دوران الهيدروجين والقلويات في عملية إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للماء في جهاز التحليل الكهربائي القلوي

في عملية إنتاج الهيدروجين باستخدام المحلل الكهربائي القلوي، كيفية جعل الجهاز يعمل بشكل مستقر، بالإضافة إلى جودة المحلل الكهربائي نفسه، حيث تعد كمية دوران الصودا الكاوية عاملاً مؤثراً مهماً أيضاً.

في اجتماع تبادل تكنولوجيا الإنتاج الآمن للجنة المهنية للهيدروجين التابعة لجمعية الغازات الصناعية الصينية مؤخراً، شارك هوانغ لي، رئيس برنامج تشغيل وصيانة الهيدروجين في التحليل الكهربائي للماء، خبرتنا في ضبط حجم دوران الهيدروجين والصودا الكاوية في عملية الاختبار والتشغيل والصيانة الفعلية.

فيما يلي الورقة الأصلية.

——————

في ظل استراتيجية الكربون المزدوج الوطنية، بدأت شركة Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd، المتخصصة في إنتاج الهيدروجين منذ 25 عامًا والتي كانت أول من انخرط في مجال طاقة الهيدروجين، في توسيع نطاق تطوير تكنولوجيا ومعدات الهيدروجين الأخضر، بما في ذلك تصميم قنوات خزانات التحليل الكهربائي، وتصنيع المعدات، وطلاء الأقطاب الكهربائية، بالإضافة إلى اختبار خزانات التحليل الكهربائي وتشغيلها وصيانتها.

واحدمبدأ عمل المحلل الكهربائي القلوي

عند تمرير تيار كهربائي مباشر عبر محلل كهربائي مملوء بمحلول إلكتروليتي، تتفاعل جزيئات الماء كيميائياً كهربائياً على الأقطاب الكهربائية وتتحلل إلى هيدروجين وأكسجين. ولتحسين موصلية المحلول الإلكتروليتي، يُستخدم عادةً محلول مائي بتركيز 30% من هيدروكسيد البوتاسيوم أو 25% من هيدروكسيد الصوديوم.

يتكون المحلل الكهربائي من عدة خلايا تحليل كهربائي. تتألف كل حجرة تحليل من مهبط، ومصعد، وغشاء، ومحلول إلكتروليتي. تتمثل الوظيفة الرئيسية للغشاء في منع نفاذ الغاز. يوجد في الجزء السفلي من المحلل الكهربائي مدخل ومخرج مشتركان، بينما يحتوي الجزء العلوي على قناة لتدفق خليط الغاز والسائل القلوي والأكسجيني القلوي. عند تمرير تيار مستمر بجهد معين، وعندما يتجاوز الجهد جهد التحلل النظري للماء (1.23 فولت) وجهد التعادل الحراري (1.48 فولت) قيمة معينة، يحدث تفاعل أكسدة-اختزال بين القطب الكهربائي والسطح الفاصل بين السائل والإلكترود، مما يؤدي إلى تحلل الماء إلى هيدروجين وأكسجين.

ثانياً: كيفية تدوير الصودا الكاوية

1️⃣ دورة مختلطة من الهيدروجين والأكسجين

في هذا النوع من التدوير، يدخل محلول الصودا الكاوية إلى مضخة تدوير الصودا الكاوية عبر أنبوب التوصيل الموجود أسفل فاصل الهيدروجين وفاصل الأكسجين، ثم يدخل إلى حجرتي الكاثود والأنود في المحلل الكهربائي بعد التبريد والترشيح. تتميز عملية التدوير المختلطة ببساطة التركيب، وقصر مدة العملية، وانخفاض التكلفة، كما تضمن تدوير كمية متساوية من محلول الصودا الكاوية إلى حجرتي الكاثود والأنود في المحلل الكهربائي. أما عيوبها، فتتمثل في أنها قد تؤثر على نقاء الهيدروجين والأكسجين، وقد تؤدي إلى اختلال مستوى فاصل الهيدروجين والأكسجين، مما قد يزيد من خطر اختلاطهما. وحاليًا، يُعد جانب الهيدروجين والأكسجين في دورة خلط الصودا الكاوية هو الأكثر شيوعًا.

2️⃣ دوران منفصل للهيدروجين والأكسجين الجانبي

يتطلب هذا النوع من التدوير مضختين لتدوير الصودا الكاوية، أي دورتين داخليتين. تمر الصودا الكاوية الموجودة في قاع فاصل الهيدروجين عبر مضخة تدوير جانب الهيدروجين، حيث تُبرد وتُرشح، ثم تدخل حجرة الكاثود في المحلل الكهربائي. أما الصودا الكاوية الموجودة في قاع فاصل الأكسجين فتمر عبر مضخة تدوير جانب الأكسجين، حيث تُبرد وتُرشح، ثم تدخل حجرة الأنود في المحلل الكهربائي. تتمثل ميزة التدوير المستقل للصودا الكاوية في أن الهيدروجين والأكسجين الناتجين عن التحليل الكهربائي يتميزان بنقاء عالٍ، مما يجنب خطر اختلاط الهيدروجين والأكسجين في فاصل الهيدروجين. أما عيبه فيكمن في تعقيد هيكله وعمليته وارتفاع تكلفته، بالإضافة إلى ضرورة ضمان ثبات معدل التدفق والضغط والطاقة وغيرها من معايير المضخات على كلا الجانبين، مما يزيد من تعقيد التشغيل، ويفرض ضرورة التحكم في استقرار كلا جانبي النظام.

ثلاثة: تأثير معدل تدفق الصودا الكاوية المتداولة على إنتاج الهيدروجين بواسطة الماء المُحلل كهربائياً وظروف تشغيل المحلل الكهربائي

1️⃣ دوران مفرط للصودا الكاوية

(1) التأثير على نقاء الهيدروجين والأكسجين

نظرًا لذوبان الهيدروجين والأكسجين في محلول الصودا الكاوية، فإن حجم الدوران يكون كبيرًا جدًا، مما يؤدي إلى زيادة كمية الهيدروجين والأكسجين المذابين ودخولهما إلى كل حجرة مع محلول الصودا الكاوية، الأمر الذي يُقلل من نقاء الهيدروجين والأكسجين عند مخرج المحلل الكهربائي. كما أن حجم الدوران الكبير جدًا يُقصر زمن احتجاز الهيدروجين والأكسجين في فاصل السائل، مما يؤدي إلى إعادة الغاز غير المفصول تمامًا إلى داخل المحلل الكهربائي مع محلول الصودا الكاوية، الأمر الذي يؤثر سلبًا على كفاءة التفاعل الكهروكيميائي للمحلل الكهربائي ونقاء الهيدروجين والأكسجين. وبالتالي، يؤثر ذلك على قدرة معدات تنقية الهيدروجين والأكسجين على إزالة الهيدروجين والأكسجين، مما ينتج عنه ضعف في عملية تنقية الهيدروجين والأكسجين، وبالتالي يؤثر على جودة المنتجات.

(2) التأثير على درجة حرارة الخزان

في ظل شرط بقاء درجة حرارة مخرج مبرد القلوي دون تغيير، فإن تدفق القلوي الزائد سيسحب المزيد من الحرارة من المحلل الكهربائي، مما يؤدي إلى انخفاض درجة حرارة الخزان وزيادة الطاقة.

(3) التأثير على التيار والجهد

يؤثر التدفق المفرط للصودا الكاوية على استقرار التيار والجهد. كما يعيق التدفق المفرط للسائل التذبذب الطبيعي للتيار والجهد، مما يؤدي إلى صعوبة استقرارهما، وبالتالي حدوث تقلبات في حالة تشغيل خزانة المقوم والمحول، مما يؤثر على إنتاج الهيدروجين وجودته.

(4) زيادة استهلاك الطاقة

قد يؤدي الإفراط في تدوير محلول الصودا الكاوية إلى زيادة استهلاك الطاقة، وارتفاع تكاليف التشغيل، وانخفاض كفاءة النظام. ويعود ذلك بشكل رئيسي إلى زيادة استهلاك الطاقة في نظام تدوير مياه التبريد الداخلي والخارجي، بالإضافة إلى زيادة أحمال مياه التبريد، مما يؤدي إلى زيادة استهلاك الطاقة الإجمالية.

(5) التسبب في تعطل المعدات

يؤدي دوران الصودا الكاوية المفرط إلى زيادة الحمل على مضخة دوران الصودا الكاوية، وهو ما يتوافق مع زيادة معدل التدفق وتقلبات الضغط ودرجة الحرارة في المحلل الكهربائي، مما يؤثر بدوره على الأقطاب الكهربائية والأغشية والحشيات داخل المحلل الكهربائي، الأمر الذي قد يؤدي إلى أعطال أو تلف في المعدات، وزيادة في عبء العمل للصيانة والإصلاح.

2️⃣ دوران الصودا الكاوية ضعيف للغاية

(1) التأثير على درجة حرارة الخزان

عندما يكون حجم محلول الصودا الكاوية المتداول غير كافٍ، لا يمكن تبديد الحرارة من المحلل الكهربائي في الوقت المناسب، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة. وتؤدي درجة الحرارة المرتفعة إلى زيادة ضغط بخار الماء المشبع في الطور الغازي، وبالتالي زيادة محتوى الماء. وإذا لم يتم تكثيف الماء بشكل كافٍ، فسيزيد ذلك من عبء نظام التنقية ويؤثر على كفاءة التنقية، كما سيؤثر على فعالية وعمر كل من المحفز والمادة الماصة.

(2) التأثير على عمر الحجاب الحاجز

يؤدي التعرض المستمر لدرجات حرارة عالية إلى تسريع تلف غشاء التحليل الكهربائي، مما يُضعف أدائه أو حتى يُسبب تمزقه، كما يُسهل حدوث تسرب متبادل بين الهيدروجين والأكسجين على جانبي الغشاء، مما يؤثر على نقاء كليهما. وعندما يقترب التسرب المتبادل من الحد الأدنى للانفجار، يزداد احتمال حدوث خطر كبير على المحلل الكهربائي. في الوقت نفسه، تُسبب درجات الحرارة العالية المستمرة تلفًا في حشية منع التسرب، مما يُقصر عمرها الافتراضي.

(3) التأثير على الأقطاب الكهربائية

إذا كانت كمية الصودا الكاوية المتداولة صغيرة جدًا، فلن يتمكن الغاز الناتج من مغادرة المركز النشط للإلكترود بسرعة، مما يؤثر على كفاءة التحليل الكهربائي؛ وإذا لم يتمكن الإلكترود من الاتصال الكامل بالصودا الكاوية لإجراء التفاعل الكهروكيميائي، فسيحدث خلل في التفريغ الجزئي واحتراق جاف، مما يؤدي إلى تسريع تساقط المحفز على الإلكترود.

(4) التأثير على جهد الخلية

إن كمية الصودا الكاوية المتداولة صغيرة جدًا، لأن فقاعات الهيدروجين والأكسجين المتولدة في المركز النشط للإلكترود لا يمكن إزالتها في الوقت المناسب، وتزداد كمية الغازات المذابة في الإلكتروليت، مما يتسبب في زيادة جهد الحجرة الصغيرة وارتفاع استهلاك الطاقة.

أربع طرق لتحديد معدل تدفق دوران الصودا الكاوية الأمثل

لحل المشاكل المذكورة أعلاه، من الضروري اتخاذ التدابير المناسبة، مثل الفحص المنتظم لنظام دوران الصودا الكاوية لضمان تشغيله بشكل طبيعي؛ والحفاظ على ظروف تبديد حرارة جيدة حول المحلل الكهربائي؛ وضبط معايير تشغيل المحلل الكهربائي، إذا لزم الأمر، لتجنب حدوث حجم كبير جدًا أو صغير جدًا من دوران الصودا الكاوية.

يجب تحديد معدل تدفق دوران القلوي الأمثل بناءً على معايير فنية محددة للمحلل الكهربائي، مثل حجم المحلل الكهربائي، وعدد الحجرات، وضغط التشغيل، ودرجة حرارة التفاعل، وتوليد الحرارة، وتركيز القلوي، ومبرد القلوي، وفاصل الهيدروجين والأكسجين، وكثافة التيار، ونقاء الغاز، ومتطلبات أخرى، ومتانة المعدات والأنابيب، وعوامل أخرى.

الأبعاد والمواصفات الفنية:

الأبعاد: 4800 × 2240 × 2281 مم

الوزن الإجمالي 40700 كجم

حجم الحجرة الفعال 1830، عدد الحجرات 238

كثافة تيار المحلل الكهربائي 5000 أمبير/م²

ضغط التشغيل 1.6 ميجا باسكال

درجة حرارة التفاعل 90 درجة مئوية ± 5 درجة مئوية

حجم الهيدروجين الناتج من مجموعة واحدة من المحلل الكهربائي 1300 متر مكعب قياسي/ساعة

إنتاج الأكسجين 650 متر مكعب/ساعة

تيار مستمر n13100A، جهد مستمر 480 فولت

مبرد الصودا الكاوية Φ700x4244 مم

مساحة التبادل الحراري 88.2 متر مربع

فاصل الهيدروجين والأكسجين Φ1300x3916 مم

فاصل الأكسجين Φ1300x3916 مم

تركيز محلول هيدروكسيد البوتاسيوم 30%

قيمة مقاومة الماء النقي > 5 ميجا أوم·سم

العلاقة بين محلول هيدروكسيد البوتاسيوم والمحلل الكهربائي:

يُحوّل الماء النقي إلى موصل للكهرباء، ويُستخرج منه الهيدروجين والأكسجين، ويُزال منه الحرارة. يُستخدم تدفق ماء التبريد للتحكم في درجة حرارة محلول الصودا الكاوية، مما يُحافظ على استقرار درجة حرارة تفاعل المحلل الكهربائي. كما تُستخدم الحرارة المتولدة من المحلل الكهربائي وتدفق ماء التبريد لتحقيق التوازن الحراري للنظام، وذلك للوصول إلى أفضل ظروف التشغيل وأكثر معايير التشغيل توفيرًا للطاقة.

بناءً على العمليات الفعلية:

التحكم في حجم دوران محلول الصودا الكاوية عند 60 متر مكعب/ساعة،

يبدأ تدفق مياه التبريد عند حوالي 95%،

يتم ضبط درجة حرارة تفاعل المحلل الكهربائي عند 90 درجة مئوية عند الحمل الكامل،

يبلغ استهلاك الطاقة الأمثل لمحلل الكهرباء بالتيار المستمر 4.56 كيلوواط ساعة / متر مكعب قياسي من الهيدروجين.

خمسةملخص

باختصار، يُعدّ حجم دوران محلول الصودا الكاوية عاملاً هاماً في عملية إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للماء، ويرتبط بنقاء الغاز، وجهد غرفة التحليل، ودرجة حرارة المحلل الكهربائي، وغيرها من العوامل. يُنصح بالتحكم في حجم الدوران بمعدل 2 إلى 4 مرات في الساعة/الدقيقة لاستبدال محلول الصودا الكاوية في الخزان. يضمن التحكم الفعال في حجم دوران محلول الصودا الكاوية التشغيل المستقر والآمن لمعدات إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للماء لفترة طويلة.

في عملية إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء في المحلل الكهربائي القلوي، يعد تحسين معلمات ظروف التشغيل وتصميم قناة المحلل الكهربائي، بالإضافة إلى اختيار مادة القطب الكهربائي ومادة الحجاب الحاجز، هو المفتاح لزيادة التيار وتقليل جهد الخزان وتوفير استهلاك الطاقة.

--اتصل بنا--

الهاتف: +86 028 6259 0080

فاكس: +86 028 6259 0100

E-mail: tech@allygas.com