הסבר מפורט על מערכת מים אלקטרוליזה אלקלית

האלקטרוליטימֵימָןיחידת הייצור כוללת סט שלם של אלקטרוליזה במיםמֵימָןציוד ייצור, כאשר הציוד העיקרי כולל:

1. תא אלקטרוליטי

2. מכשיר להפרדת גז נוזלי

3. מערכת ייבוש וטיהור

4. החלק החשמלי כולל: שנאי, ארון מיישר, ארון בקרה PLC, ארון מכשירים, ארון חלוקה, מחשב עליון וכו'.

5. מערכת העזר כוללת בעיקר: מיכל תמיסת אלקלית, מיכל מים לחומרי גלם, משאבת מי איפור, גליל/פס חנקן וכו'. 6. מערכת העזר הכוללת של הציוד כוללת: מכונת מים טהורים, מגדל צ'ילר, צ'ילר, מדחס אוויר וכו'.

מקררי מימן וחמצן, והמים נאספים על ידי מלכודת טפטוף לפני שהם נשלחים החוצה תחת בקרת מערכת הבקרה; האלקטרוליט עובר דרכומֵימָןומסנני חמצן אלקלי, מקררי מימן וחמצן אלקלי בהתאמה תחת פעולת משאבת הסירקולציה, ולאחר מכן חוזרים לתא האלקטרוליטי לאלקטרוליזה נוספת.

לחץ המערכת מווסת על ידי מערכת בקרת הלחץ ומערכת בקרת הלחץ ההפרשי כדי לעמוד בדרישות של תהליכים במורד הזרם ואחסון.

למימן המופק על ידי אלקטרוליזה במים יש יתרונות של טוהר גבוה וזיהומים נמוכים. בדרך כלל, הזיהומים בגז המימן המופק על ידי אלקטרוליזה במים הם רק חמצן ומים, ללא רכיבים אחרים (מה שיכול למנוע הרעלת זרזים מסוימים). זה מספק נוחות לייצור גז מימן טוהר גבוה, והגז המטוהר יכול לעמוד בסטנדרטים של גזים תעשייתיים בדרגה אלקטרונית.

המימן המיוצר על ידי יחידת ייצור המימן עובר דרך מיכל חיץ כדי לייצב את לחץ העבודה של המערכת ולהסיר עוד יותר מים חופשיים מהמימן.

לאחר הכניסה למכשיר טיהור המימן, המימן המיוצר על ידי אלקטרוליזה של מים עובר טיהור נוסף, תוך שימוש בעקרונות של תגובה קטליטית וספיחת מסננת מולקולרית כדי להסיר חמצן, מים וזיהומים אחרים מהמימן.

הציוד יכול להגדיר מערכת התאמת ייצור מימן אוטומטית בהתאם למצב בפועל. שינויים בעומס הגז יגרמו לתנודות בלחץ של מיכל אחסון המימן. משדר הלחץ המותקן על מיכל האחסון יפלוט אות של 4-20mA ל-PLC להשוואה עם הערך המקורי שנקבע, ולאחר טרנספורמציה הפוכה וחישוב PID, יפלוט אות של 20-4mA לארון המיישר כדי להתאים את גודל זרם האלקטרוליזה, ובכך להשיג את מטרת ההתאמה האוטומטית של ייצור המימן בהתאם לשינויים בעומס המימן.

התגובה היחידה בתהליך ייצור המימן על ידי אלקטרוליזה של מים היא מים (H2O), אשר צריכים להיות מסופקים באופן רציף עם מים גולמיים דרך משאבת מילוי מים. נקודת המילוי ממוקמת על מפריד המימן או החמצן. בנוסף, מימן וחמצן צריכים לקחת כמות קטנה של מים בעת יציאתם מהמערכת. ציוד עם צריכת מים נמוכה יכול לצרוך 1 ליטר/ניוטון מטר³ H2, בעוד שציוד גדול יותר יכול להפחית אותה ל-0.9 ליטר/ניוטון מטר³ H2. המערכת מחדשת באופן רציף מים גולמיים, מה שיכול לשמור על יציבות רמת הנוזל הבסיסי וריכוזו. היא יכולה גם לחדש את המים המגיבים בצורה יעילה כדי לשמור על ריכוז התמיסה הבסיסית.

1. מערכת מיישר שנאים

מערכת זו מורכבת בעיקר משני התקנים, שנאי וארון מיישר. תפקידה העיקרי הוא להמיר את הספק AC 10/35KV המסופק על ידי בעל הקצה הקדמי למתח DC הנדרש על ידי התא האלקטרוליטי, ולספק הספק DC לתא האלקטרוליטי. חלק מההספק המסופק משמש לפירוק ישיר של מולקולות מים למימן וחמצן, והחלק השני מייצר חום, המבוצע על ידי מקרר אלקלי דרך מי קירור.

רוב השנאים הם מסוג שמן. אם הם ממוקמים בתוך מיכל או בתוך מיכל, ניתן להשתמש בשנאים יבשים. השנאים המשמשים לציוד לייצור מימן אלקטרוליטי במים הם שנאים מיוחדים שיש להתאים אותם בהתאם לנתונים של כל תא אלקטרוליטי, ולכן הם ציוד מותאם אישית.

כיום, ארון המיישר הנפוץ ביותר הוא מסוג התיריסטור, הנתמך על ידי יצרני ציוד בשל זמן השימוש הארוך שלו, יציבותו הגבוהה ומחירו הנמוך. עם זאת, עקב הצורך להתאים ציוד בקנה מידה גדול לאנרגיה מתחדשת חזיתית, יעילות ההמרה של ארונות מיישר תיריסטור נמוכה יחסית. כיום, יצרני ארונות מיישר שונים שואפים לאמץ ארונות מיישר IGBT חדשים. IGBT כבר נפוץ מאוד בתעשיות אחרות כמו אנרגיית רוח, וההערכה היא שארונות מיישר IGBT יתפתחו באופן משמעותי בעתיד.

1. מערכת ארונות חלוקה

ארון החלוקה משמש בעיקר לאספקת חשמל לרכיבים שונים עם מנועים במערכת הפרדת וטיהור מימן וחמצן שמאחורי ציוד ייצור מים אלקטרוליטי, כולל ציוד 400V או המכונה בדרך כלל ציוד 380V. הציוד כולל את משאבת הסירקולציה הבסיסית במסגרת הפרדת מימן וחמצן ואת משאבת מי ההשלמה במערכת העזר; אספקת החשמל לחוטי החימום במערכת הייבוש והטהור, כמו גם מערכות העזר הנדרשות למערכת כולה כגון מכונות מים טהורים, צ'ילרים, מדחסות אוויר, מגדלי קירור, ומדחסות מימן אחוריות, מכונות הידרוגנציה וכו', כולל גם את אספקת החשמל לתאורה, ניטור ומערכות אחרות של התחנה כולה.

1. Cאונטרומערכת l

מערכת הבקרה מיישמת בקרה אוטומטית של PLC. ה-PLC משתמש בדרך כלל במערכות סימנס 1200 או 1500, ומצויד במסך מגע של ממשק אינטראקציה בין אדם למכונה. תצוגת הפעולה והפרמטרים של כל מערכת בציוד, כמו גם תצוגת לוגיקת הבקרה, מתבצעים על גבי מסך המגע.

5. מערכת זרימת תמיסות אלקליות

מערכת זו כוללת בעיקר את הציוד העיקרי הבא:

מפריד מימן וחמצן – משאבת סירקולציה של תמיסת אלקלית – שסתום – מסנן תמיסת אלקלית – תא אלקטרוליטי

התהליך העיקרי הוא כדלקמן: התמיסה הבסיסית המעורבבת עם מימן וחמצן במפריד המימן-חמצן מופרדת על ידי מפריד הגז-נוזל ומוזרמת חזרה למשאבת הסירקולציה של התמיסה הבסיסית. מפריד המימן ומפריד החמצן מחוברים כאן, ומשאבת הסירקולציה של התמיסה הבסיסית מזרימה את התמיסה הבסיסית המוזרמת חזרה לשסתום ולמסנן התמיסה הבסיסית בקצה האחורי. לאחר שהמסנן מסנן זיהומים גדולים, התמיסה הבסיסית מוזרמת לחלק הפנימי של התא האלקטרוליטי.

6. מערכת מימן

גז מימן נוצר מצד האלקטרודה הקתודית ומגיע למפריד יחד עם מערכת זרימת התמיסה האלקלית. בתוך המפריד, גז המימן קל יחסית ומופרד באופן טבעי מהתמיסה האלקלית, ומגיע לחלקו העליון של המפריד. לאחר מכן, הוא עובר דרך צינורות להפרדה נוספת, מקורר על ידי מי קירור, ונאסף על ידי לוכד טפטופים כדי להשיג טוהר של כ-99% לפני שהוא מגיע למערכת הייבוש והטיהור האחורית.

פינוי: פינוי גז מימן משמש בעיקר בתקופות הפעלה וכיבוי, פעולות חריגות, או כאשר הטוהר אינו עומד בתקנים, וכן לאיתור תקלות.

7. מערכת חמצן

מסלול החמצן דומה לזה של המימן, אלא שהוא מתבצע במפרידים שונים.

ריקון: כיום, רוב הפרויקטים משתמשים בשיטת ריקון החמצן.

ניצול: ערך הניצול של חמצן משמעותי רק בפרויקטים מיוחדים, כגון יישומים שיכולים להשתמש גם במימן וגם בחמצן בעל טוהר גבוה, כמו יצרני סיבים אופטיים. ישנם גם כמה פרויקטים גדולים ששמרו מקום לניצול חמצן. תרחישי היישומים האחוריים הם לייצור חמצן נוזלי לאחר ייבוש וטיהור, או לחמצן רפואי באמצעות מערכות פיזור. עם זאת, הדיוק של תרחישי ניצול אלה עדיין זקוק לאישור נוסף.

8. מערכת מי קירור

תהליך האלקטרוליזה של מים הוא תגובה אנדותרמית, ותהליך ייצור המימן חייב להיות מסופק עם אנרגיה חשמלית. עם זאת, האנרגיה החשמלית הנצרכת בתהליך האלקטרוליזה של מים עולה על ספיגת החום התאורטית של תגובת האלקטרוליזה של מים. במילים אחרות, חלק מהחשמל המשמש בתא האלקטרוליזה מומר לחום, המשמש בעיקר לחימום מערכת זרימת התמיסה הבסיסית בהתחלה, מה שמעלה את טמפרטורת התמיסה הבסיסית לטווח הטמפרטורות הנדרש של 90 ± 5 ℃ עבור הציוד. אם תא האלקטרוליזה ממשיך לפעול לאחר שהגיע לטמפרטורה המדורגת, יש צורך להעביר את החום שנוצר על ידי קירור מים כדי לשמור על הטמפרטורה הרגילה של אזור תגובת האלקטרוליזה. הטמפרטורה הגבוהה באזור תגובת האלקטרוליזה יכולה להפחית את צריכת האנרגיה, אך אם הטמפרטורה גבוהה מדי, הסרעפת של תא האלקטרוליזה תיפגע, מה שיפגע גם בפעולה ארוכת הטווח של הציוד.

טמפרטורת ההפעלה האופטימלית עבור מכשיר זה נדרשת להישמר על לא יותר מ-95 מעלות צלזיוס. בנוסף, יש לקרר ולסלק את הלחות של המימן והחמצן הנוצרים, והתקן מיישר התיריסטורים המקורר במים מצויד גם בצינורות קירור נחוצים.

גוף המשאבה של ציוד גדול דורש גם השתתפות של מי קירור.

1. מערכת מילוי חנקן וניקוי חנקן

לפני ניפוי שגיאות והפעלת המכשיר, יש לבצע בדיקת אטימות חנקן במערכת. לפני הפעלה רגילה, יש גם לנקות את פאזת הגז של המערכת בחנקן כדי להבטיח שהגז בחלל פאזת הגז משני צידי המימן והחמצן יהיה רחוק מטווח הדליק והנפיץ.

לאחר כיבוי הציוד, מערכת הבקרה תשמור אוטומטית על לחץ ותשמור על כמות מסוימת של מימן וחמצן בתוך המערכת. אם הלחץ עדיין קיים במהלך ההפעלה, אין צורך לבצע פעולת ניקוי. עם זאת, אם הלחץ משוחרר לחלוטין, יש לבצע שוב פעולת ניקוי עם חנקן.

1. מערכת ייבוש (טיהור) במימן (אופציונלי)

גז המימן המוכן מאלקטרוליזה במים עובר ייבוש לחות באמצעות מייבש מקביל, ולבסוף מטוהר באמצעות מסנן צינורות ניקל מסונטר לקבלת גז מימן יבש. בהתאם לדרישות המשתמש עבור מימן המוצר, המערכת עשויה להוסיף התקן טיהור, המשתמש בדה-חמצון קטליטי דו-מתכתי מפלדיום פלטינה לצורך טיהור.

המימן המיוצר על ידי יחידת ייצור המימן באלקטרוליזה של מים נשלח ליחידת טיהור המימן דרך מיכל חיץ.

גז המימן עובר תחילה דרך מגדל דה-חמצון, ותחת פעולת זרז, החמצן בגז המימן מגיב עם גז המימן ליצירת מים.

נוסחת תגובה: 2H2+O2 · 2H2O.

לאחר מכן, גז המימן עובר דרך מעבה מימן (אשר מקרר את הגז כדי לעבות אדי מים למים, אשר נפלטים אוטומטית אל מחוץ למערכת דרך קולט) ונכנס למגדל הספיחה.