Der ElektrolytWasserstoffDie Produktionseinheit umfasst eine komplette WasserelektrolyseanlageWasserstoffProduktionsausrüstung, wobei die Hauptausrüstung Folgendes umfasst:
1. Elektrolysezelle
2. Gas-Flüssigkeits-Trennvorrichtung
3. Trocknungs- und Reinigungssystem
4. Der elektrische Teil umfasst: Transformator, Gleichrichterschrank, SPS-Steuerschrank, Instrumentenschrank, Verteilerschrank, oberen Computer usw.
5. Das Hilfssystem umfasst hauptsächlich: Alkalilösungstank, Rohmaterialwassertank, Ergänzungswasserpumpe, Stickstoffflasche/Sammelschiene usw./ 6. Das gesamte Hilfssystem der Ausrüstung umfasst: Reinwassermaschine, Kühlturm, Kühler, Luftkompressor usw.
Wasserstoff- und Sauerstoffkühler, und das Wasser wird von einer Tropffalle gesammelt, bevor es unter der Kontrolle des Steuerungssystems ausgesandt wird; Der Elektrolyt durchläuftWasserstoffund Sauerstoff-Alkali-Filter, Wasserstoff- und Sauerstoff-Alkali-Kühler jeweils unter der Wirkung der Umwälzpumpe, und kehrt dann zur Elektrolysezelle für die weitere Elektrolyse zurück.
Der Druck des Systems wird durch das Druckregelsystem und das Differenzdruckregelsystem geregelt, um die Anforderungen der nachgelagerten Prozesse und der Lagerung zu erfüllen.
Der durch Wasserelektrolyse erzeugte Wasserstoff zeichnet sich durch hohe Reinheit und geringe Verunreinigungen aus. Üblicherweise bestehen die Verunreinigungen im durch Wasserelektrolyse erzeugten Wasserstoffgas nur aus Sauerstoff und Wasser, ohne weitere Bestandteile (wodurch eine Vergiftung bestimmter Katalysatoren vermieden werden kann). Dies ermöglicht die Herstellung von hochreinem Wasserstoffgas, und das gereinigte Gas erfüllt die Standards für Industriegase in Elektronikqualität.
Der von der Wasserstoffproduktionseinheit erzeugte Wasserstoff durchläuft einen Puffertank, um den Arbeitsdruck des Systems zu stabilisieren und außerdem freies Wasser aus dem Wasserstoff zu entfernen.
Nach dem Eintritt in die Wasserstoffreinigungsanlage wird der durch Wasserelektrolyse erzeugte Wasserstoff weiter gereinigt. Dabei werden die Prinzipien der katalytischen Reaktion und der Molekularsiebadsorption genutzt, um Sauerstoff, Wasser und andere Verunreinigungen aus dem Wasserstoff zu entfernen.
Die Anlage kann die Wasserstoffproduktion automatisch an die jeweilige Situation anpassen. Änderungen der Gasmenge führen zu Druckschwankungen im Wasserstoffspeicher. Der am Speichertank installierte Drucktransmitter gibt ein 4–20-mA-Signal an die SPS aus, um es mit dem ursprünglichen Sollwert zu vergleichen. Nach Rücktransformation und PID-Berechnung gibt er ein 20–4-mA-Signal an den Gleichrichterschrank aus, um die Größe des Elektrolysestroms anzupassen. Dadurch wird die Wasserstoffproduktion automatisch an Änderungen der Wasserstoffmenge angepasst.
Die einzige Reaktion bei der Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse ist Wasser (H₂O). Dieses muss kontinuierlich über eine Nachspeisepumpe mit Rohwasser versorgt werden. Die Nachspeisestelle befindet sich am Wasserstoff- bzw. Sauerstoffabscheider. Zusätzlich müssen Wasserstoff und Sauerstoff beim Verlassen des Systems eine geringe Wassermenge abführen. Geräte mit geringem Wasserverbrauch können 1 l/Nm³ H₂ verbrauchen, während größere Geräte den Verbrauch auf 0,9 l/Nm³ H₂ reduzieren können. Das System füllt kontinuierlich Rohwasser nach, wodurch der Füllstand und die Konzentration der alkalischen Lösung stabil gehalten werden. Außerdem kann das reagierte Wasser zeitnah nachgefüllt werden, um die Konzentration der alkalischen Lösung aufrechtzuerhalten.
- Transformator-Gleichrichtersystem
Dieses System besteht im Wesentlichen aus zwei Geräten: einem Transformator und einem Gleichrichterschrank. Seine Hauptfunktion besteht darin, den vom Frontend-Betreiber bereitgestellten 10/35-kV-Wechselstrom in den von der Elektrolysezelle benötigten Gleichstrom umzuwandeln und die Elektrolysezelle mit Gleichstrom zu versorgen. Ein Teil des bereitgestellten Stroms wird zur direkten Zerlegung von Wassermolekülen in Wasserstoff und Sauerstoff verwendet, der andere Teil erzeugt Wärme, die vom Alkalikühler über das Kühlwasser abgeführt wird.
Die meisten Transformatoren sind Öltransformatoren. Für die Aufstellung in Innenräumen oder in einem Container eignen sich Trockentransformatoren. Die für Anlagen zur elektrolytischen Wasserstoffproduktion verwendeten Transformatoren sind Spezialtransformatoren, die auf die Daten jeder Elektrolysezelle abgestimmt werden müssen. Es handelt sich daher um kundenspezifische Anlagen.
Der derzeit am häufigsten verwendete Gleichrichterschrank ist der Thyristor-Gleichrichterschrank. Gerätehersteller empfehlen ihn aufgrund seiner langen Lebensdauer, hohen Stabilität und seines niedrigen Preises. Da Großanlagen jedoch an erneuerbare Energien angepasst werden müssen, ist der Wirkungsgrad von Thyristor-Gleichrichterschränken relativ gering. Verschiedene Hersteller von Gleichrichterschränken setzen derzeit verstärkt auf neue IGBT-Gleichrichterschränke. IGBT ist in anderen Branchen wie der Windkraft bereits weit verbreitet, und es wird erwartet, dass sich IGBT-Gleichrichterschränke in Zukunft deutlich weiterentwickeln werden.
- Verteilerschranksystem
Der Verteilerschrank dient hauptsächlich der Stromversorgung verschiedener Komponenten mit Motoren im Wasserstoff-Sauerstoff-Trenn- und Reinigungssystem hinter der Anlage zur elektrolytischen Wasser-Wasserstoff-Produktion, einschließlich 400-V- oder allgemein 380-V-Geräten. Die Ausrüstung umfasst die Alkali-Umwälzpumpe im Wasserstoff-Sauerstoff-Trennrahmen und die Zusatzwasserpumpe im Hilfssystem; die Stromversorgung für die Heizdrähte im Trocknungs- und Reinigungssystem sowie die für das gesamte System erforderlichen Hilfssysteme wie Reinwassermaschinen, Kühler, Luftkompressoren, Kühltürme, Back-End-Wasserstoffkompressoren, Hydriermaschinen usw. umfasst auch die Stromversorgung für die Beleuchtung, Überwachung und andere Systeme der gesamten Station.
- Control-System
Das Steuerungssystem implementiert eine automatische SPS-Steuerung. Die SPS ist in der Regel vom Typ Siemens 1200 oder 1500 und verfügt über einen Touchscreen zur Mensch-Maschine-Interaktion. Die Betriebs- und Parameteranzeige jedes Anlagensystems sowie die Anzeige der Steuerungslogik erfolgen auf dem Touchscreen.
5. Alkalilösungszirkulationssystem
Dieses System umfasst im Wesentlichen die folgende Hauptausrüstung:
Wasserstoff-Sauerstoff-Abscheider – Umwälzpumpe für alkalische Lösung – Ventil – Filter für alkalische Lösung – Elektrolysezelle
Der Hauptprozess läuft wie folgt ab: Die im Wasserstoff-Sauerstoff-Abscheider mit Wasserstoff und Sauerstoff vermischte alkalische Lösung wird durch den Gas-Flüssigkeits-Abscheider getrennt und zur Umwälzpumpe für alkalische Lösung zurückgeführt. Wasserstoff- und Sauerstoffabscheider sind hier miteinander verbunden, und die Umwälzpumpe für alkalische Lösung zirkuliert die zurückgeführte alkalische Lösung zum Ventil und zum Filter für alkalische Lösung am hinteren Ende. Nachdem der Filter grobe Verunreinigungen herausgefiltert hat, wird die alkalische Lösung in das Innere der Elektrolysezelle zurückgeführt.
6.Wasserstoffsystem
Wasserstoffgas wird an der Kathodenelektrodenseite erzeugt und gelangt zusammen mit dem Kreislauf der alkalischen Lösung zum Separator. Im Separator ist das Wasserstoffgas relativ leicht und wird auf natürliche Weise von der alkalischen Lösung getrennt, wodurch es den oberen Teil des Separators erreicht. Anschließend durchläuft es Rohrleitungen zur weiteren Trennung, wird mit Kühlwasser gekühlt und von einem Tropfenfänger aufgefangen, um eine Reinheit von etwa 99 % zu erreichen, bevor es das Trocknungs- und Reinigungssystem im hinteren Bereich erreicht.
Evakuierung: Die Evakuierung von Wasserstoffgas wird hauptsächlich während Anlauf- und Abschaltphasen, bei anormalem Betrieb oder wenn die Reinheit nicht den Standards entspricht, sowie zur Fehlerbehebung verwendet.
7. Sauerstoffsystem
Der Weg des Sauerstoffs ähnelt dem des Wasserstoffs, erfolgt jedoch in anderen Abscheidern.
Entleerung: Derzeit wird in den meisten Projekten die Methode der Sauerstoffentleerung verwendet.
Nutzung: Der Nutzungswert von Sauerstoff ist nur in Spezialprojekten sinnvoll, beispielsweise bei Anwendungen, die sowohl Wasserstoff als auch hochreinen Sauerstoff nutzen können, wie etwa bei Glasfaserherstellern. Es gibt auch einige Großprojekte, die Platz für die Nutzung von Sauerstoff reserviert haben. Die Backend-Anwendungsszenarien betreffen die Herstellung von flüssigem Sauerstoff nach Trocknung und Reinigung oder die Herstellung von medizinischem Sauerstoff durch Dispersionssysteme. Die Genauigkeit dieser Nutzungsszenarien muss jedoch noch weiter bestätigt werden.
8. Kühlwassersystem
Der Elektrolyseprozess von Wasser ist eine endotherme Reaktion, und die Wasserstoffproduktion benötigt elektrische Energie. Der Stromverbrauch übersteigt jedoch die theoretische Wärmeaufnahme der Wasserelektrolysereaktion. Ein Teil des in der Elektrolysezelle verbrauchten Stroms wird in Wärme umgewandelt, die hauptsächlich zum Aufheizen des alkalischen Lösungskreislaufs verwendet wird, um die Temperatur der alkalischen Lösung auf den für die Anlage erforderlichen Temperaturbereich von 90 ± 5 °C zu erhöhen. Läuft die Elektrolysezelle nach Erreichen der Nenntemperatur weiter, muss die erzeugte Wärme durch Kühlwasser abgeführt werden, um die Normaltemperatur der Elektrolysereaktionszone aufrechtzuerhalten. Eine hohe Temperatur in der Elektrolysereaktionszone kann den Energieverbrauch senken, eine zu hohe Temperatur kann jedoch die Membran der Elektrolysekammer beschädigen, was sich negativ auf den Langzeitbetrieb der Anlage auswirkt.
Die optimale Betriebstemperatur dieses Geräts darf 95 °C nicht überschreiten. Darüber hinaus müssen der erzeugte Wasserstoff und Sauerstoff gekühlt und entfeuchtet werden. Der wassergekühlte Thyristorgleichrichter ist zudem mit den erforderlichen Kühlleitungen ausgestattet.
Auch der Pumpenkörper großer Geräte benötigt die Zufuhr von Kühlwasser.
- Stickstoff-Füll- und Stickstoff-Spülsystem
Vor der Fehlersuche und Inbetriebnahme des Geräts sollte eine Stickstoffdichtheitsprüfung am System durchgeführt werden. Vor dem normalen Start muss außerdem die Gasphase des Systems mit Stickstoff gespült werden, um sicherzustellen, dass sich das Gas im Gasphasenraum auf beiden Seiten von Wasserstoff und Sauerstoff weit entfernt vom brennbaren und explosiven Bereich befindet.
Nach dem Herunterfahren der Anlage hält das Steuerungssystem automatisch den Druck aufrecht und hält eine bestimmte Menge Wasserstoff und Sauerstoff im System zurück. Wenn der Druck beim Anfahren noch vorhanden ist, ist keine Spülung erforderlich. Ist der Druck jedoch vollständig abgebaut, muss erneut mit Stickstoff gespült werden.
- Wasserstofftrocknungssystem (Reinigungssystem) (optional)
Das durch Wasserelektrolyse gewonnene Wasserstoffgas wird in einem Paralleltrockner entfeuchtet und anschließend durch einen gesinterten Nickelrohrfilter gereinigt, um trockenes Wasserstoffgas zu erhalten. Je nach Bedarf des Anwenders an das Wasserstoffprodukt kann das System um eine Reinigungsvorrichtung ergänzt werden, die die katalytische Desoxygenierung mittels Palladium-Platin-Bimetall-Verfahren zur Reinigung nutzt.
Der von der Wasserstofferzeugungseinheit durch Wasserelektrolyse erzeugte Wasserstoff wird über einen Puffertank an die Wasserstoffreinigungseinheit weitergeleitet.
Das Wasserstoffgas passiert zunächst einen Sauerstoffentzugsturm, und unter der Einwirkung eines Katalysators reagiert der Sauerstoff im Wasserstoffgas mit dem Wasserstoffgas und es entsteht Wasser.
Reaktionsformel: 2H2+O2 2H2O.
Anschließend passiert das Wasserstoffgas einen Wasserstoffkondensator (der das Gas abkühlt, um Wasserdampf zu kondensieren, der automatisch über einen Kollektor aus dem System abgeleitet wird) und gelangt in den Adsorptionsturm.
Veröffentlichungszeit: 03.12.2024
