shè)計(jì)思路。

氫氣電解水制氫危險(xiǎn)因素安全設(shè)計(jì)

氫氣是未來最為理想的能源載體之一，具有高效、清潔無污染、可再生循環(huán)等諸多優(yōu)點(diǎn)。然而，氫氣的理化特性決定了其易燃易爆的高度危險(xiǎn)性，在氫氣的生產(chǎn)、使用和儲存等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要認(rèn)真進(jìn)行危險(xiǎn)因素分析，發(fā)現(xiàn)事故隱患，應(yīng)立即并給出合理、有效的對策與措施。

1 電解水制氫系統(tǒng)工藝

工業(yè)生產(chǎn)中常用的氫氣制備方法有電解水制氫法、礦物燃料轉(zhuǎn)化制氫法以及石油化工生產(chǎn)過程中副產(chǎn)氫氣等。電解水制氫法具有工藝簡單、操作方便、生產(chǎn)過程不會產(chǎn)生CO2等溫室氣體，且產(chǎn)品純度高(一般可達(dá)99%～99.99%)等優(yōu)點(diǎn)，是目前重要的制氫方法之一，被視為未來“氫經(jīng)濟(jì)時代”的主要生產(chǎn)方式。

1.1 工藝流程

電解水制氫及純化的工藝流程見圖1。

圖1 電解水制氫系統(tǒng)流程框圖

30%KOH水溶液(即電解液)在電解槽中陰極小室產(chǎn)生氫氣，反應(yīng)式為:

陽極小室產(chǎn)生氧氣(本文不作詳細(xì)討論)，反應(yīng)式為:

含有堿液的氫氣進(jìn)氫分離器，在重力作用下進(jìn)行氣液分離，冷卻后再由氫氣捕滴器將其中的游離水除去，經(jīng)氫氣緩沖罐進(jìn)脫氧器，將微量的氧雜質(zhì)在催化劑的作用下反應(yīng)生成水，再由氫氣冷卻器將氣體中的水蒸汽冷凝排出，然后進(jìn)裝有分子篩的吸附塔，利用分子篩對水、二氧化碳及其他雜質(zhì)的吸附作用，達(dá)到凈化氫氣的目的。

1.2 系統(tǒng)主要設(shè)備操作參數(shù)

電解水制氫系統(tǒng)主要設(shè)備及操作參數(shù)見表1。

表1 電解水制氫系統(tǒng)主要設(shè)備及操作參數(shù)

2 氫氣的物性及其危險(xiǎn)性分析

2.1 氫氣的物性

氫氣物性見表2。

2.2 危險(xiǎn)性分析

從表2中可知，氫氣具有易燃易爆的特性，又有較高的擴(kuò)散速度，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇熱或明火即發(fā)生爆炸，且所需引燃能量極小。氫氣在生產(chǎn)使用和儲存過程中可能存在如下潛在危險(xiǎn):

2.2.1 物理爆炸

儲存于鋼瓶或儲罐內(nèi)的壓力較高的氫氣(或液化氫氣)在環(huán)境溫度升高時，可能會發(fā)生受熱膨脹(或液氫氣化)使壓力升高，當(dāng)超過容器的耐壓強(qiáng)度時，即會發(fā)生爆炸。

表2 氫氣物性

2.2.2 火災(zāi)爆炸

高溫下氫氣對鋼材具有腐蝕性，能削弱儲存設(shè)備、輸送管道等的耐壓強(qiáng)度，嚴(yán)重時可導(dǎo)致設(shè)備管道系統(tǒng)出現(xiàn)裂縫，發(fā)生泄漏。氫氣一旦泄漏逸散在空氣中，可以迅速大面積地向高處擴(kuò)散，瞬間與空氣形成爆炸性混合物。此時，由于受熱、遇到明火、摩擦產(chǎn)生靜電等，僅需很小的能量就可發(fā)生爆燃甚至爆轟。

2.2.3 氣體窒息

氫氣雖然無毒，在生理學(xué)上為惰性氣體，但在發(fā)生大面積氫氣泄漏時，會使空氣中氧分壓降低，環(huán)境缺氧引起窒息。在很高的分壓下，可呈現(xiàn)麻醉作用。因此，在應(yīng)急處理氫氣泄漏事故時，應(yīng)特別注意自身的安全防護(hù)。

3 系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)

3.1 防火、防爆措施

為防止氫氣由于超壓、泄漏等引發(fā)的火災(zāi)爆炸事故，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)采取以下措施。

3.1.1 廠區(qū)布置

制氫系統(tǒng)(含站房及儲罐)應(yīng)遠(yuǎn)離有明火、高溫的廠房，不應(yīng)布置在它們的下風(fēng)向，同時不應(yīng)處在整個廠區(qū)的上風(fēng)向，且系統(tǒng)與其他廠房、建構(gòu)筑物之間的防火間距應(yīng)符合《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50177－2005中的要求;若廠區(qū)內(nèi)各廠房之間有高度落差時，系統(tǒng)應(yīng)位于地坪標(biāo)高較高的區(qū)域。

3.1.2 系統(tǒng)布置

制氫間(包括電解室、附屬設(shè)備框架、純化框架及氫氣緩沖罐)與其他配套設(shè)備(如變壓器、整流柜、儀表柜、備用品間等)之間應(yīng)用防爆墻分隔;與儲罐間應(yīng)滿足安全間距要求，距離不小于9m。

3.1.3 廠房結(jié)構(gòu)

氫氣的生產(chǎn)廠房為甲類廠房，宜采用單層建筑結(jié)構(gòu)，廠房的耐火等級、層數(shù)及防火分區(qū)的面積應(yīng)滿足《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50016－2006中表3.3.1的要求;制氫間的廠房屋頂應(yīng)留有排風(fēng)孔以滿足房間內(nèi)通風(fēng)換氣的要求，避免易燃易爆氣體在房間內(nèi)積聚，并應(yīng)采用輕質(zhì)不可燃屋頂，以滿足發(fā)生爆炸事故時泄壓面積的要求(《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第3.6.3條)。

3.1.4 電氣設(shè)備

根據(jù)《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50058－92，制氫間及氫氣儲罐區(qū)域內(nèi)應(yīng)被劃分為爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域1區(qū)，制氫間門窗邊沿以外、氫氣罐外壁以外半徑4.5m的地面、空間，以及氫氣排放口周圍半徑4.5m的空間和頂部7.5m的區(qū)域?yàn)?區(qū)。位于該區(qū)域內(nèi)的所有電氣設(shè)備均應(yīng)采用防爆型，且防爆等級不應(yīng)低于ⅡCT1。電解槽工作所需電能較大，其供電系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立設(shè)計(jì)，專線專供，不得與其他電路系統(tǒng)混用。

3.1.5 工藝流程

系統(tǒng)采用分立式循環(huán)的工藝流程。分立式循環(huán)就是把傳統(tǒng)的水電解流程中將氫、氧分離器液相連通，并將混合的氫、氧堿液一并注入電解槽的方法，改為將氫、氧堿液的循環(huán)回路分立設(shè)置，并分別注入分立液道的電解槽氫、氧小室，從而實(shí)現(xiàn)氫氣和氧氣的有效隔離，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的安全、可靠。

3.1.6 氫氣管道

(1)氫氣管道應(yīng)采用無縫鋼管，禁止使用鑄鐵管道。

(2)管道及管件之間應(yīng)盡量采用焊接方式連接，以減少可能出現(xiàn)的泄漏點(diǎn)，與設(shè)備管口、閥門等的連接可采用法蘭或螺紋連接，但在連接處需采用金屬導(dǎo)線跨接并定期檢查跨接電阻，設(shè)備或管道末端應(yīng)接地良好。

(3)管道不得穿過生活間、辦公室、配電室、儀表間、樓梯間及其他不使用氫氣的房間。

(4)管道不得穿過防爆墻。

(5)管道不應(yīng)鋪設(shè)在管溝內(nèi);管道穿過墻壁或樓板時應(yīng)設(shè)套管，套管內(nèi)的管段不應(yīng)有焊縫，管道與套管間應(yīng)采用非燃燒材料填塞。

(6)管道上應(yīng)設(shè)放空管、取樣口和吹掃口，其位置應(yīng)能滿足管道內(nèi)氣體吹掃、置換的要求，且系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)設(shè)有含氧量小于0.5%的氮?dú)庵脫Q吹掃設(shè)施。

(7)氫氣放空管應(yīng)引至室外，且放空口應(yīng)高于屋頂最高點(diǎn)1m以上，管口處設(shè)阻火器以防止外界火花串入系統(tǒng)引發(fā)事故，且應(yīng)有防雨雪侵入、雜物堵塞及防止雷擊的保護(hù)措施。

(8)氫氣在碳素鋼管道中的最大流速要求見表3。

表3 碳素鋼管中氫氣的最大流速

但當(dāng)設(shè)計(jì)壓力為0.1～3.0MPa時，氫氣在不銹鋼管中的最大流速可為25m/s。

3.1.7 氫氣儲罐

(1)該系統(tǒng)中的氫氣儲罐工作壓力為2.5MPa，屬于壓力容器范疇，其設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)應(yīng)符合《壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程》中的技術(shù)要求。

(2)儲罐應(yīng)設(shè)有放空閥、安全閥和壓力表，放空管口末端應(yīng)設(shè)阻火器。

(3)儲罐的基礎(chǔ)和支撐必須牢固，且應(yīng)為非燃燒材料。

(4)儲罐的地面應(yīng)高于相鄰散發(fā)可燃?xì)怏w或蒸氣的甲、乙類生產(chǎn)廠房的地面，否則應(yīng)設(shè)高度不低于1m的實(shí)體墻予以隔離。

3.1.8 檢測報(bào)警

系統(tǒng)中有火災(zāi)和爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域內(nèi)(制氫間及氫氣儲罐)需設(shè)置可燃?xì)怏w(氫氣)檢測報(bào)警儀，且應(yīng)符合《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50493－2009中的相關(guān)要求。

3.1.9 自控系統(tǒng)

在氫、氧捕滴器后的管線上設(shè)有在線分析儀，分別監(jiān)測氫中的氧含量及氧中的氫含量，并與報(bào)警系統(tǒng)及緊急停車系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖，當(dāng)氫、氧含量超標(biāo)時，啟動報(bào)警系統(tǒng)，必要時自動啟動緊急停車系統(tǒng)。

3.1.10 防雷電

根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，系統(tǒng)不應(yīng)低于二類防雷建筑，應(yīng)設(shè)有防直接雷擊、防雷電感應(yīng)和防雷電波的措施。

3.2 防灼燙

灼燙是指強(qiáng)酸、強(qiáng)堿濺到身體引起的灼傷;或因火焰引起的燒傷;高溫物體引起的燙傷;放射線引起的皮膚損傷等。

(1)該系統(tǒng)中電解槽以30%的KOH溶液作為電解液，《常用危險(xiǎn)化學(xué)品的分類及標(biāo)志》GB 13690－92將其劃為第8.2類堿性腐蝕品，具有強(qiáng)腐蝕性、強(qiáng)刺激性，皮膚和眼睛直接接觸可引起灼傷，應(yīng)立即用大量流動清水沖洗。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時在有可能發(fā)生KOH溶液泄漏區(qū)域(如堿液罐、電解槽附近)，需設(shè)置洗手池、淋浴噴頭及洗眼器，使操作人員在發(fā)生意外傷害時可以第一時間進(jìn)行自我救護(hù)，保障人身安全。

(2)系統(tǒng)中部分設(shè)備及管道的操作溫度最高可達(dá)近400℃，人體接觸時會造成高溫燙傷，因此，除工藝技術(shù)要求需要進(jìn)行保溫的設(shè)備和工藝物料管線外，對操作溫度高于60℃的設(shè)備及管道應(yīng)進(jìn)行隔熱，以防止其對操作人員的傷害及周圍環(huán)境的影響。保溫及隔熱材料的選擇和厚度的確定應(yīng)滿足《石油化工設(shè)備和管道隔熱技術(shù)規(guī)范》SH 3010－2000的要求。

3.3 防觸電

電解水制氫需要消耗電能，電解槽的運(yùn)行需要230V左右的穩(wěn)定直流電源，系統(tǒng)為其單獨(dú)配備了變壓器和整流柜，將10kV交流電變換為電解槽工作所需的直流電源;同時系統(tǒng)配備了380V的動力電路供其他用電設(shè)備使用。為防止操作人員觸電發(fā)生危險(xiǎn)，所有用電設(shè)備應(yīng)接地良好，且應(yīng)設(shè)有漏電保護(hù)設(shè)施;應(yīng)配備絕緣鞋(靴)和絕緣手套等防護(hù)用品，供操作、維護(hù)人員接觸帶電設(shè)備作業(yè)時穿戴。

4 結(jié)語

事故的發(fā)生有其偶然性及必然性。只要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采取合理有效的安全設(shè)施及措施，就可以最大限度地減少事故的發(fā)生概率。

1 GB 50177－2005，氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

2 GB 50016－2006，建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范［S］．

3 GB 50058－1992，爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

4 周國泰主編．危險(xiǎn)化學(xué)品安全技術(shù)全書［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社．

5 王廉舫．水電解制氫氧［M］．長沙:湖南工業(yè)氣體專委會．

6 李仲來．氫氣的制取及化工應(yīng)用［J］．小氮肥設(shè)計(jì)技術(shù)．2004，25(4):45－51．

7 張德勇．化工裝置氫氣系統(tǒng)的安全防護(hù)與應(yīng)急處理［J］．石油化工安全環(huán)保技術(shù)．2007，23(6):18－20．

8 許正旭，李輝．水電解制氫系統(tǒng)安全體系建設(shè)探討［J］．青海氣象．2007(1):52－54．

Based on the hydrogen production and purification，analyze the potentialhazardousfactorsofhydrogenproductionthroughwater electrolysis system in accordance with the physiochemical and fire risk properties of hydrogen itself．Put forward the safety design ideas．

Safety Design of Hydrogen Production Through Water Electrolysis System

Li Baofa
(Sinopec Nanjing Engineering＆Construction Inc.，Nanjing 210048)

hydrogenhydrogenproductionthroughwater electrolysishazardous factorsafety design

*李保法:工程師。2004年畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)安全工程專業(yè)。主要從事化工工藝、管道及安全衛(wèi)生等方面的設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話: (025)87118802，E－mail:libf@snei.com.cn。

2011－03－27)