制氢站培训资料.pptx
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1、目 录制氢站培训教材-第一版第一章第一章 水电解制氢装置水电解制氢装置 第二章第二章 水电解制氢装置组成水电解制氢装置组成第三章第三章 气液处理器气液处理器第四章第四章 水电解制氢工艺流程水电解制氢工艺流程第第五五章章 氢气纯化干燥装置氢气纯化干燥装置第六章第六章 其他设备其他设备 第七章第七章 设备维护、安全事项与故障的排除设备维护、安全事项与故障的排除 第八章第八章 配制电解液配制电解液 第九章第九章 系统的操作规程系统的操作规程 第一章 水电解制氢原理 氢气是无色、无臭、无毒和无味的可燃气体。它同氮气、氩气、甲烷等气体一样,都是窒息气,扩散性强,还原性强,导热系数高。氢气的化学性质活泼,
2、可与许多非金属化合。氢气是一种易燃、易爆的气体。在空气中的爆炸极限:上限75.5%,下限4%;在纯氧中的爆炸极限:上限94%,下限4。氢气的着火性能随着温度和压力的不同而变化。爆炸条件:(1)在爆炸范围内。(2)有热源,着火点在20j。一、氢气的性质一、氢气的性质制氢站培训教材-第一版 氢气广泛应用于电力、化学、冶金、电子、等工业部门:1、在电力工业中,氢气可作为汽轮发电机的冷却剂,导热系数高。液态氢又是宇航和火箭的重要燃料;固态氢具有金属性并有超导性能。2、在化学化工方面,氢是合成氨、氯化氢、有机合成的氢化反应和油脂硬化等的原料。3、在尼龙、塑料、农药的生产中也都离不开氢,需加入一定纯度的氢
3、气,生产相应的产品。4、在冶金工业中,氢气的使用颇为广泛。在有色金属钨、钼、钛等的生产和加工中,使用高纯度的氢气作为还原气。二、氢气的用途二、氢气的用途 制氢站培训教材-第一版制氢站培训教材-第一版 5、在一些磁性材料、磁性合金的生产中,需要高纯度氢气作保护气,以提高其磁性和稳定性。6、在硅钢片的生产中,需要高纯度的氢气作保护气;在硬质合金、粉末冶金材料的生产中,也需要高纯度氢气作保护气。7、在一些薄板、带钢的轧制中常常使用氮气氢气混合气,作为保护气。8、在电子工业中,也十分广泛地使用高纯度氢气,主要用于电子材料、半导体材料和器件、集成电路以及真空器件的生产。9、在建筑材料和轻工业中,如玻璃和
4、人造宝石的制造和加工,氢气被广泛地用作燃烧气和保护气。氢气优点:便于储存和运输,对环境无污染,被誉为“清洁”的新能源。三、氢气制取方法三、氢气制取方法制氢站培训教材-第一版 1、水电解:、水电解:设备体积小,流程简单,纯度高,杂质少,无污染;但能耗高,产量小。2、氨分解、氨分解:产气量大,但纯度不高。3、甲醇、天然气裂解甲醇、天然气裂解:能耗低,产气量大,杂质复杂,不易分离。制氢站培训教材-第一版 1 1、电解定律:、电解定律:任何物质在电解过程中,在数量上的变化都服从法拉第定律。(1)电解时,在电极上析出的物质的数量,与通过溶液的电流强度和通电时间成正比,也就是说与通过溶液的电量成正比。G=
5、KeIt 式中:G化学反应生成物的量 I电流 T通电时间 Ke电化当量四、水电解制氢装置的工作原理四、水电解制氢装置的工作原理制氢站培训教材-第一版 (2)用相同的电量通过不同的电解质溶液时,各种溶液在两极上析出的物质量与它的电化当量成正比,而析出1克当量的任何物质都需要96500库仑(C)的电量,以法拉第(F)表示。1 1法拉第法拉第=96500=96500库仑库仑=26.8=26.8安培安培小时小时 显然,电化当量的数值应等于化学当量e 被法拉第常数除所得的商,即 G=KeIt Ite/F因此在阴极上析出1mol分子的氢,所需的电量为:It=GF/e=226.8 53.6(安时)制氢站培训
6、教材-第一版 2 2、水的电解、水的电解 水存在下面的电离平衡:H2O=H+OH-将一对电极插入水中,通以电流,氢离子逐渐向阴极移动,在阴极上取得电子被还原为 H2。Na+或 K+离子在电解液的浓度下,其析出要比氢析出电位负的多,因此阴极上H+先放电,析出氢;OH一逐渐移向阳极,阳极失去电子而被氧化为O2。纯水是极弱的电解质,H+及OH一离子浓度极少,在 25 时,OH=1 10-7M可以说纯水几乎是不导电的。所以在水电解时必须加入其它的强电解质,如 Na0H 或 KOH,以增强导电能力。此时:阳极反应:4 OH一4e=2 H2O+O2 阴极反应:4 H2O+4e =2 H2 +4 OH-总反
7、应 2 H2O =2 H2 +O2 从反应方程式得出:(1)水电解时,产生一份氧气和两份氢气。(2)加入KOH或NaOH只起导电作用,在电解过程中不被消耗。制氢站培训教材-第一版制氢站培训教材-第一版第二章第二章 水电解制氢装置组成水电解制氢装置组成 1、单极性电解槽单极性电解槽:单极电解槽是由外部并联若干个电解槽组成的。而单元电解槽由若干个彼此交替的、彼此平行的阳极版和阴极版组成。对于一个电极而言只能做阳极或阴极。单极性电解槽安装、维修简便,效率低,体积大。一、电解槽分类:一、电解槽分类:制氢站培训教材-第一版 2 2、双极性压滤式电解槽:、双极性压滤式电解槽:双极性电解槽的极板也是垂直的,
8、互相平行排列,电流只从一端极板导入,通过电极经电解液,传到下个一块极板,由另一端极板输出。每个电极板即产生氢,又产生氧,每个电极既是阳极又是阴极。它使用有绝缘边的隔膜作为电解小室的中间层,这样具有压滤机的结构,所以称双极性压力式电解槽。双极性水电解槽中的每块极板都传导总的电流。槽内电压决定于相邻两电极的电位差。电解槽的总电压为各个小室电压之和。工人在组装电解槽端极板和垫片,我厂采购的电解槽6根拉杆制氢站培训教材-第一版(1)串联式:电流小、电压大。制氢站培训教材-第一版 (2)并联式:电流大、电压小。中间接正极,两端接地,本厂使用这种方式的电解槽,电解槽放在框架上,若用串联式,会与框架形成回路
9、,产生电流,而并联式由于两端接地,消除了这种隐患。制氢站培训教材-第一版 我厂电解槽为并联双极性压滤式结构,由螺栓和两块端压板把极板夹在一起,呈圆柱体结构。(1)大螺栓、大螺母、弹簧导套、蝶形弹簧等用来将各小室间的垫片压紧,使槽体能承受内压,保证槽体不漏。必须使各螺栓承受有一定的预紧力,而且各螺栓受力要均匀。(2)端压板:两端的端压板的作用是承受电解槽的内部压力及密封垫片的密封压力。足够的厚度,电解槽在1.53.2MPa 压力下工作,承受的压力很大,因此要有足够的厚度,以免变形并保证槽体的密封性。(3)输电板:电解槽的中间极板和左右端极板上都焊有输电板。中间极板接直流输出正极,两个端极板接直流
10、输出负极。一般工业上用的电解槽也可采用串联型式,即一端为正极,另一端为负极。正负端极板与端压板间有良好的绝缘。二、外部结构:二、外部结构:制氢站培训教材-第一版三、内部结构:三、内部结构:(1)极板:极板是由主极板和极框焊接后镀镍而成。镍是非消耗性电极,在碱液里不会被腐蚀。极板上的乳头起支承副极网、隔膜布和输电的作用。(2)阴副极网:用纯镍丝编织而成的,又用等离子喷涂法涂上活化层,使用前要用 稀碱液进行活化处理。电化学反应时,在其表面上产生氢气。(3)阳副极网:与阴副极网相同,电化学反应时,在其表面上产生氧气。(4)隔膜:现行工业水电解槽通常采用石棉布作为隔膜。隔膜的作用是隔开电解时所产生的氢
11、、氧气体,而不阻止离子运动。石棉隔膜布在30%KOH溶液里长期使用时其工作温度不得高于90。制氢站培训教材-第一版 (5)绝缘密封垫:绝缘密封垫即起绝缘作用,又起密封作用,它是采用特制的塑料模压而成的,也可与石棉布模压在一起,是比较理想的密封材料。(6)压片:压片是用来保护极板上的进液孔和出气孔的。当垫片压紧时,保证各通道不被密封垫的塑料因填充而阻塞。(7)电解槽内各种孔道的设置:水电解后,各阳极小室生成的氧气和碱液一起通过出气孔经气体环道一同流出氧气出口管;各阴极室生成的氢气和碱液一同流出氢气出口管。(8)电解槽采用对角线循环路径,各电解小室碱液循环量均匀,小室电压均匀。制氢站培训教材-第一
12、版四、注意事项四、注意事项 电解槽是水电解制氢装置的核心,它的使用寿命与操作维护紧密相关。严格地按照操作说明书进行操作使用是电解槽经久耐用的关键所在。使用中必须注意下述各点使用中必须注意下述各点:(1)槽温控制在90以下;(2)槽压控制在规定值范围内;(3)电解液循环量控制在正常值;(4)密切监视气体纯度;(5)按时测量小室电压,测电压时注意电极方向,且不能让电压表某一极棒的触头同时接触两片极板造成短路;制氢站培训教材-第一版 (6)电解槽上一定要清理干净,不得有金属物和碱液等导电介质,周围不能放置其它金属物品,以防不慎落在槽体上造成小室短路;(7)定期清洗过滤器,清除滤网上的石棉绒毛和其它杂
13、质;(8)补充的原料水水质一定要符合要求。电解质为分析纯或优级纯 KOH,定期测量碱液浓度,使浓度处于合适值。电解液中杂质的含量SO42100mg/L;Fe+33mg/L:CI800mg/L。(9)电解槽前放一橡胶板测量电压时踏于橡胶板上,以确保操作人员的安全。电解槽在热紧制氢站培训教材-第一版 (1)电解槽小室电压不断增加到2.5V或者更高,这说明小室内电解液流通不畅,这时需要停车,清洗过滤器,打开电解槽下面的排污阀,排除污物,再开车。用碱液循环泵大流量循环碱液,通过冲刷作用把堵塞的小室通道疏通。如还不行,则要考虑相邻两片极板短路,使它们内部不产生气体。(2)法兰接口处漏碱:适当拧紧螺母或更
14、换聚四氟垫片。(3)弹簧片碎裂:每根拉紧螺栓受力都是很大的,碟形弹簧长期处于工作状态,有可能由于加工质量不佳,出现碟片破裂现象,这时可先停车待温度恢复到常温状态时,在其它螺栓拧紧的情况下松开相应的螺栓,拆下损坏的弹簧片,换上备件重新拧紧。五、故障与维护:五、故障与维护:制氢站培训教材-第一版 (4)气体纯度下降:当碱液循环量正常,差压和碱液温度控制正常情况下,如果气体纯度不断下降,氢气纯度很低,则要考虑石棉隔膜布可能破损,这时电解槽则需要大修。把槽体拆开,更换全部氟塑料隔膜石棉布垫片,重新组装。(5)电解槽温度过高,整流柜上电流表达不到额定值,如果整流柜本身没出问题,则要考虑电解液被不洁原料水
15、所污染,电阻过大,至使电流达不到额定值,应更换电解液。制氢站培训教材-第一版制氢站培训教材-第一版第三章第三章 气液处理器气液处理器(框架框架 I I)处理器是一个包含许多化工过程的多功能综合设备,它的作用如下:1、把从电解槽来的气液混合物在分离设备中进行气液分离。2、把分离出来的气体(氢气和氧气)气体夹带的液滴除去,以制成产品气。3、把分离后的碱液进行冷却以维持电解系统的适宜温度。4、通过碱液过滤器除去碱液杂质或绒毛。5、通过碱液循环泵提升碱液的压力以维持碱液以适量的流量在系统中流动,流量过低,热量不能及时带走;流量过高,产氢不纯。一、处理器的作用一、处理器的作用制氢站培训教材-第一版 由于
16、制氢装置的产氢量从 5300 m3/h变化范围很大,因此要完成以上的综合功能,内部组成上有一些不同的构成。处理器分为卧式和立式。1、卧式分离器:是卧式圆筒结构,由筒体、左右封头焊接而成,在一端封头上装设液位计。我厂使用的是该类型分离器。洗涤器:容器由筒体,上下封头焊接而成并装有液位计、温度计。容器中下部设有蛇管冷却器,上部顶端设有捕滴网芯。(1)洗涤器的作用:除掉气体中的碱雾及液滴,通过洗涤器内设置的蛇管冷却洗涤液,并降低气体温度。二二 、处理器的结构、处理器的结构制氢站培训教材-第一版 (2)分离器作用:借助于重力使水电解产生的氢气和氧气与循环碱液分离。除掉气体中的碱雾及液滴并降低气体温度;
17、维持水电解过程中所需的电解液容量,并观察液位;通过分离器内设置的蛇管冷却循环液,控制槽温。2、立式分离器:容器由筒体、上下封头焊接而成并装有液位计。下部的分离段和上部的洗涤段内设有蛇管冷却器,上、下段之间焊装隔板,隔板上安装 U 型通气管和气体分布器以及溢流管,上部洗涤段的顶端设有滤芯。其作用与卧式相同。制氢站培训教材-第一版 3、使用与维护:(1)经常观察分离器上压力显示值和液位高度,看其工作压力、液位、液位差是否处于正常状态。超过规定范围,首先用手动放空阀将气体放空,使压力和液位维持正常状态。然后找出原因,排除故障、恢复正常。若原因一时找不到,或找到但不能很快在开车情况下排除,则停车处理,
18、等恢复正常后再重新开车。注意:打开放空阀排空时,一定要慢慢开启,且要保持液位差趋于平衡。(2)若液面计进液孔堵塞,所示液面不能反应分离器中碱液的真实高度,则应停车、泄压后进行清洗排除。方法:(a)关闭液面计上、下阀门,打开上堵头和下排污孔或排污阀,用纯水从上到下冲洗液面计内腔和通道。(b)拆下进液阀门的阀杆,用细铁丝通入液孔,使孔内杂质流出直至碱液流出畅通为止。为预防运行中发生此类故障,可在设备停车再度开车前先检查液位计进液孔是否畅通,有堵塞现象应预先排除,然后开车。制氢站培训教材-第一版 1、作用:用来除去循环碱液中机械杂质和绒毛。2、结构:碱液过滤器由筒体、滤筒、滤网、法兰等组成。过滤网选
19、用80100目的不锈钢丝网或镍丝网。3、故障及排除方法:碱液循环量不断下降,槽体温度升高,或者分离器冷却正常而槽温又难以下降,这说明过滤器的滤网堵塞,应取出滤芯进行清洗。过滤器的清洗在停车状态下进行,清洗方法是:关闭过滤器进出口截止阀,打开过滤器顶部排气阀,泄掉过滤器内压力。拆开过滤器法兰螺拴,取下法兰盖,卸下滤筒进行清洗。三、碱液过滤器:制氢站培训教材-第一版 捕滴器一般装在洗涤器的上顶部或是分离器(如卧式分离器)的气体出口处,用于分离氢(氧)气中夹带的直径为 0.3 m以上微液滴。它是在一定直径的圆筒内装填一定规格和数量的不锈钢捕滴网。当进入捕滴器的气体流速控制在一定范围内时,气体中夹带的
20、液滴撞到丝网并附在其上,水滴聚集到一定程度,在重力作用下沿丝网下流,达到分离液滴的目的。四、捕滴器:屏蔽电泵是根据装置要求从专业生产厂家订购的。详细的额定参数及性能。请参阅产品出厂时附带的技术文件。五、屏蔽泵:制氢站培训教材-第一版 使用要求:使用要求:1、严禁空载运转。2、彻底清除装置内的铁锈及固体异物。3、空气全部排除后,方可运转。4、断流运转不得持续超过30秒。5、不得逆向持续运转。6、带冷却水套的屏蔽电泵,必须首先按规定的流量接通冷却水,然后开车运行。制氢站培训教材-第一版 7、在运转中,如发现异常声音或振动等,必须迅速查清原因排除故障。8、TRG表指示绿色区域运转正常,黄、红色区域不
21、允许继续运转。9、保护装置动作的情况下,在没有查清动作原因并彻底排除之前,不允许继续运转。10、小于最小流量时,不应运转。11、冷却水套、热交换器及逆循环管路内的流量小于规定时,不应开车。制氢站培训教材-第一版 本装置由电解槽、气液处理器、整流装置、控制柜、加水泵、碱泵、水箱几大部分组成。工艺流程简介工艺流程简介 1 1、气体系统、气体系统 当电解槽接通直流电源,电解电流上升到一定数值时,电解槽内的水被电解成氢气和氧气。来自电解槽内各电解小室阴极侧的氢气和碱液,借助循环泵的扬程和气体升力,进入氢分离洗涤器的分离段,在重力的作用下氢气和碱液分离,分离后的气体进入洗涤段,对气体进行冷却、洗涤除雾、
22、干燥,然后进入待贮罐用。氧气分离过程基本相同。氧气放空或进入贮罐待用。第四章第四章 水电解制氢工艺流程水电解制氢工艺流程制氢站培训教材-第一版 2 2、电解液循环系统、电解液循环系统 (1)电解液循环的目的:在于向电极区域补充电解消耗的纯水。带走电解过程中产生的氢气、氧气和热量。增加电极区域电解液的搅拌,减少浓差极化电压,降低碱液中的含气度。降低小室电压,减少能耗等,以使电解槽在稳定条件下工作。(2)碱液循环量的大小影响槽内小室电压和气体纯度。对于一个特定的电解槽,应有适量的循环量。槽内电解液更换次数每小时24次。在常压系统中,通常用自然循环,而在压力电解系统中,因电解装置体积小,管道细,气液
23、流通阻力大,电流密度较大,一般强制循环。碱液在氢分离器和氧分离器中,靠重力作用与氢气、氧气分离后,通过氢氧分离器的连通管汇总,再经过碱液过滤器除去杂质,然后由碱液循环泵把碱液送入电解槽,形成完整的电解液循环系统。制氢站培训教材-第一版 3 3、气体排空(氮气置换)系统、气体排空(氮气置换)系统 水电解制氢装置设有充氮口,用于系统的气密检查与开机前的氮气置换。制氢系统开车后,氢气纯度达到要求后才能被送到净化设备(或贮罐),在未达到要求纯度以前的氢气可通过调节阀后的气体放空阀放空。当水电解制氢装置压力压差系统由于调节阀阀芯的磨损而出现失控现象或紧急事故需要将水电解制氢系统排空时,可直接打开“手动”
24、气体放空阀,使氢氧气体分别放出,但要注意氢氧分离器液位差不大于150mm H2O。在正常情况下,氧侧有差压变送器,以此传送信号,通过调节氧侧的压力调节阀,来调节系统压力。氢侧有液位变送器,以此传送信号,通过氢侧的液位调节阀保证氢氧分离器液位差稳定。制氢站培训教材-第一版 4 4、原料水补充系统、原料水补充系统 (1)电解过程中,装置内的原料水一直不停地在消耗,因此为保证水电解的连续进行,需定期向制氢装置内补充原料水。(2)水箱中的水通过加水泵打入氢洗涤器,然后通过溢流管注入分离器下部的液相部分或直接打入氧分离器,与循环碱液一并进入电解小室进行连续电解,同时使电解液中碱的浓度保持在最佳浓度范围。
25、(3)原料水注入洗涤器然后再溢流到分离器,可以稀释洗涤器中的碱含量,降低产品气的含碱度。制氢站培训教材-第一版 (4)为保证水电解制氢装置压力系统中的气体和碱液在加水泵停转期间不外漏,在加水管道上均装有止回阀。(5)运行过程中,只开启单个补水回路,即只开氢侧或氧侧补水回路。(如果两侧补水同时开启,一旦止回阀损坏或泄露,出现氢氧之间串气,十分危险。)在氢侧补水,补到洗涤器,补水管插入洗涤器液面以下,早期设计补水管插入洗涤器液面上部,考虑起喷淋作用,但补水管在液面上部,如果止回阀损坏,容易出现氢氧串气,现在设在液面以下,即使止回阀损坏,洗涤器中的水先倒流到氧分离器,洗涤器液位低于一定值时,会产生报
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