堿液流量對(duì)水電解槽運(yùn)行的影響

黃登高 ， 尹玉國 ， 胡石林 ， 阮　浩

(中國原子能科學(xué)研究院 ， 北京　102413)

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?生產(chǎn)與實(shí)踐?

堿液流量對(duì)水電解槽運(yùn)行的影響

黃登高 ， 尹玉國 ， 胡石林 ， 阮浩

(中國原子能科學(xué)研究院 ， 北京102413)

摘要：主要研究堿液流量對(duì)水電解槽運(yùn)行的影響。通過研究堿液流量對(duì)水電解槽的氧槽溫和氫槽溫、堿液冷卻控制溫度、脫氫塔和脫氧塔的出口溫度、氫氣純度和氧氣純度、電解槽小室平均電壓的影響，得到水電解槽電耗較低，氣體純度較高，運(yùn)行平穩(wěn)的堿液流量。

關(guān)鍵詞：水電解槽 ； 堿液流量 ； 平穩(wěn)運(yùn)行

0前言

氫氣是一種極其重要的工業(yè)原料氣，它作為燃料、還原劑與冷卻劑，被廣泛應(yīng)用于航天、氣象、冶金、材料、電子與電力等行業(yè)，也是解決未來能源危機(jī)的最有潛力的能源之一[1-2]。水電解制氫的生產(chǎn)過程無污染，生產(chǎn)的氫氣純度高，成為工業(yè)制氫的重要生產(chǎn)途徑之一。水電解制氫的工作原理是當(dāng)電解槽的電解小室通入直流電后, 電解小室內(nèi)的水被分解，在陰極析出氫氣, 在陽極析出氧氣。水電解制氫是一種成熟的制氫方法，雖然成本較高，但是工藝流程簡單、無污染、操作和維護(hù)簡便，生產(chǎn)的氫氣純度高，特別適用于氫氣純度要求高和用量不多的企業(yè)[3-4]。比如，優(yōu)質(zhì)浮法玻璃和石英玻璃對(duì)保護(hù)氣質(zhì)量要求高，我國有1/3的玻璃生產(chǎn)線采用水電解制氫工藝制氫。發(fā)展電解水制氫的關(guān)鍵在于降低能耗，一些富有水電國家，如挪威、冰島和印度正在利用廉價(jià)的電力開動(dòng)大型制氫裝置。此外，由于太陽能、風(fēng)能等可再生能源的間歇性、不易儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn), 需要?dú)溥@種高效清潔的能源載體作為可再生能源和用戶之間的橋梁。在目前各種制氫技術(shù)中，利用可再生能源所產(chǎn)生的電能作為動(dòng)力來電解水是最為成熟和最有潛力的技術(shù)，被視為通向氫經(jīng)濟(jì)的最佳途徑[5]。

水電解制氫中電解槽的槽溫是水電解制氫的重要參數(shù)之一。升高電解槽的槽溫可以減少電解槽電壓，從而降低電解槽能耗。但與此同時(shí)，槽溫有上限，以避免隔膜受破壞，導(dǎo)致隔膜兩側(cè)的氫氧相互滲透。氫氣和氧氣純度也是電解槽的重要參數(shù)之一，因?yàn)樗娊獠壑袣錃庵械碾s質(zhì)主要是氧氣，而氧氣中的雜質(zhì)是氫氣，所以氫氣和氧氣越純，則水電解槽越安全。

在電解槽系統(tǒng)中，通過堿液泵的作用，水電解槽將在電解槽槽體內(nèi)因電解形成的高溫氣水混合物抽出到分離罐進(jìn)行氣液分離。其中氫氣和氧氣各有一個(gè)分離罐和一條氣液出口管道，在出口管道上各有一個(gè)熱電偶。測(cè)得氫氣側(cè)(陽極)電解液溫度，簡稱氫槽溫，同理氧氣側(cè)的電解液溫度簡稱氧槽溫。

分離后的高溫堿液通過冷卻器，冷卻后再進(jìn)入槽體，從而控制了槽體溫度。冷卻器是內(nèi)外雙層管式，15 ℃的冷卻水在外管與內(nèi)管的堿液逆向流動(dòng)，從而使堿液冷卻。冷卻水的流量由一個(gè)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥根據(jù)控制程序調(diào)節(jié)，而控制程序有個(gè)循環(huán)堿液設(shè)定值，水電解槽通過設(shè)定循環(huán)堿液設(shè)定值，從而控制了循環(huán)堿液溫度。同時(shí)，堿液循環(huán)泵后的堿液管有手動(dòng)球閥和堿液流量計(jì)，通過調(diào)節(jié)手動(dòng)球閥開度來調(diào)節(jié)制氫設(shè)備的堿液流量。電解槽槽體內(nèi)有31個(gè)串聯(lián)的電解室，每個(gè)電解室的小室電壓原本都應(yīng)是2V左右，但由于電極做工、電解小室內(nèi)清潔情況和安裝等因素，各小室電壓會(huì)有一些區(qū)別，這里取它們的平均值，即平均小室電壓。氣液混合物在分離罐分離后得到的氣體經(jīng)過冷卻和洗滌后進(jìn)入脫氫/氧塔進(jìn)一步脫除雜質(zhì)(氫氣中的雜質(zhì)主要是氧氣，氧氣中的雜質(zhì)主要是氫氣)，脫氫/氧塔出口有個(gè)熱電偶監(jiān)測(cè)出口氣體的溫度。

為了降低水電解槽的電壓和能耗，研究堿液流量對(duì)槽溫、氣體純度、小室電壓、脫氫塔和脫氧塔出口溫度，以及對(duì)堿液冷卻控制溫度的影響。在保障氣體純度在安全范圍(氫氣純度>99%，氧氣純度>98%)和槽溫為最佳值的前提下，研究堿液流量對(duì)水電解槽各個(gè)參數(shù)特別是電解槽電壓的影響，從而為水電解槽穩(wěn)定和低能耗運(yùn)行提供參考。

1實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在天津市大陸制氫設(shè)備有限公司的WDQ40/0.5-02型水電解槽上進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)備直流電流為3 080 A，槽壓為0.5 MPa，電解液質(zhì)量濃度為30%的KOH；脫氧塔加熱起始溫度為150 ℃，加熱結(jié)束溫度為160 ℃，脫氫塔加熱起始溫度為325 ℃，加熱結(jié)束溫度為330 ℃；堿液流量分別為2.6、3.0、3.5、4.5 m3/h； 氣體用agilent公司7890氣相色譜分析，分析溫度為50 ℃，分析時(shí)間為6.5 min；氫氣純度分析的載氣為氦氣，氧氣純度分析的載氣為氬氣和氮?dú)狻?/p>

2結(jié)果和討論

2.1堿液流量對(duì)槽溫的影響

堿液流量的大小，關(guān)系到參與熱交換的堿液量大小，所以對(duì)槽溫有影響，堿液流量對(duì)槽溫的影響如表1所示。

表1　堿液流量對(duì)槽溫的影響

注：堿液冷卻設(shè)定溫度為65.5 ℃。

通過表1可知，堿液流量越大，氫槽溫和氧槽溫就越低。這是因?yàn)樵诶鋮s器設(shè)定溫度不變的情況下，堿液流量越大，單位時(shí)間內(nèi)冷卻的堿液的量就越大，使得氧槽溫和氫槽溫就越低。由于電解槽的陰極和陽極之間的隔膜對(duì)溫度有一定要求，所以電解槽運(yùn)行時(shí)槽溫應(yīng)小于85 ℃。因此在冷卻溫度設(shè)定值為65.5 ℃時(shí)，堿液流量≥3.0 m3/h，否則槽溫過高，影響隔膜的熱穩(wěn)定性。槽溫長時(shí)間嚴(yán)重偏高時(shí)，隔膜將破損，使得隔膜兩側(cè)的氫氣和氧氣混合，導(dǎo)致水電解槽不再安全。

2.2堿液流量對(duì)堿液控制設(shè)定溫度的影響

在冷卻水溫度和流量一定的情況下，要將槽溫控制在 84.5 ℃以下所需的堿液冷卻設(shè)置溫度如表2所示。

表2　堿液流量對(duì)堿液控制設(shè)定溫度的影響

注：氧槽溫控制在84.5 ℃，氫槽溫控制在79.5 ℃。

從表2可以看出，堿液流量越低，堿液的控制溫度就需要越低，以便控制槽溫。在控制的槽溫一定時(shí)，堿液流量越大，堿液冷卻控制溫度就越低。這是因?yàn)閴A液流量越大，循環(huán)的堿液攜帶的熱量就越大。因此，需要降低堿液冷卻控制溫度，以便轉(zhuǎn)移熱量。

2.3堿液流量對(duì)氫氣和氧氣純度的影響

堿液流量越低，氫氣和氧氣純度越高，隨著堿液流量升高，氫氣和氧氣純度降低，如表3所示。這是因?yàn)闅錃饣蜓鯕鈺?huì)溶解在電解液即堿液中，隨著堿液流量增加，在堿液泵作用下回流槽體帶雜質(zhì)氣體的堿液也越多，所以電解產(chǎn)生的氣液混合物挾帶的雜質(zhì)氣也越多，導(dǎo)致分離罐分離得到的氫氣和氧氣的純度下降[6]。

表3　堿液流量對(duì)氫氣和氧氣純度的影響

從表3可以看出，氧氣純度比氫氣純度低，這是因?yàn)樗娊獠蹥湎蜓鮽?cè)滲透力強(qiáng)，更易造成氫氧混合，氧氣純度下降。

2.4堿液流量對(duì)脫氫塔和脫氧塔出口溫度的影響

循環(huán)堿液流量的大小對(duì)氣體純度有影響，而脫氫塔和脫氧塔的除雜反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以堿液流量對(duì)脫氫塔和脫氧塔出口溫度有影響，如表4所示。從表4可以看出，堿液流量越低，脫氫塔和脫氧塔出口溫度較低，堿液流量增加時(shí)，脫氫塔和脫氧塔出口溫度升高，因?yàn)樗娊獠壑苽涞臍怏w純化反應(yīng)都是放熱的氫氧復(fù)合反應(yīng)，氣體越不純，脫氫(氧)塔出口溫度越高。

表4　堿液流量對(duì)脫氫塔和脫氧塔出口溫度的影響

由表4可知，隨著堿液流量的增加，氣體純度下降。脫氧塔出口溫度之所以低于脫氫塔出口溫度，是因?yàn)槊摎渌訜釡囟雀?，而脫氧塔加熱溫度低。脫氫塔和脫氧塔的加熱溫度是由其?nèi)部裝填的催化劑的種類決定的。但塔的出口溫度應(yīng)該>100 ℃，以便氣體攜帶和塔內(nèi)除雜產(chǎn)生的水分脫除并由氣體帶走。

2.5堿液流量對(duì)電解槽小室平均電壓的影響

堿液流量對(duì)電解槽小室平均電壓的影響如表5所示。

表5　堿液流量對(duì)電解槽小室平均電壓的影響

注：氧槽溫84.5 ℃，氫槽溫79.5 ℃。

一般槽溫越高，電解電壓就越低，水電解槽的能耗也越低，所以槽溫一般需要控制在80 ℃以上。由于堿液流量對(duì)槽溫有影響，而槽溫對(duì)電解槽小室平均電壓有影響，所以堿液流量對(duì)電解槽小室電壓有影響。隨著堿液流量的大幅度增加，電解槽小室平均電壓細(xì)微變小。這可能是因?yàn)樵诓蹨匾欢〞r(shí)，隨著堿液流量增加，電極電解產(chǎn)生的氣泡被及時(shí)帶走，使電解液和電極接觸更緊密。

3結(jié)論

通過堿液流量對(duì)電解系統(tǒng)參數(shù)影響的研究，得到以下結(jié)論：①堿液流量越大，為控制一定的槽溫所需設(shè)置的堿液冷卻控制溫度就越低。②堿液流量越大，氣體純度越低。③堿液流量越大，脫氫塔和脫氧塔出口溫度越高。④堿液流量越大，槽溫就越低。⑤ 堿液流量越大，電極的小室平均電壓下降，能耗變小。

通過研究，我們認(rèn)為堿液流量為3.0 m3/h時(shí)，水電解槽電解水得到的氣體純度較高，槽溫可控，運(yùn)行也平穩(wěn)，電耗也比較低，是比較合適的堿液流量。

參考文獻(xiàn)：

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[6]張鵬舉.由水電解制取高純氫氣[J].低溫與特氣,2003(3):18-21.

收稿日期：2016-03-29

作者簡介：黃登高(1982- )，男，博士，從事水氫交換工藝研究工作，E-mail：hdg320@163.com。

中圖分類號(hào)：TQ116.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1003-3467(2016)06-0026-03