水电解制氢原理

电解水方法制氢原理、运行、维护、安全简介：在工业上通常采用如下几种方法制取氢气：一是将水蒸气通过灼热的焦炭（称为碳还原法），得到纯度为75%左右的氢气；二是将水蒸气通过灼热的铁，得到纯度在97%以下的氢气；三是由水煤气中提取氢气，得到的氢气纯度也较低；第四种方法就是电解水法，制得的氢气纯度可高达99%以上，这是工业上制备氢气的一种重要方法。在电解氢氧化钠（钾）溶液时，阳极上放出氧气，阴极上放出氢气。电解氯化钠水溶液制造氢氧化钠时，也可得到氢气。对用于冷却发电机的氢气的纯度要求较高，因此，都是采用电解水的方法制得。本资料就介绍一下点解水（注意不是纯水啊）制氢的原理、运行、维护、安全。目录：第一节概述一、制氢系统设备概况二、氢爆的基本概念三、氢气湿度四、氢气温度五、氢气的压力第二节电解水制氢的原理一、氢气的工业制法二、电解水制氢原理三、电解电压四、制氢设备的制氢量衡算和电能消耗第三节制氢装置一、制氢系统简介二、电解槽第四节制氢设备的运行与维护一、制氢设备的正常运行和维护二、制氢设备的检修三、制氢设备常见异常及其处理第五节制氢站的安全管理一、建筑与环境二、氢站的配电和照明三、储氢装置的安全措施四、制氢站的维修及管理第一节概述制氢装置和贮存系统为发电机提供氢气冷却系统所需的氢气，其纯度和湿度应满足发电机氢气冷却系统的要求。电厂二期工程要在原已有基础上扩建并有一部分设备要与原设备接口。因此，要保证一期工程设备安全、正常运行情况下顺利安装和调试二期设备。一、制氢系统设备概况二期设备为一套完备的制氢工艺装置以及氢气贮存和分配系统。包括氢发生处理器（含电解槽、框架一、干燥装置、碱液泵）、框架二、框架三（含除盐水箱、碱液箱、注水泵）、氢气贮罐、压缩空气贮罐、除盐水闭式冷却装置以及系统内的电气及控制设备、管道、阀门和仪表等。表8－1给出了二期制氢设备清单。表8－1二期制氢设备清单序号设备名称型号或协议单位数量产地1氢发生器,每套包括：DQ-10/3.2套1邯郸1.1电解槽10Nm3/h台/套1邯郸1.2框架（气液处理器）10Nm3/h台/套1邯郸1.3纯化干燥装置10Nm3/h台/套1邯郸2框架二KII22台1邯郸3框架三,包括：套1邯郸3.1碱液箱219L台/套1邯郸3.2水箱219L台/套1邯郸3.3补水泵JZ200/40台/套1邯郸4氢气贮罐13.9m3台2邯郸5氢气排水水封SF-00台1邯郸6压缩空气贮罐5.0m3台1邯郸8除盐水冷却设备CLZ-100套1邯郸9可控硅整流柜KSZ-WJ1000/72台1保定10MCC柜GCS台1邯郸11控制柜W3台1邯郸12微量水分析仪(露点仪）DS1000台1英国Alpha13氧中氢分析仪GPR-25MO台1美国Adv14氢中氧分析仪GPR-25台1美国Adv15氢气报警仪NA1000D台1美国锡麟16便携精密露点仪DM70台1芬兰维萨拉17便携氢气报警仪TIF8800A台1美国TIF18砾石阻火器DN80台1邯郸19丝网阻火器DN15台2邯郸20上位机（含控制台）P42.4G，VP211液晶台1台湾研华21监控软件Citech256点套122制氢站内工艺管道、阀门、电缆套123电气转换器台3西安仪表厂1.设备要求1.1整套设备为组装单元式，单元范围包括所有设备、阀门、管件、支吊架。同时应提供各单元间的连接管道。1.2电解槽连续、间断均可运行。槽体为碳钢镀镍材质，压缩空气贮罐，氢气贮罐为合金钢，其余设备均为不锈钢材质（1Cr18Ni9Ti）。1.3氢气贮罐能耐-19℃的低温。1.4所有管路阀门均为不锈钢材质（1Cr18Ni9Ti），气管路及碱液管路的阀门和其它参与程控的阀门均采用进口产品。1.5到汽机房氢气管应设置二个接口，框架二上还应设置备用氢气接口。1.6所有设备在额定条件下应能保证安全运行,电解槽大修周期不少于10年。2.主要设备性能与参数2.1电解槽主要技术参数：（安装在氢发生器）2.1.1氢气产量：10Nm3/h(产氢气量连续可调范围为额定出力的50～100%)。2.1.2氧气产量：5Nm3/h2.1.3氢气纯度：≥99.9%2.1.4氧气纯度：≥99.3%2.1.5氢气湿度：＜4mg/m32.1.6电解槽额定工作压力：3.2MPa2.1.7电解槽工作温度：＜90℃2.1.8电解槽额定工作电流：740A2.1.9电解槽电解小室工作压力：～2V2.1.10电解槽单位产氢量直流电耗：4.6kW.h/Nm32.1.11氢氧分离器液位差：±5mm2.2氢发生处理器：数量：1套；结构形式：组装框架式，框架材料为碳钢；氢气处理量：10NmЗ/h；出口氢气含湿量：露点—55℃。其主要设备如下：2.2.1氢分离冷却器（卧式）：型号及规格：φ219×8×2035mm；材料：1Cr18Ni9Ti。2.2.2氧分离冷却器：型号及规格：φ219×8×2035mm；材料：1Cr18Ni9Ti。2.2.3氢洗涤器:材料：1Cr18Ni9Ti；规格：φ219×8。2.2.4碱液过滤器：材料：1Cr18Ni9Ti；规格：DN150。2.2.5碱液循环泵（卧式自冷却屏蔽电泵）：a、型号：BA74H-112H4BM-40-25-125；b、流量：1.5m3/h；c、耐压：4.0MPa；d、过流件材质：1Cr18Ni9Ti；e、生产商：大连耐腐屏蔽泵厂。2.2.6气水分离器：型号及规格：φ108×5mm；材料：1Cr18Ni9Ti。2.2.7丝网阻火器：型号及规格：DN15；材料：1Cr18Ni9Ti。2.2.8捕滴器：型号及规格：φ219×8；材料：1Cr18Ni9Ti。2.2.9排水器：型号及规格：φ108×5mm；材料：1Cr18Ni9Ti。2.3氢气干燥装置：操作方式为自动；再生方式采用电加热；工作压力为0.5～3.2MPa；产品气露点：≤-55℃；氢气处理量为10NmЗ/h；系统压力降为0.1MPa；材料为4A分子筛+催化脱氧触媒。2.4吸附纯化器：材质为12Cr1MoV，工作温度为室温，再生时间为6h，再生气体：原料气再生（无氢气排放），吸附材料为4A分子筛，冷却水耗量为0.5m3/h，产品氢温度≤40℃，电源为AC220V，2.2KW，防爆等级为一区防爆。2.5框架二：数量：1套；减压后压力为0.8～1.0MPa；该系统由管路、阀门、减压器、仪表等组成。输氢管路为2根DN25不锈钢管（一路工作，一路备用）。2.5.1压力调整器（进口压力4.0Mpa,出口压力调整范围为：0－1.6Mpa,氢气流量约：3.5m3/min）：数量为2台；材质为1Cr18Ni9Ti；由上海减压器厂制造的特制专用供氢减压器。2.6除盐水箱、碱液箱、柱塞泵（集成为框架三，便于安装，减少占地面积）2.6.1除盐水箱：数量为1台，材料为1Cr18Ni9Ti，容积为219L，工作介质为除盐水，外径为506mm，壁厚为3mm。2.6.2碱液箱：数量为1台，材料为1Cr18Ni9Ti，容积为219L，工作介质为26%～30%氢氧化钠，外径为506mm，壁厚为3mm。2.6.3柱塞泵（电解液输送泵）：数量为1台，型号为JZ200/40，过流部分材质为1Cr18Ni9Ti，流量为200L/h，配套电机为防爆型1.5KW（YB90L-4）。2.7供碱及再循环管道阀门：数量为1台，材料为1Cr18Ni9Ti。2.8氢气贮罐：数量为2台，材料为16MnR，设计压力为3.24MPa（工作压力为2.94MPa），设计温度为-19～+50℃（能耐－50℃的低温），容积：13.9m3。每只贮罐配带2只DN15、3只DN6进口阀门，安全阀1只，压力表一块，丝网阻火器1台。2.9压缩空气贮罐：数量为1台，材料为16MnR，设计压力为0.8MPa（工作压力为0.8MPa），设计温度为-19～+50℃，容积：5m3。贮罐配带国产DN20截止阀3只、DW14压力表截止阀1只，安全阀门1只，止回阀1只，压力表一块。二、氢爆的基本概念氢气的着火、燃烧和爆炸是氢气的主要特性。在常温下，氢气不怎么活泼，在明火引燃或在触媒剂作用下，才能和氧化合，所以氢气是一种极易燃烧的气体。氢氧焰的温度可达3400K。氢气燃烧爆炸性能见表8-2。氢气的着火温度虽不低，但它的着火能量很小。氢气和空气混合物的最小着火能量与氢气的纯度有关。当氢气纯度为30%时（体积含量），着火能量最小，仅为0.02mJ，见图8-1(a)。氢气的火焰传播速度很大（2.75m/s），灭火距离小（0.06cm）。氢气和空气混合物的灭火距离与氢气纯度有关，见图8-1（b）。表8-2氢气的燃烧、爆炸性能在空气中的燃烧范围（体积%）4.0~75.0最小着火能量（mJ）0.2在空气中的爆炸范围（体积%）18.0~59.0燃烧热（kJ/mol）68在氧气中的燃烧范围（体积%）4.65~94.0火焰温度（℃）2045在氧气中的爆炸范围（体积%）18.3~58.9灭火距离（cm）0.6在空气中的着火温度（℃）585火焰速度（cm/s）270在氧气中的着火温度（℃）560图8-1氢气-空气混合物的着火性能曲线(a)最小着火能量；(b)灭火距离氢气的燃烧和爆炸过程，从化学反应角度来讲，都是氢气和氧气化合生成水和释放能量的过程。它们之间的区别仅在于反应的速度不同。燃烧时，反应速度较慢而且稳定；爆炸时，反应速度极快而且产生具有破坏性的冲击波。燃烧包含着两个紧密的环节，即反应的诱发（点火）和燃烧；爆炸现象尽管是在短时间内完成，却包含着诱发、燃烧和爆炸三个环节。氢爆发生的条件是：（1）氢气在空气中的体积含量为4%~75%或在氧气中的体积含量为4.65%~94.0%。（2）含氢的混合气体置于密闭的容器中。（3）有明火触发纯氢着火。综上所述，当一定空间内空气（或氧气）中氢气含量处于爆炸上、下限之间时，一遇明火，局部首先着火，并放出大量的热量，使生成的水蒸气的体积膨胀，压力急剧增大形成冲击波，即形成爆炸现象。可见，氢冷系统中保持氢气高纯度，是防止氢爆的首要措施。三、氢气湿度1、湿度对氢冷发电机运行的影响氢冷发电机中的氢气是冷却发电机线圈和铁芯的重要介质，1991年9月电力部制定了《关于大型汽轮发电机降低氢气湿度和防止机内进油的若干措施》，其中明确要求机内氢气混合物的绝对湿度不得超过10g/m3，有条件的机组可不超过4g/m3。湿度超过规定值的主要危害有：（1）使机内氢气纯度降低，导致通风损耗增加和机组效率降低。（2）容易造成发电机绝缘击穿事故。（3）使转子护环产生腐蚀裂纹。为确保护环安全，要求护环周围环境的相对湿度在50%以下。2、氢气湿度偏高的原因（1）制氢站输送来的氢气湿度超过规定值。（2）气体冷却器漏水。对于水-氢-氢式或水-水-氢式发电机，有可能是定子绕组、转子绕组的直接冷却系统漏凝结水。（3）氢侧回油量大。如果油中含水量大，则从密封瓦的回油中出来的水蒸气使机壳内氢气湿度偏高。（4）真空泵运行不正常。装有单流环式密封瓦的氢外冷机组，其净油设备的真空泵运行不正常，油中水分处理不干净，造成机壳内氢气湿度增大。3、除湿设备（1）循环干燥器。循环干燥器由气体进出口接管、过滤网、水位计和放水阀门等组成。见图8-2。过滤网中放干燥剂。干燥剂有两种：①硅胶（mSiO2·nH2O）。硅胶又名氧化硅胶和硅酸凝胶，为透明或乳白色颗粒。在氢冷发电机中，一般采用在饱和氯化钙溶剂中浸过，并在200~250℃时干燥了的粗孔硅胶作干燥剂。利用硅胶进行吸附干燥的过程属于物理吸附。一般商售硅胶约含水分3%~7%，吸湿量能达40%左右。②氯化钙（CaCl2·6H2O）。氯化钙为无色六角晶体，有苦咸味和潮解性，其熔点为29.92℃，加热时先失去四分子水而成二水物。它是一种白色、多孔、有吸湿性的物质，加热至200℃时失去全部水分而成为吸湿性强的无水物CaCl2。采用无水CaCl2进行的吸附干燥过程属于化学吸附，它能够吸收气体里的水蒸气，并在CaCl2晶体表面逐渐形成溶液，这种现象在化学里称为潮解。CaCl2吸水溶解后，其溶液流在干燥器的底板上，所以要求每隔6~8h定期打开放水