水电解制氢装置培训讲义(制氢装置)

1水电解制氢装置培训讲义2015-6-161•制氢工程部zGB/50177-2005水电解制氢系统技术要求zGB/T2306-2008化学试剂氢氧化钾HG/T34852003化学试剂五氧化二钒水电解制氢相关标准：zHG/T3485-2003化学试剂五氧化二钒z其他2015-6-1622制氢行业发展概况培训内容安全操作水电解制氢设备日常维护、故障分析与排除2015-6-163日常维护、故障分析与排除氢气的纯化1．氢气的生产方法1.1矿物燃料转化制氢：气体烃类转化法制氢；液态烃转化制取氢气焦炉气及其它含氢气体的深冷分离一、制氢行业发展概况态烃转化制取氢气；焦炉气及其它含氢气体的深冷分离法制取氢气；煤气化制取氢气1.2热化学分解水制取氢气1.3光催化作用制取氢气2015-6-1641.4其他方法制取氢气：铁汽制氢法；某些化合物与水起作用制取氢气；氨分解制氢；副产氢气的回收31．氢气的生产方法1.5甲醇分解制氢一、制氢行业发展概况1.6水电解制氢1.7生物制氢1.8太阳能制氢2015-6-1652．水电解制氢的发展概况自从1800年尼尔森等人成功的将水电解成氢气和一、制氢行业发展概况氧气以来，水电解制氢技术得到了飞速的发展。近20年来，由于工业生产的飞速发展和能源的日渐短缺，氢气的应用领域越来越广，对氢气的需求量也在也在逐年的增加。据美国氢气协会分析，2007年全球年生2015-6-166产氢气超过5000万吨，氢能作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。因此专家普遍认为，氢能的大量利用将42．水电解制氢的发展概况在10多年后。因此，水电解制氢技术的开发和研制受一、制氢行业发展概况到各国政府越来越高的重视和支持。近年来，我国和美国、日本、加拿大、欧盟等都制定了氢能发展规划，把发展氢能源作为21世纪新能源的战略目标。目前我国已在氢能领域取得了多方面的进展，在不久的将来2015-6-167国已在氢能领域取得了多方面的进展，在不久的将来有望成为氢能技术和应用领先的国家之一。2．水电解制氢的发展概况世界上有数十家公司和科研单位在研究和开发水一、制氢行业发展概况电解制氢技术，并取得了很大进展。如：加拿大的多伦多电解槽有限公司、美国的德利戴恩和通用电气公司、德国的鲁奇公司、意大利米兰的DeNera公司、挪威的海德鲁公司和日本的阳光制造所，以及英、法2015-6-168等国家都在研究水电解制氢技术。加南大多伦多电解槽有限公司主要生产箱式单极电解槽，挪威的海德鲁52．水电解制氢的发展概况公司和意大利米兰的DeNera公司以大型常压电解槽一、制氢行业发展概况为主，意大利曾为印度建造一台3350m3/h的制氢设备。美国的通用电气公司主要为宇航和核潜艇研制固体聚合物电解质制氢（氧）装置。我国水电解制氢技术的发展，经历了从小到大、从常压到加压、2015-6-169氢技术的发展，经历了从小到大、从常压到加压、从手动控制到PLC全自动控制的发展历程。1985年以前，我国工业水电解制氢装置以常压设备为主。2．水电解制氢的发展概况1985年以后，我国水电解制氢装置得到了飞速发展，一、制氢行业发展概况逐渐以加压设备取代了常压水电解制氢装置。现在国内有几家主要从事制氢装置生产的公司，七一八所的技术具有代表性。2015-6-161063．水电解制氢技术的应用和意义3.1传统行业一、制氢行业发展概况水电解制氢技术在工业上的应用已有近百年的历史。在化工方面，氢气可以用于脂肪和油类的氢化作用，氨的合成，在尼龙、塑料、农药的生产中也都离不开氢气；在冶金方面，氢气可以用作特种的处理，2015-6-1611作为一种保护气，可以提高产品质量，简化工序；在电子工业方面，主要用于半导体的加工；3．水电解制氢技术的应用和意义在浮法玻璃生产、人造宝石的加工中也都把氢气作为一、制氢行业发展概况一种燃烧气体；在电厂，氢气被用作发电机组的的冷却剂；液氢是火箭和宇航的重要燃料；在科研和气象方面也广泛的应用氢气。3.2新能源领域2015-6-1612氢气在交通领域的应用将得到快速的发展。我国已在北京、上海等地先后建立起了汽车加氢站。73．水电解制氢技术的应用和意义据有关资料报导，在上海世博会期间氢能汽车达到千一、制氢行业发展概况辆。2003年3月，挪威公司采用718所研制的水电解制氢设备在冰岛首都雷克雅来克建立起世界第一座加氢站，首次实现了为轿车和公共汽车加氢燃料。该加氢2015-6-1613站于2004年4月正式开始运行。2003年5月和2004年11月，挪威公司采用相同方式分别在德国汉堡和柏林3．水电解制氢技术的应用和意义建立加氢站。一、制氢行业发展概况3.3新能源转化利用氢气的应用不仅限于上述几个方面。由于能源危机，氢气作为一种新型能源受到人们的普遍重视。人们已经认识到，尽管可以从煤、天然气和石油等原料中制2015-6-1614取廉价的氢气，但这些原料正在逐年减少以至枯竭，不得不寻找新的能源。通过水电解制取得氢是理想的83．水电解制氢技术的应用和意义界上第一座风能——氢能发电站。利用岛上丰富的风一、制氢行业发展概况能进行发电，再利用剩余电力生产氢气，在低谷时再利用氢进行发电。满足了岛上居民日常生活用电要求，剩余部分还可以上市。发电站也采用了718所研制的水电解制氢设备。2015-6-16154．氢能利用发展趋势预测“氢能经济”时代即将到来。世界各国都在加快4．氢能利用发展趋势预测涉足氢能开发和利用。国外氢能的发展不再单纯停留一、制氢行业发展概况在技术领域上，已产生了“氢能经济”新经济模式的理念。按照美国氢能技术路线图，到2040年美国将走进“氢能经济”时代。在这一阶段氢能将最终取代石化能源成为市场上最广泛使用的终端能源。中国的中2015-6-1616长期科学和技术发展规划战略也把氢能列为重点之一，有关科研机构和企业表现出了极大的热情。目前我国94．氢能利用发展趋势预测已在制氢技术、储氢材料和氢能利用等方面进行了开一、制氢行业发展概况创性的工作，拥有一批氢能领域的知识产权，其中有些研究工作已达到国际先进水平。我国地域辽阔，能源转换离不开氢能。我国有丰富的太阳能、风能资源，通过电解水转换成氢气进行能量的转化和储存、运输，2015-6-1617有效的解决峰谷、传输和电网波动问题，可能是最佳途径之一。我国南部和西南地区势能差大，水资源丰4．氢能利用发展趋势预测富，水电发达，在丰水期可用大量剩余电力通过电解一、制氢行业发展概况水制取氢。核能、生物质能等新能源的发展目前看也离不开水电解制氢技术。所有尝试目前都已取得了一定的进展。2015-6-1618101．水电解制氢的基本原理电解定律利用电能使某电解质溶液分解为其它物质的单元装置成二、水电解制氢设备利用电能使某电解质溶液分解为其它物质的单元装置成为电解池。任何物质在电解过程中，在数量上的变化服从法拉第定律：2.1、电解时，在电极上析出物质的数量，与通过溶液的电流强度和通电时间成正比，也就是与通过溶液的电量成正比，2015-6-1619即式中：—化学反应生成物的量；—电化当量；—电流；—通电时间。ItKGe=GeKIt-+H2O2H2O+KOH阳极反应4OH42HO＋O↑阴极反应4HO＋42H↑＋4OH－2015-6-1620总反应：2H2O＝2H2↑＋O2↑阳极反应：4OH――4e＝2H2O＋O2↑阴极反应：4H2O＋4e＝2H2↑＋4OH－112.2、用相同的电量通过不同的电解质溶液时，各种溶液在两极上析出物质量与它的电化当量成正比，而析出1克当量的任何物质都需要96500库伦（C）的电量，以法拉第（F）表示。二、水电解制氢设备何物质都需要96500库伦（C）的电量，以法拉第（F）表示。（1法拉第=96500库伦=26.8安培·小时）显然，电化当量的数值应等于化学当量被法拉第常数除所得的商，即因此，在阴极析出1克分子的氢，所需电量为：ItFeItKGe⋅==2015-6-16216.531/8.262/=×=⋅=eFGIt（安培·小时）二、水电解制氢设备氢气产量计算8.265.0==FeKe1任何气体在标准状态下所占体积约为22.4，取，计算每小时的氢气产量（单位m3/h），则温度℃时（取）moll1=tQ20=Tη×+×××××=2732027310004.22ntIKQe（取）99.0=ηInnI4104449902934.2215.0−×××××××2015-6-1622则InnI1044.499.0273100018.26×=××××××=41044.4×=IQn12水的消耗在标准状况下，水电解生成1米3氢及0.5米3氧，理论上需要在标准状况下，水电解生成1米氢及0.5米氧，理论上需要1000/22.4×18=805克水。氢和氧要带走一些水蒸气和水雾，因此实际耗水量要大一些。氢和氧带走的水份随温度和压力的不同约在25~50克/米3范围内。1米3氢及0.5米3氧带出的水份，平均为40~75克/米3，实际耗水量为845~880克。2015-6-1623一般的，近似认为生成1米3的氢气，耗水量为1000克（1升）。2．水电解制氢设备的构成本装置由电解槽、气液处理器、整流柜、整流变压器、控制柜、水箱、碱箱、加水泵等组成。二、水电解制氢设备制柜、水箱、碱箱、加水泵等组成。2.1电解槽电解槽为压滤式双极性结构，下部有进液管，上部有氢、氧出口管，直流电从正极框输入，从负极框输出。2.2气液处理器2015-6-1624本装置气液处理器为框架组合式，由氢、氧分离器、洗涤器、换热器、循环泵、碱液过滤器及阀门、管路、一次仪表、框架等组成。132.3整流装置整流装置由整流变压器、整流柜组成。供给电解槽所需直流电源。二、水电解制氢设备流电源。其使用方法,详见《可控硅整流装置使用说明书》。2.4控制柜包括上位机、可编程控制器、二次仪表、声光报警连锁及操作按钮、开关等。可实现装置各种参数的自动检测、调节、2015-6-1625实故障报警与连锁、自动开机与停机等功能。2.5计算机管理系统各参数的调节、显示、记录等功能,是控制部分的核心。2.6水箱水箱是圆筒形的立式容器。用于储存去离子水。二、水电解制氢设备水箱是圆筒形的立式容器。用于储存去离子水。2.7碱箱碱箱是圆筒形卧式容器，用于配制储存电解液。2.8加水泵供给装置所需的碱液或去离子水。2015-6-162614水电解制氢装置水电解制氢装置工艺流程、配套设备的结构原理1.水电解制氢装置的组成电解槽气液气液处理器控制柜选配脱氧干燥器触摸屏可视化控制软件制氢设备储罐减压分配装置反渗透水处理系统闭式冷却系统冷冻机整流装置储罐减压分配装置在线检测仪器仪表水箱碱箱加水泵152.工艺流程简介•2.1气体循环系统•2.2碱液循环系统•2.3气体排空（氮气置换）系统•2.4补水系统•2.5冷却系统•2.6辅助系统2.1气体系统供水供电电解应H2分离器H2冷却器O2H2除湿器H2用户供反应O2分离器2冷却器O2除湿器O2用户16气体循环系统（氢气循环系统和氧气循环系统）当电解槽接通直流电源，电解电流上升到一定数值时，电解槽内的水被电解成氢气和氧气。来自电解槽内各电解小室阴极侧的氢气和碱液借助循环泵的扬程和气体升力室阴极侧的氢气和碱液，借助循环泵的扬程和气体升力，进入氢分离洗涤器的分离段（制氢量≥80m3/h的先进入碱液换热器，然后进入分离器），在重力的作用下氢气和碱液分离。分离后的气体进入洗涤段，对气体进行冷却、洗涤和除雾，然后进入贮罐待用（对CNDQ型制氢装置，气体再经过干燥处理才进入贮罐）。制氢系统开车后，在未达到要求纯度以前的氢气可通过调2015-6-1631制氢系统开车后，在未达到要求纯度以前的氢气可通过调节阀后的气体放空阀放空，氢气纯度达到要求后才能被送到贮罐（或净化设备）。氧气分离过程基本相同。氧气放空或进入贮罐待用。2.2碱液循环系统17碱液循环系统电解液循环的目的在于向电极区域补充电解消耗的纯水，带走电解过程中产生的氢气、氧气和热量，增加电极区域带走电解过程中产生的氢气、氧气和热量，增加电极区域电解液的搅拌，减少浓差极化