【正文】 制氫站培訓(xùn)教材 ******發(fā)電有限公司設(shè)備部制作 2022年 2月 制氫站培訓(xùn)教材 第一版 目 錄 制氫站培訓(xùn)教材 第一版 第一章 水電解制氫裝置 第二章 水電解制氫裝置組成 第三章 氣液處理器 第四章 水電解制氫工藝流程 第 五 章 氫氣純化干燥裝置 第六章 其他設(shè)備 第七章 設(shè)備維護(hù)、安全事項(xiàng)與故障的排除 第八章 配制電解液 第九章 系統(tǒng)的操作規(guī)程 第一章 水電解制氫原理 氫氣是無(wú)色、無(wú)臭、無(wú)毒和無(wú)味的可燃?xì)怏w。它同氮?dú)?、氬氣、甲烷等氣體一樣，都是窒息氣，擴(kuò)散性強(qiáng)，還原性強(qiáng)，導(dǎo)熱系數(shù)高。氫氣的化學(xué)性質(zhì)活潑，可與許多非金屬化合。 氫氣是一種易燃、易爆的氣體。在空氣中的爆炸極限：上限 75 . 5 % ，下限 4 % ；在純氧中的爆炸極限：上限 94 % ，下限 4 ％。氫氣的著火性能隨著溫度和壓力的不同而變化。 爆炸條件：（ 1）在爆炸范圍內(nèi)。 （ 2）有熱源，著火點(diǎn)在 20181。j。 一、氫氣的性質(zhì) 制氫站培訓(xùn)教材 第一版 氫氣廣泛應(yīng)用于電力、化學(xué)、冶金、電子、等工業(yè)部門 ： 在電力工業(yè)中，氫氣可作為汽輪發(fā)電機(jī)的冷卻劑，導(dǎo)熱系數(shù)高。液態(tài)氫又是宇航和火箭的重要燃料；固態(tài)氫具有金屬性并有超導(dǎo)性能。 在化學(xué)化工方面，氫是合成氨、氯化氫、有機(jī)合成的氫化反應(yīng)和油脂硬化等的原料。 在尼龍、塑料、農(nóng)藥的生產(chǎn)中也都離不開(kāi)氫，需加入一定純度的氫氣，生產(chǎn)相應(yīng)的產(chǎn)品。 在冶金工業(yè)中，氫氣的使用頗為廣泛。在有色金屬 — 鎢、鉬、鈦等的生產(chǎn)和加工中，使用高純度的氫氣作為還原氣。 二、氫氣的用途 制氫站培訓(xùn)教材 第一版 制氫站培訓(xùn)教材 第一版 在一些磁性材料、磁性合金的生產(chǎn)中，需要高純度氫氣作保護(hù)氣，以提高其磁性和穩(wěn)定性。 在硅鋼片的生產(chǎn)中，需要高純度的氫氣作保護(hù)氣；在硬質(zhì)合金、粉末冶金材料的生產(chǎn)中，也需要高純度氫氣作保護(hù)氣。 在一些薄板、帶鋼的軋制中常常使用氮?dú)?— 氫氣混合氣，作為保護(hù)氣。 在電子工業(yè)中，也十分廣泛地使用高純度氫氣，主要用于電子材料、半導(dǎo)體材料和器件、集成電路以及真空器件的生產(chǎn)。 在建筑材料和輕工業(yè)中，如玻璃和人造寶石的制造和加工，氫氣被廣泛地用作燃燒氣和保護(hù)氣。 氫氣優(yōu)點(diǎn)：便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，被譽(yù)為 ? 清潔 ? 的新能源。 三、氫氣制取方法 制氫站培訓(xùn)教材 第一版 水電解： 設(shè)備體積小，流程簡(jiǎn)單，純度高，雜質(zhì)少，無(wú)污染；但能耗高，產(chǎn)量小 。 氨分解 ：產(chǎn)氣量大，但純度不高。 甲醇、天然氣裂解 ：能耗低，產(chǎn)氣量大，雜質(zhì)復(fù)雜，不易分離。 制氫站培訓(xùn)教材 第一版 電解定律： 任何物質(zhì)在電解過(guò)程中，在數(shù)量上的變化都服從法拉第定律。 （ 1）電解時(shí)，在電極上析出的物質(zhì)的數(shù)量，與通過(guò)溶液的電流強(qiáng)度和通電時(shí)間成正比，也就是說(shuō)與通過(guò)溶液的電量成正比。 G = KeIt 式中： G— 化學(xué)反應(yīng)生成物的量 I— 電流 T— 通電時(shí)間 Ke— 電化當(dāng)量 四、水電解制氫裝置的工作原理 制氫站培訓(xùn)教材 第一版 （ 2）用相同的電量通過(guò)不同的電解質(zhì)溶液時(shí)，各種溶液在兩極上析出的物質(zhì)量與它的電化當(dāng)量成正比，而析出 1克當(dāng)量的任何物質(zhì)都需要 96500庫(kù)侖（ C） 的電量，以法拉第（ F） 表示。 1法拉第 =96500庫(kù)侖 = 小時(shí) 顯然，電化當(dāng)量的數(shù)值應(yīng)等于化學(xué)當(dāng)量 e 被法拉第常數(shù)除所得的商，即 G = KeIt ＝ Ite/F 因此在陰極上析出 1mol分子的氫，所需的電量為： It = GF / e = 2 ＝ （ 安 時(shí)） 制氫站培訓(xùn)教材 第一版 2 、水的電解 水存在下面的電離平衡 : H2O = H+ + OH 將一對(duì)電極插入水中，通以電流，氫離子逐漸向陰極移動(dòng)，在陰極上取得電子被還原為 H2 。 Na+或 K+離子在電解液的濃度下，其析出要比氫析出電位負(fù)的多，因此陰極上 H+先放電，析出氫； OH一 逐漸移向陽(yáng)極，陽(yáng)極失去電子而被氧化為 O2 。 純水是極弱的電解質(zhì)， H+ 及 OH一 離子濃度極少，在 25 ℃ 時(shí)， [ OH— ］ = 1 107M． 可以說(shuō)純水幾乎是不導(dǎo)電的。所以在水電解時(shí)必須加入其它的強(qiáng)電解質(zhì)，如 Na0H 或 KOH ， 以增強(qiáng)導(dǎo)電能力。 此時(shí)： 陽(yáng)極反應(yīng)： 4 OH一 — 4e = 2 H2O + O2 陰極反應(yīng)： 4 H2O + 4e = 2 H2 ↑ + 4 OH 總反應(yīng) 2 H2O = 2 H2 ↑ + O 2 ↑ 從反應(yīng)方程式得出： （ 1）水電解時(shí)，產(chǎn)生一份氧氣和兩份氫氣。 （ 2）加入 KOH或 NaOH只起導(dǎo)電作用，在電解過(guò)程中不被消耗。 制氫站培訓(xùn)教材 第一版 制氫站培訓(xùn)教材 第一版 第二章 水電解制氫裝置組成 單極性電解槽 ：?jiǎn)螛O電解槽是由外部并聯(lián)若干個(gè)電解槽組成的。而單元電解槽由若干個(gè)彼此交替的、彼此平行的陽(yáng)極版和陰極版組成。對(duì)于一個(gè)電極而言只能做陽(yáng)極或陰極。單極性電解槽安裝、維修簡(jiǎn)便，效率低，體積大。 一、電解槽分類： 制氫站培訓(xùn)教材 第一版 雙極性壓濾式電解槽： 雙極性電解槽的極板也是垂直的，互相平行排列，電流只從一端極板導(dǎo)入，通過(guò)電極經(jīng)電解液，傳到下個(gè)一塊極板，由另一端極板輸出。 每個(gè)電極板即產(chǎn)生氫，又產(chǎn)生氧，每個(gè)電極既是陽(yáng)極又是陰極。它使用有絕緣邊的隔膜作為電解小室的中間層，這樣具有壓濾機(jī)的結(jié)構(gòu)，所以稱雙極性壓力式電解槽。雙極性水電解槽中的每塊極板都傳導(dǎo)總的電流。槽內(nèi)電壓決定于相鄰兩電極的電位差。電解槽的總電壓為各個(gè)小室電壓之和。 工人在組裝電解槽 端極板和墊片，我廠采購(gòu)的電解槽 6根拉桿 制氫站培訓(xùn)教材 第一版 （ 1）串聯(lián)式：電流小、電壓大。 制氫站培訓(xùn)教材 第一版 （ 2）并聯(lián)式：電流大、電壓小。 中間接正極，兩端接地，本廠使用這種方式的電解槽，電解槽放在框架上，若用串聯(lián)式，會(huì)與框架形成回路，產(chǎn)生電流，而并聯(lián)式由于兩端接地，消除了這種隱患。 制氫站培訓(xùn)教材 第一版 我廠電解槽為并聯(lián)雙極性壓濾式結(jié)構(gòu)，由螺栓和兩塊端壓板把極板夾在一起，呈圓柱體結(jié)構(gòu)。 （ 1）大螺栓、大螺母、彈簧導(dǎo)套、蝶形彈簧等用來(lái)將各小室間的墊片壓緊，使槽體能承受內(nèi)壓，保證槽體不漏。必須使各螺栓承受有一定的預(yù)緊力，而且各螺栓受力要均勻。 （ 2）端壓板：兩端的端壓板的作用是承受電解槽的內(nèi)部壓力及密封墊片的密封壓力。足夠的厚度，電解槽在 — 壓力下工作，承受的壓力很大，因此要有足夠的厚度，以免變形并保證槽體的密封性。 （ 3）輸電板：電解槽的中間極板和左右端極板上都焊有輸電板。中間極板接直流輸出正極，兩個(gè)端極板接直流輸出負(fù)極。 一般工業(yè)上用的電解槽也可采用串聯(lián)型式，即一端為正極，另一端為負(fù)極。正負(fù)端極板與端壓板間有良好的絕緣。 二、外部結(jié)構(gòu)： 制氫站培訓(xùn)教材 第一版 三、內(nèi)部結(jié)構(gòu)： （ 1）極板：極板是由主極板和極框焊接后鍍鎳而成。鎳是非消耗性電極，在堿液里不會(huì)被腐蝕。極板上的乳頭起支承副極網(wǎng)、隔膜布和輸電的作用。 （ 2）陰副極網(wǎng)：用純鎳絲編織而成的，又用等離子噴涂法涂上活化層，使用前要用 稀堿液進(jìn)行活化處理。電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，在其表面上產(chǎn)生氫氣。 （ 3）陽(yáng)副極網(wǎng)：與陰副極網(wǎng)相同，電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，在其表面上產(chǎn)生氧氣。 （ 4）隔膜：現(xiàn)行工業(yè)水電解槽通常采用石棉布作為隔膜。隔膜的作用是隔開(kāi)電解時(shí)所產(chǎn)生的氫、氧氣體，而不阻止離子運(yùn)動(dòng)。石棉隔膜布在 30 % KOH溶液里長(zhǎng)期使用時(shí)其工作溫度不得高于 90℃ 。 制氫站培訓(xùn)教材 第一版 （ 5）絕緣密封墊：絕緣密封墊即起絕緣作用，又起密封作用，它是采用特制的塑料模壓而成的，也可與石棉布模壓在一起，是比較理想的密封材料。 （ 6）壓片：壓片是用來(lái)保護(hù)極板上的進(jìn)液孔和出氣孔的。當(dāng)墊片壓緊時(shí)，保證各通道不被密封墊的塑料因填充而阻塞。 （ 7）電解槽內(nèi)各種孔道的設(shè)置：水電解后，各陽(yáng)極小室生成的氧氣和堿液一起通過(guò)出氣孔經(jīng)氣體環(huán)道一同流出氧氣出口管；各陰極室生成的氫氣和堿液一同流出氫氣出口管。 （ 8）電解槽采用對(duì)角線循環(huán)路徑，各電解小室堿液循環(huán)量均勻，小室電壓均勻。 制氫站培訓(xùn)教材 第一版 四、注意事項(xiàng) 電解槽是水電解制氫裝置的核心，它的使用壽命與操作維護(hù)緊密相關(guān)。嚴(yán)格地按照操作說(shuō)明書進(jìn)行操作使用是電解槽經(jīng)久耐用的關(guān)鍵所在。 使用中必須注意下述各點(diǎn) ： （ 1）槽溫控制在 90℃ 以下； （ 2）槽壓控制在規(guī)定值范圍內(nèi)； ‘ （ 3）電解液循環(huán)量控制在正常值； （ 4）密切監(jiān)視氣體純度； （ 5）按時(shí)測(cè)量小室電壓，測(cè)電壓時(shí)注意電極方向，且不能讓電壓表某一極棒的觸頭同時(shí)接觸兩片極板造成短路； 制氫站培訓(xùn)教材 第一版 （ 6）電解槽上一定要清理干凈，不得有金屬物和堿液等導(dǎo)電介質(zhì)，周圍不能放置其它金屬物品，以防不慎落在槽體上造成小室短路； （ 7）定期清洗過(guò)濾器，清除濾網(wǎng)上的石棉絨毛和其它雜質(zhì)； （ 8）補(bǔ)充的原料水水質(zhì)一定要符合要求。電解質(zhì)為分析純或優(yōu)級(jí)純 KOH， 定期測(cè)量堿液濃度，使?jié)舛忍幱诤线m值。電解液中雜質(zhì)的含量 SO4— 2＜ 100mg/L； Fe + 3＜ 3mg/L: CI— ＜ 800mg/L 。 （ 9） 電解槽前放一橡膠板測(cè)量電壓時(shí)踏于橡膠板上，以確保操作人員的安全。 電解槽在熱緊 制氫站培訓(xùn)教材 第一版 （ 1）電解槽小室電壓不斷增加到 ，這說(shuō)明小室內(nèi)電解液流通不暢，這時(shí)需要停車，清洗過(guò)濾器，打開(kāi)電解槽下面的排污閥，排除污物，再開(kāi)車。用堿液循環(huán)泵大流量循環(huán)堿液，通過(guò)沖刷作用把堵塞的小室通道疏通。如還不行，則要考慮相鄰兩片極板短路，使它們內(nèi)部不產(chǎn)生氣體。 （ 2）法蘭接口處漏堿：適當(dāng)擰緊螺母或更換聚四氟墊片。 （ 3）彈簧片碎裂：每根拉緊螺栓受力都是很大的，碟形彈簧長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)，有可能由于加工質(zhì)量不佳，出現(xiàn)碟片破裂現(xiàn)象，這時(shí)可先停車待溫度恢復(fù)到常溫狀態(tài)時(shí)，在其它螺栓擰緊的情況下松開(kāi)相應(yīng)的螺栓，拆下?lián)p壞的彈簧片，換上備件重新擰緊。 五、故障與維護(hù)： 制氫站培訓(xùn)教材 第一版 （ 4）氣體純度下降：當(dāng)堿液循環(huán)量正常，差壓和堿液溫度控制正常情況下，如果氣體純度不斷下降，氫氣純度很低，則要考慮石棉隔膜布可能破損，這時(shí)電解槽則需要大修。把槽體拆開(kāi)，更換全部氟塑料隔膜石棉布?jí)|片，重新組裝。 （ 5）電解槽溫度過(guò)高，整流柜上電流表達(dá)不到額定值，如果整流柜本身沒(méi)出問(wèn)題，則要考慮電解液被不潔原料水所污染，電阻過(guò)大，至使電流達(dá)不到額定值，應(yīng)更換電解液。 制氫站培訓(xùn)教材 第一版 制氫站培訓(xùn)教材 第一版 第三章 氣液處理器 （ 框架 I ) 處理器是一個(gè)包含許多化工過(guò)程的多功能綜合設(shè)備，它的作用如下： 把從電解槽來(lái)的氣液混合物在分離設(shè)備中進(jìn)行氣液分離。 把分離出來(lái)的氣體（氫氣和氧氣）氣體夾帶的液滴除去，以制成產(chǎn)品氣。 把分離后的堿液進(jìn)行冷卻以維持電解系統(tǒng)的適宜溫度。 通過(guò)堿液過(guò)濾器除去堿液雜質(zhì)或絨毛。 通過(guò)堿液循環(huán)泵提升堿液的壓力以維持堿液以適量的流量在系統(tǒng)中流動(dòng)，流量過(guò)低，熱量不能及時(shí)帶走；流量過(guò)高，產(chǎn)氫不純。 一、處理器的作用 制氫站培訓(xùn)教材 第一版 由于制氫裝置的產(chǎn)氫量從 5— 300 m3/h變化范圍很大，因此要完成以上的綜合功能，內(nèi)部組成上有一些不同的構(gòu)成。 處理器分為臥式和立式。 臥式分離器：是臥式圓筒結(jié)構(gòu)，由筒體、左右封頭焊接而成，在一端封頭上裝設(shè)液位計(jì)。我廠使用的是該類型分離器。 洗滌器：容器由筒體，上下封頭焊接而成并裝有液位計(jì)、溫度計(jì)。容器中下部設(shè)有蛇管冷卻器，上部頂端設(shè)