Dans le processus de production d'hydrogène par électrolyseur alcalin, outre la qualité de l'électrolyseur lui-même, le réglage de la quantité de soude caustique en circulation est également un facteur d'influence important pour assurer un fonctionnement stable de l'appareil.
Récemment, lors de la réunion d'échange sur les technologies de production en toute sécurité du Comité professionnel de l'hydrogène de l'Association chinoise des gaz industriels, Huang Li, responsable du programme d'exploitation et de maintenance de l'électrolyse de l'eau, a partagé notre expérience sur le réglage du volume de circulation de l'hydrogène et de la soude caustique dans le processus réel de test, d'exploitation et de maintenance.
Voici le document original.
——————
Dans le contexte de la stratégie nationale à double bilan carbone, Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd, spécialisée dans la production d'hydrogène depuis 25 ans et pionnière dans le domaine de l'énergie hydrogène, a commencé à développer des technologies et des équipements pour l'hydrogène vert, notamment la conception de turbines pour cuves d'électrolyse, la fabrication d'équipements, le placage d'électrodes, ainsi que les essais, l'exploitation et la maintenance des cuves d'électrolyse.
UnPrincipe de fonctionnement d'un électrolyseur alcalin
En faisant passer un courant continu dans un électrolyseur rempli d'électrolyte, les molécules d'eau réagissent électrochimiquement au niveau des électrodes et se décomposent en hydrogène et en oxygène. Afin d'améliorer la conductivité de l'électrolyte, on utilise généralement une solution aqueuse à 30 % d'hydroxyde de potassium ou à 25 % d'hydroxyde de sodium.
L'électrolyseur est composé de plusieurs cellules électrolytiques. Chaque chambre d'électrolyse comprend une cathode, une anode, un diaphragme et un électrolyte. Le diaphragme a pour fonction principale d'empêcher le passage des gaz. La partie inférieure de l'électrolyseur comporte une entrée et une sortie communes, tandis que la partie supérieure contient le canal de circulation du mélange gaz-liquide alcalin et oxy-alcalin. Lorsqu'une certaine tension de courant continu est appliquée, et que cette tension dépasse la tension théorique de décomposition de l'eau (1,23 V) et la tension de neutralité thermique (1,48 V), une réaction d'oxydoréduction se produit à l'interface entre l'électrode et le liquide, provoquant la décomposition de l'eau en hydrogène et en oxygène.
Deux. Comment la lessive est mise en circulation
1️⃣Cycle mixte hydrogène-oxygène côté lessive
Dans ce type de circuit, la lessive de soude pénètre dans la pompe de circulation par le tuyau de liaison situé à la base des séparateurs d'hydrogène et d'oxygène, puis, après refroidissement et filtration, dans les chambres cathodique et anodique de l'électrolyseur. Les avantages de ce circuit mixte sont sa simplicité, sa rapidité, son faible coût et la possibilité d'assurer un débit identique de lessive de soude dans les chambres cathodique et anodique. En revanche, il présente l'inconvénient d'affecter la pureté de l'hydrogène et de l'oxygène et de dérégler le niveau du séparateur hydrogène-oxygène, augmentant ainsi le risque de mélange hydrogène-oxygène. Actuellement, le circuit de lessive avec mélange hydrogène-oxygène est le plus courant.
2️⃣Circulation séparée de l'hydrogène et de l'oxygène côté lessive
Ce type de circulation nécessite deux pompes de circulation de lessive, soit deux circulations internes. La lessive située au fond du séparateur d'hydrogène traverse la pompe de circulation côté hydrogène, est refroidie et filtrée, puis pénètre dans la chambre cathodique de l'électrolyseur. La lessive située au fond du séparateur d'oxygène traverse la pompe de circulation côté oxygène, est refroidie et filtrée, puis pénètre dans la chambre anodique de l'électrolyseur. L'avantage de cette circulation indépendante de lessive réside dans la grande pureté de l'hydrogène et de l'oxygène produits par électrolyse, évitant ainsi tout risque de mélange entre les séparateurs d'hydrogène et d'oxygène. L'inconvénient est que la structure et le procédé sont complexes et coûteux, et qu'il est impératif de garantir la constance du débit, de la hauteur manométrique, de la puissance et des autres paramètres des pompes des deux côtés, ce qui accroît la complexité d'exploitation et impose un contrôle rigoureux de la stabilité du système.
Influence du débit de circulation de la lessive sur la production d'hydrogène par électrolyse de l'eau et conditions de fonctionnement de l'électrolyseur
1️⃣ Circulation excessive de soude caustique
(1) Effet sur la pureté de l'hydrogène et de l'oxygène
Du fait de la solubilité relative de l'hydrogène et de l'oxygène dans la lessive, un volume de circulation trop important entraîne une augmentation de la quantité totale d'hydrogène et d'oxygène dissous. Ces gaz pénètrent alors dans chaque chambre avec la lessive, ce qui réduit la pureté de l'hydrogène et de l'oxygène à la sortie de l'électrolyseur. Par ailleurs, ce volume de circulation trop important réduit également le temps de séjour dans le séparateur liquide d'hydrogène et d'oxygène, et les gaz non complètement séparés sont réintroduits dans l'électrolyseur avec la lessive. Ceci affecte l'efficacité de la réaction électrochimique et la pureté de l'hydrogène et de l'oxygène, et par conséquent la capacité de l'équipement de purification à déshydrogéner et désoxygéner l'hydrogène et l'oxygène. Il en résulte une purification inefficace de l'hydrogène et de l'oxygène et une altération de la qualité des produits.
(2) Effet sur la température du réservoir
Si la température de sortie du refroidisseur de lessive reste inchangée, un débit de lessive trop important absorbera plus de chaleur de l'électrolyseur, ce qui entraînera une baisse de la température du réservoir et une augmentation de la puissance.
(3) Effet sur le courant et la tension
Une circulation excessive de lessive de soude perturbe la stabilité du courant et de la tension. Un débit de liquide excessif interfère avec les fluctuations normales du courant et de la tension, rendant leur stabilisation difficile et provoquant des fluctuations dans le fonctionnement de l'armoire du redresseur et du transformateur, ce qui affecte la production et la qualité de l'hydrogène.
(4) Augmentation de la consommation d'énergie
Une circulation excessive de soude caustique peut également entraîner une augmentation de la consommation d'énergie, des coûts d'exploitation et une diminution de l'efficacité énergétique du système. Ceci est principalement dû à l'augmentation du nombre de circuits de refroidissement auxiliaires (circulation interne et circulation externe, pulvérisation et ventilation), ainsi qu'à la charge en eau glacée, ce qui accroît la consommation d'énergie et, par conséquent, la consommation énergétique totale.
(5) Cause de défaillance de l'équipement
Une circulation excessive de lessive augmente la charge sur la pompe de circulation de lessive, ce qui correspond à une augmentation du débit, des fluctuations de pression et de température dans l'électrolyseur, ce qui affecte à son tour les électrodes, les diaphragmes et les joints à l'intérieur de l'électrolyseur, ce qui peut entraîner des dysfonctionnements ou des dommages de l'équipement, et une augmentation de la charge de travail pour la maintenance et la réparation.
2️⃣ Circulation de soude trop faible
(1) Effet sur la température du réservoir
Lorsque le volume de lessive en circulation est insuffisant, la chaleur dans l'électrolyseur ne peut être évacuée à temps, ce qui entraîne une hausse de température. Cette température élevée provoque une augmentation de la pression de vapeur saturante de l'eau en phase gazeuse et, par conséquent, de sa teneur en eau. Si l'eau ne peut être condensée suffisamment, la charge du système de purification s'en trouve accrue, ce qui nuit à son efficacité et affecte également la durée de vie du catalyseur et de l'adsorbant.
(2) Impact sur la durée de vie du diaphragme
Un environnement à haute température continue accélère le vieillissement du diaphragme, entraînant une baisse de ses performances, voire sa rupture. Il favorise également la perméabilité mutuelle entre l'hydrogène et l'oxygène de part et d'autre du diaphragme, affectant ainsi la pureté de ces gaz. Lorsque cette perméabilité mutuelle approche le seuil d'explosion, le risque d'accident lié à l'électrolyseur augmente considérablement. Par ailleurs, une température élevée continue peut également endommager le joint d'étanchéité, réduisant ainsi sa durée de vie.
(3) Effet sur les électrodes
Si la quantité de soude caustique en circulation est trop faible, le gaz produit ne peut pas quitter rapidement le centre actif de l'électrode, ce qui affecte l'efficacité de l'électrolyse ; si l'électrode ne peut pas être pleinement en contact avec la soude caustique pour effectuer la réaction électrochimique, des anomalies de décharge partielle et une combustion à sec se produiront, accélérant le détachement du catalyseur sur l'électrode.
(4) Effet sur la tension de la cellule
La quantité de lessive en circulation est trop faible, car les bulles d'hydrogène et d'oxygène générées dans le centre actif de l'électrode ne peuvent pas être éliminées à temps, et la quantité de gaz dissous dans l'électrolyte augmente, ce qui entraîne une augmentation de la tension dans la petite chambre et une hausse de la consommation d'énergie.
Quatre méthodes pour déterminer le débit de circulation optimal de la lessive de soude
Pour résoudre les problèmes susmentionnés, il est nécessaire de prendre les mesures appropriées, telles que la vérification régulière du système de circulation de la lessive pour assurer son bon fonctionnement ; le maintien de bonnes conditions de dissipation de chaleur autour de l'électrolyseur ; et l'ajustement des paramètres de fonctionnement de l'électrolyseur, si nécessaire, afin d'éviter un volume de circulation de lessive trop important ou trop faible.
Le débit optimal de circulation de la lessive doit être déterminé en fonction des paramètres techniques spécifiques de l'électrolyseur, tels que la taille de l'électrolyseur, le nombre de chambres, la pression de fonctionnement, la température de réaction, la génération de chaleur, la concentration de la lessive, le refroidisseur de lessive, le séparateur hydrogène-oxygène, la densité de courant, la pureté du gaz et d'autres exigences, la durabilité des équipements et de la tuyauterie, et d'autres facteurs.
Paramètres techniques Dimensions :
Dimensions : 4800 x 2240 x 2281 mm
poids total 40700 kg
Taille effective de la chambre : 1830 mm, nombre de chambres : 238
Densité de courant de l'électrolyseur : 5 000 A/m²
pression de service 1,6 MPa
température de réaction 90℃±5℃
Volume d'hydrogène produit par un seul électrolyseur : 1300 Nm³/h
Oxygène produit 650 Nm³/h
courant continu n13100A, tension continue 480 V
Refroidisseur de soude caustique Φ700x4244mm
Surface d'échange thermique 88,2 m²
Séparateur d'hydrogène et d'oxygène Φ1300x3916mm
Séparateur d'oxygène Φ1300x3916mm
Solution d'hydroxyde de potassium à une concentration de 30 %
Valeur de résistance à l'eau pure >5 MΩ·cm
Relation entre la solution d'hydroxyde de potassium et l'électrolyseur :
Rendre l'eau pure conductrice, extraire l'hydrogène et l'oxygène et évacuer la chaleur. Le débit d'eau de refroidissement permet de réguler la température de la lessive de soude afin de stabiliser la température de la réaction d'électrolyse. La chaleur générée par l'électrolyseur et le débit d'eau de refroidissement contribuent à l'équilibre thermique du système, optimisant ainsi les conditions de fonctionnement et les paramètres d'économie d'énergie.
D'après les opérations réelles :
Contrôle du volume de circulation de la soude caustique à 60 m³/h,
Le débit d'eau de refroidissement s'ouvre à environ 95%.
La température de réaction de l'électrolyseur est maintenue à 90 °C à pleine charge.
La consommation électrique CC optimale de l'électrolyseur est de 4,56 kWh/Nm³H₂.
Cinqrésumer
En résumé, le volume de circulation de la lessive de soude est un paramètre important du procédé de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau. Il est lié à la pureté du gaz, à la tension de la chambre, à la température de l'électrolyseur et à d'autres paramètres. Il est recommandé de contrôler ce volume à une fréquence de renouvellement de la lessive de soude de 2 à 4 fois par heure et par minute. Un contrôle efficace du volume de circulation de la lessive garantit un fonctionnement stable et sûr de l'équipement de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau sur le long terme.
Dans le processus de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau dans un électrolyseur alcalin, l'optimisation des paramètres de fonctionnement et de la conception de la roue de l'électrolyseur, combinée au choix du matériau des électrodes et du matériau du diaphragme, est essentielle pour augmenter le courant, réduire la tension du réservoir et économiser l'énergie.
--Contactez-nous--
Tél. : +86 028 6259 0080
Télécopie : +86 028 6259 0100
E-mail: tech@allygas.com
Date de publication : 9 janvier 2025
