دورة الهيدروجين والقلويات في عملية إنتاج الهيدروجين باستخدام التحليل الكهربائي للماء باستخدام المحلل الكهربائي القلوي

في عملية إنتاج الهيدروجين بواسطة المحلل الكهربائي القلوي، كيفية جعل الجهاز يعمل بشكل مستقر، بالإضافة إلى جودة المحلل الكهربائي نفسه، حيث أن كمية دوران الغسول للإعداد هي أيضًا عامل تأثير مهم.

في الآونة الأخيرة، في اجتماع تبادل تكنولوجيا الإنتاج الآمن للجنة المهنية للهيدروجين التابعة لجمعية الغازات الصناعية الصينية، شارك هوانغ لي، رئيس برنامج تشغيل وصيانة الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للماء، تجربتنا في تحديد حجم دورة الهيدروجين والغسول في الاختبار الفعلي وعملية التشغيل والصيانة.

وفيما يلي الورقة الأصلية:

——————

في ظل استراتيجية الكربون المزدوج الوطنية، بدأت شركة Ally Hydrogen Energy Technology المحدودة، المتخصصة في إنتاج الهيدروجين منذ 25 عامًا وكانت أول من دخل مجال طاقة الهيدروجين، في توسيع نطاق تطوير تكنولوجيا الهيدروجين الأخضر والمعدات، بما في ذلك تصميم مشغلي خزان التحليل الكهربائي، وتصنيع المعدات، وطلاء الأقطاب الكهربائية، بالإضافة إلى اختبار خزان التحليل الكهربائي وتشغيله وصيانته.

واحدمبدأ عمل المحلل الكهربائي القلوي

بتمرير تيار مستمر عبر مُحلِّل كهربائي مملوء بالإلكتروليت، تتفاعل جزيئات الماء كهروكيميائيًا على الأقطاب الكهربائية وتتحلل إلى هيدروجين وأكسجين. لتعزيز موصلية الإلكتروليت، يكون الإلكتروليت العام محلولًا مائيًا بتركيز 30% من هيدروكسيد البوتاسيوم أو 25% من هيدروكسيد الصوديوم.

يتكون المُحلِّل الكهربائي من عدة خلايا كهربائية. تتكون كل غرفة تحليل كهربائي من مهبط (كاثود)، وأنود (أنود)، وحجاب (غشاء)، وإلكتروليت. الوظيفة الرئيسية للحجاب هي منع نفاذ الغاز. يوجد في الجزء السفلي من المُحلِّل الكهربائي مدخل ومخرج مشتركان، بينما يتكون الجزء العلوي من قناة تدفق خليط غاز-سائل من قلوي وأكسجين-قلوي. عند مروره عبر تيار مستمر بجهد مُحدد، عندما يتجاوز الجهد جهد التحلل النظري للماء (1.23 فولت) وجهد المحايد الحراري (1.48 فولت) فوق قيمة مُحددة، يحدث تفاعل أكسدة-اختزال بين القطب والسطح السائل، ويتحلل الماء إلى هيدروجين وأكسجين.

اثنان كيف يتم تداول الغسول

1️⃣دورة الغسول المختلطة الجانبية للهيدروجين والأكسجين

في هذا النوع من الدوران، يدخل الغسول إلى مضخة دوران الغسول عبر أنبوب التوصيل الموجود أسفل فاصل الهيدروجين وفاصل الأكسجين، ثم يدخل إلى غرفتي الكاثود والأنود في المُحلِّل الكهربائي بعد التبريد والترشيح. يتميز الدوران المختلط ببساطته، وسرعة معالجته، وانخفاض تكلفته، كما يضمن نفس حجم دوران الغسول في غرفتي الكاثود والأنود في المُحلِّل الكهربائي؛ إلا أنه قد يؤثر على نقاء الهيدروجين والأكسجين، ويؤدي إلى اختلال مستوى فاصل الهيدروجين والأكسجين، مما قد يزيد من خطر اختلاطهما. يُعدّ جانب الهيدروجين والأكسجين من دورة خلط الغسول حاليًا العملية الأكثر شيوعًا.

2️⃣دورة منفصلة لجانب الهيدروجين والأكسجين من الغسول

يتطلب هذا النوع من الدوران مضختين لدوران الغسول، أي دورتين داخليتين. يمر الغسول الموجود في أسفل فاصل الهيدروجين عبر مضخة الدوران الخاصة بالهيدروجين، ويُبرّد ويُرشّح، ثم يدخل حجرة الكاثود في المُحلّل الكهربائي؛ ويمر الغسول الموجود في أسفل فاصل الأكسجين عبر مضخة الدوران الخاصة بالأوكسجين، ويُبرّد ويُرشّح، ثم يدخل حجرة الأنود في المُحلّل الكهربائي. تكمن ميزة الدوران المستقل للغسول في أن الهيدروجين والأكسجين الناتجين عن التحليل الكهربائي يتمتعان بنقاء عالٍ، مما يُجنّب خطر اختلاط الهيدروجين والأكسجين في فاصل الهيدروجين والأكسجين. أما عيبه فهو تعقيد البنية والعملية وارتفاع تكلفتهما، بالإضافة إلى ضرورة ضمان اتساق معدل التدفق، والضغط، والطاقة، وغيرها من معلمات المضخات على كلا الجانبين، مما يزيد من تعقيد العملية، ويفرض ضرورة التحكم في استقرار كلا جانبي النظام.

ثلاثة تأثير معدل تدفق الغسول المتداول على إنتاج الهيدروجين بواسطة الماء الكهربائي وظروف عمل المحلل الكهربائي

1️⃣التداول المفرط للغسول

(1) التأثير على نقاء الهيدروجين والأكسجين

نظرًا لأن الهيدروجين والأكسجين لهما قابلية ذوبان معينة في الغسول ، فإن حجم الدورة كبير جدًا بحيث تزداد الكمية الإجمالية للهيدروجين والأكسجين المذاب ويدخل إلى كل غرفة مع الغسول ، مما يتسبب في تقليل نقاء الهيدروجين والأكسجين في مخرج المحلل الكهربائي ؛ حجم الدورة كبير جدًا بحيث يكون وقت الاحتفاظ بفاصل السائل الهيدروجيني والأكسجين قصيرًا جدًا ، ويتم إرجاع الغاز الذي لم يتم فصله تمامًا إلى داخل المحلل الكهربائي مع الغسول ، مما يؤثر على كفاءة التفاعل الكهروكيميائي للمحلل الكهربائي ونقاء الهيدروجين والأكسجين ، وسيؤثر ذلك أيضًا على كفاءة التفاعل الكهروكيميائي في المحلل الكهربائي ونقاء الهيدروجين والأكسجين ، ويؤثر أيضًا على قدرة معدات تنقية الهيدروجين والأكسجين على إزالة الهيدروجين وإزالة الأكسجين ، مما يؤدي إلى ضعف تأثير تنقية الهيدروجين والأكسجين والتأثير على جودة المنتجات.

(2) التأثير على درجة حرارة الخزان

في حالة بقاء درجة حرارة مخرج مبرد الغسول دون تغيير، فإن تدفق الغسول الزائد سيؤدي إلى إزالة المزيد من الحرارة من المحلل الكهربائي، مما يتسبب في انخفاض درجة حرارة الخزان وزيادة الطاقة.

(3) التأثير على التيار والجهد

يؤثر التدفق المفرط للقلويات على استقرار التيار والجهد. كما أن التدفق المفرط للسائل سيؤثر على التقلبات الطبيعية للتيار والجهد، مما يصعب استقرارهما، ويؤدي إلى تقلبات في حالة عمل خزانة المقوم والمحول، وبالتالي يؤثر على إنتاج وجودة الهيدروجين.

(4) زيادة استهلاك الطاقة

يمكن أن يؤدي الإفراط في دوران الغسول إلى زيادة استهلاك الطاقة، وزيادة تكاليف التشغيل، وانخفاض كفاءة النظام. ويعود ذلك أساسًا إلى زيادة نظام الدورة الداخلية لمياه التبريد المساعدة، وأنظمة الرش والمراوح ذات الدورة الخارجية، وحمل الماء المبرد، وما إلى ذلك، مما يؤدي إلى زيادة استهلاك الطاقة، وبالتالي زيادة إجمالي استهلاك الطاقة.

(5) يسبب فشل المعدات

يؤدي دوران الغسول المفرط إلى زيادة الحمل على مضخة دوران الغسول، مما يتوافق مع زيادة معدل التدفق وتقلبات الضغط ودرجة الحرارة في المحلل الكهربائي، مما يؤثر بدوره على الأقطاب الكهربائية والأغشية والحشيات داخل المحلل الكهربائي، مما قد يؤدي إلى حدوث عطل في المعدات أو تلفها، وزيادة عبء العمل للصيانة والإصلاح.

2️⃣دورة الغسول صغيرة جدًا

(1) التأثير على درجة حرارة الخزان

عندما يكون حجم الغسول المتداول غير كافٍ، لا يمكن إزالة الحرارة من المُحلِّل الكهربائي في الوقت المناسب، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة. تؤدي بيئة درجة الحرارة العالية إلى ارتفاع ضغط بخار الماء المشبع في الطور الغازي وزيادة محتوى الماء. إذا لم يتم تكثيف الماء بشكل كافٍ، فسيزيد ذلك من عبء نظام التنقية ويؤثر على فعالية التنقية، كما سيؤثر على فعالية وعمر المحفز والممتز.

(2) التأثير على عمر الحجاب الحاجز

سيؤدي ارتفاع درجة الحرارة المستمر إلى تسريع شيخوخة الغشاء، مما يؤدي إلى انخفاض أدائه أو حتى تمزقه، مما قد يؤدي بسهولة إلى نفاذية متبادلة للهيدروجين والأكسجين على جانبي الغشاء، مما يؤثر على نقاء الهيدروجين والأكسجين. عند اقتراب التسرب المتبادل من الحد الأدنى، يزداد احتمال انفجار المحلل الكهربائي بشكل كبير. في الوقت نفسه، سيؤدي ارتفاع درجة الحرارة المستمر إلى تلف حشية الختم بسبب التسرب، مما يقلل من عمرها الافتراضي.

(3) التأثير على الأقطاب الكهربائية

إذا كانت الكمية المتداولة من الغسول صغيرة جدًا، فإن الغاز الناتج لا يستطيع مغادرة المركز النشط للقطب الكهربائي بسرعة، ويتأثر كفاءة التحليل الكهربائي؛ إذا لم يتمكن القطب من الاتصال الكامل بالغسول لإجراء التفاعل الكهروكيميائي، فسوف يحدث خلل في التفريغ الجزئي والحرق الجاف، مما يؤدي إلى تسريع تساقط المحفز على القطب الكهربائي.

(4) التأثير على جهد الخلية

كمية الغسول المتداولة صغيرة جدًا، لأن فقاعات الهيدروجين والأكسجين المتولدة في المركز النشط للقطب الكهربائي لا يمكن إزالتها بمرور الوقت، وتزداد كمية الغازات المذابة في الإلكتروليت، مما يتسبب في زيادة جهد الغرفة الصغيرة وزيادة استهلاك الطاقة.

أربع طرق لتحديد معدل تدفق دورة الغسول الأمثل

لحل المشاكل المذكورة أعلاه، من الضروري اتخاذ التدابير المناسبة، مثل التحقق بانتظام من نظام تداول الغسول لضمان تشغيله الطبيعي؛ والحفاظ على ظروف تبديد الحرارة الجيدة حول المحلل الكهربائي؛ وضبط معلمات تشغيل المحلل الكهربائي، إذا لزم الأمر، من أجل تجنب حدوث حجم كبير جدًا أو صغير جدًا من تداول الغسول.

يجب تحديد معدل تدفق دورة الغسول الأمثل بناءً على المعايير التقنية الخاصة بالمحلل الكهربائي، مثل حجم المحلل الكهربائي، وعدد الغرف، وضغط التشغيل، ودرجة حرارة التفاعل، وتوليد الحرارة، وتركيز الغسول، ومبرد الغسول، وفاصل الهيدروجين والأكسجين، وكثافة التيار، ونقاء الغاز والمتطلبات الأخرى، ومتانة المعدات والأنابيب وعوامل أخرى.

المعايير الفنية الأبعاد:

المقاسات 4800x2240x2281 مم

الوزن الإجمالي 40700 كجم

حجم الغرفة الفعال 1830، عدد الغرف 238

كثافة تيار المحلل الكهربائي 5000 أمبير/م²

ضغط التشغيل 1.6 ميجا باسكال

درجة حرارة التفاعل 90 درجة مئوية ± 5 درجة مئوية

مجموعة واحدة من منتج المحلل الكهربائي حجم الهيدروجين 1300 نيوتن متر مكعب/ساعة

المنتج الأكسجين 650 نيوتن متر مكعب/ساعة

تيار مستمر n13100A، جهد تيار مستمر 480 فولت

مبرد الغسول Φ700x4244 مم

مساحة التبادل الحراري 88.2 متر مربع

فاصل الهيدروجين والأكسجين Φ1300x3916mm

فاصل الأكسجين Φ1300x3916mm

محلول هيدروكسيد البوتاسيوم تركيز 30%

قيمة مقاومة الماء النقي >5MΩ·cm

العلاقة بين محلول هيدروكسيد البوتاسيوم والمحلل الكهربائي:

يُحوّل الماء النقي إلى موصل للكهرباء، ويُخرج الهيدروجين والأكسجين، ويُزيل الحرارة. يُستخدم تدفق مياه التبريد للتحكم في درجة حرارة الغسول، مما يضمن استقرارًا نسبيًا في درجة حرارة تفاعل المُحلِّل الكهربائي، ويُوظَّف توليد الحرارة من المُحلِّل الكهربائي وتدفق مياه التبريد لموازنة التوازن الحراري للنظام، لتحقيق أفضل ظروف تشغيل وأكثر معايير توفيرًا للطاقة.

استنادا إلى العمليات الفعلية:

التحكم في حجم دوران الغسول بمعدل 60 م³/ساعة،

يفتح تدفق مياه التبريد عند حوالي 95٪،

يتم التحكم في درجة حرارة تفاعل المحلل الكهربائي عند 90 درجة مئوية عند التحميل الكامل،

الحالة المثلى لاستهلاك طاقة التيار المستمر للمحلل الكهربائي هي 4.56 كيلووات ساعة/نيوتن متر مكعب من الماء₂.

خمسةتلخيص

باختصار، يُعد حجم دوران الغسول معيارًا مهمًا في عملية إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للماء، ويرتبط بنقاء الغاز، وجهد الغرفة، ودرجة حرارة المُحلل الكهربائي، وغيرها من المعايير. يُنصح بالتحكم في حجم الدوران بمعدل 2-4 مرات/ساعة/دقيقة من استبدال الغسول في الخزان. يضمن التحكم الفعال في حجم دوران الغسول التشغيل المستقر والآمن لمعدات إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للماء لفترة طويلة.

في عملية إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء في المحلل الكهربائي القلوي، فإن تحسين معلمات حالة العمل وتصميم مشغل المحلل الكهربائي، جنبًا إلى جنب مع اختيار مادة القطب ومادة الحجاب الحاجز هي المفتاح لزيادة التيار وتقليل جهد الخزان وتوفير استهلاك الطاقة.

--اتصل بنا--

الهاتف: +86 028 6259 0080

الفاكس: +86 028 6259 0100

E-mail: tech@allygas.com