شرح تفصيلي لنظام التحليل الكهربائي للمياه القلوية

التحليل الكهربائيهيدروجينتتضمن وحدة الإنتاج مجموعة كاملة من التحليل الكهربائي للمياههيدروجينمعدات الإنتاج، مع المعدات الرئيسية بما في ذلك:

1. خلية التحليل الكهربائي

2. جهاز فصل الغاز السائل

3. نظام التجفيف والتنقية

4. الجزء الكهربائي يشمل: المحول، خزانة المقوم، خزانة التحكم PLC، خزانة الأدوات، خزانة التوزيع، الكمبيوتر العلوي، إلخ.

5. يتضمن النظام المساعد بشكل أساسي: خزان المحلول القلوي، خزان مياه المواد الخام، مضخة مياه المكياج، أسطوانة/قضيب النيتروجين، إلخ/ 6. يتضمن النظام المساعد العام للمعدات: آلة المياه النقية، برج التبريد، المبرد، ضاغط الهواء، الخ

مبردات الهيدروجين والأكسجين، ويتم جمع المياه عن طريق مصيدة التنقيط قبل إرسالها تحت سيطرة نظام التحكم؛ يمر المنحل بالكهرباء من خلالهيدروجينومرشحات الأكسجين القلوية، ومبردات الهيدروجين والأكسجين القلوي على التوالي تحت تأثير مضخة الدورة الدموية، ثم تعود إلى خلية التحليل الكهربائي لمزيد من التحليل الكهربائي.

يتم تنظيم ضغط النظام من خلال نظام التحكم في الضغط ونظام التحكم في الضغط التفاضلي لتلبية متطلبات العمليات النهائية والتخزين.

يتميز الهيدروجين الناتج عن التحليل الكهربائي للماء بمزايا النقاء العالي والشوائب المنخفضة. عادةً، تكون الشوائب الموجودة في غاز الهيدروجين الناتج عن التحليل الكهربائي للماء عبارة عن أكسجين وماء فقط، دون أي مكونات أخرى (والتي يمكن أن تتجنب تسمم بعض المحفزات). وهذا يوفر الراحة لإنتاج غاز الهيدروجين عالي النقاء، ويمكن للغاز المنقى أن يلبي معايير الغازات الصناعية ذات الدرجة الإلكترونية.

يمر الهيدروجين الذي تنتجه وحدة إنتاج الهيدروجين عبر خزان عازل لتثبيت ضغط عمل النظام وإزالة الماء الحر من الهيدروجين.

بعد دخول جهاز تنقية الهيدروجين، تتم تنقية الهيدروجين الناتج عن طريق التحليل الكهربائي للماء، وذلك باستخدام مبادئ التفاعل التحفيزي وامتزاز المنخل الجزيئي لإزالة الأكسجين والماء والشوائب الأخرى من الهيدروجين.

يمكن للمعدات إعداد نظام تعديل إنتاج الهيدروجين الأوتوماتيكي وفقًا للحالة الفعلية. ستؤدي التغييرات في حمل الغاز إلى تقلبات في ضغط خزان الهيدروجين. سوف يقوم جهاز إرسال الضغط المثبت على خزان التخزين بإخراج إشارة 4-20 مللي أمبير إلى PLC للمقارنة مع القيمة المحددة الأصلية، وبعد التحويل العكسي وحساب PID، قم بإخراج إشارة 20-4 مللي أمبير إلى خزانة المقوم لضبط حجم تيار التحليل الكهربائي، وبالتالي تحقيق الغرض من الضبط التلقائي لإنتاج الهيدروجين وفقا للتغيرات في حمل الهيدروجين.

التفاعل الوحيد في عملية إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء هو الماء (H2O)، الذي يحتاج إلى تزويده باستمرار بالمياه الخام من خلال مضخة تجديد المياه. يقع موضع التغذية على فاصل الهيدروجين أو الأكسجين. بالإضافة إلى ذلك، يحتاج الهيدروجين والأكسجين إلى إزالة كمية صغيرة من الماء عند مغادرة النظام. يمكن للمعدات ذات الاستهلاك المنخفض للمياه أن تستهلك 1 لتر/نيوتن متر مكعب من الماء، بينما يمكن للمعدات الأكبر حجمًا أن تقلل ذلك إلى 0.9 لتر/نيوتن متر مكعب من الماء. يقوم النظام بتجديد المياه الخام بشكل مستمر، مما يحافظ على استقرار مستوى السائل القلوي وتركيزه. يمكنه أيضًا تجديد الماء المتفاعل في الوقت المناسب للحفاظ على تركيز المحلول القلوي.

1. نظام مقوم المحولات

يتكون هذا النظام بشكل أساسي من جهازين، محول وخزانة مقوم. وتتمثل وظيفتها الرئيسية في تحويل طاقة التيار المتردد 10/35 كيلو فولت التي يوفرها مالك الواجهة الأمامية إلى طاقة التيار المستمر التي تتطلبها الخلية الإلكتروليتية، وتزويد طاقة التيار المستمر للخلية الإلكتروليتية. يتم استخدام جزء من الطاقة الموردة لتحليل جزيئات الماء مباشرة إلى هيدروجين وأكسجين، والجزء الآخر يولد الحرارة، والتي يتم تنفيذها بواسطة المبرد القلوي من خلال مياه التبريد.

معظم المحولات من النوع الزيتي. إذا وضعت في الداخل أو داخل حاوية، يمكن استخدام المحولات من النوع الجاف. المحولات المستخدمة في معدات إنتاج هيدروجين الماء التحليلي الكهربائي هي محولات خاصة تحتاج إلى مطابقتها وفقًا لبيانات كل خلية تحليلية كهربائية، لذلك فهي معدات مخصصة.

حاليًا، خزانة المقوم الأكثر استخدامًا هي نوع الثايرستور، والذي يتم دعمه من قبل الشركات المصنعة للمعدات نظرًا لوقت الاستخدام الطويل، والاستقرار العالي، والسعر المنخفض. ومع ذلك، نظرًا للحاجة إلى تكييف المعدات واسعة النطاق مع الطاقة المتجددة الأمامية، فإن كفاءة التحويل لخزانات مقوم الثايرستور منخفضة نسبيًا. حاليًا، يسعى العديد من الشركات المصنعة لخزانة المقوم إلى اعتماد خزانات مقوم IGBT جديدة. إن IGBT شائع جدًا بالفعل في صناعات أخرى مثل طاقة الرياح، ويُعتقد أن خزانات مقوم IGBT ستحظى بتطور كبير في المستقبل.

1. نظام خزانة التوزيع

يتم استخدام خزانة التوزيع بشكل أساسي لتزويد الطاقة للمكونات المختلفة مع المحركات في نظام فصل وتنقية الأكسجين الهيدروجيني خلف معدات إنتاج هيدروجين الماء التحليلي، بما في ذلك 400V أو يشار إليها عادة بمعدات 380V. تشتمل المعدات على مضخة تدوير القلويات في إطار فصل الأكسجين الهيدروجيني ومضخة مياه التركيب في النظام المساعد؛ إمداد الطاقة لأسلاك التسخين في نظام التجفيف والتنقية وكذلك الأنظمة المساعدة اللازمة للنظام بأكمله مثل آلات المياه النقية والمبردات وضواغط الهواء وأبراج التبريد وضواغط الهيدروجين الخلفية وآلات الهدرجة وغيرها .، ويشمل أيضًا مصدر الطاقة للإضاءة والمراقبة والأنظمة الأخرى للمحطة بأكملها.

1. Cمقدمةنظام ل

نظام التحكم ينفذ التحكم الآلي PLC. يعتمد PLC بشكل عام Siemens 1200 أو 1500، وهو مجهز بشاشة تعمل باللمس لواجهة التفاعل بين الإنسان والآلة. يتم تحقيق عرض التشغيل والمعلمات لكل نظام من المعدات بالإضافة إلى عرض منطق التحكم على شاشة اللمس.

5. نظام تداول المحاليل القلوية

يتضمن هذا النظام بشكل رئيسي المعدات الرئيسية التالية:

فاصل الأكسجين الهيدروجيني – مضخة تداول المحلول القلوي – الصمام – مرشح المحلول القلوي – خلية التحليل الكهربائي

العملية الرئيسية هي كما يلي: يتم فصل المحلول القلوي الممزوج بالهيدروجين والأكسجين في فاصل الأكسجين والهيدروجين بواسطة فاصل الغاز والسائل وإعادته إلى مضخة تدوير المحلول القلوي. يتم توصيل فاصل الهيدروجين وفاصل الأكسجين هنا، وتقوم مضخة تدوير المحلول القلوي بتدوير المحلول القلوي الراجع إلى الصمام وفلتر المحلول القلوي في النهاية الخلفية. بعد أن يقوم الفلتر بتصفية الشوائب الكبيرة، يتم توزيع المحلول القلوي إلى داخل الخلية الإلكتروليتية.

6. نظام الهيدروجين

يتم توليد غاز الهيدروجين من جانب القطب الكاثود ويصل إلى الفاصل مع نظام تداول المحلول القلوي. داخل الفاصل، يكون غاز الهيدروجين خفيفًا نسبيًا وينفصل بشكل طبيعي عن المحلول القلوي، ويصل إلى الجزء العلوي من الفاصل. بعد ذلك، يمر عبر خطوط الأنابيب لمزيد من الفصل، ثم يتم تبريده بواسطة مياه التبريد، ويتم تجميعه بواسطة جهاز التقاط التنقيط لتحقيق نقاء يبلغ حوالي 99% قبل الوصول إلى نظام التجفيف والتنقية الخلفي.

الإخلاء: يُستخدم إخلاء غاز الهيدروجين بشكل أساسي أثناء فترات بدء التشغيل وإيقاف التشغيل، أو العمليات غير الطبيعية، أو عندما لا تستوفي النقاء المعايير، وكذلك لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها.

7. نظام الأوكسجين

إن مسار الأكسجين يشبه مسار الهيدروجين، إلا أنه يتم في فواصل مختلفة.

التفريغ: حالياً أغلب المشاريع تستخدم طريقة تفريغ الأكسجين.

الاستخدام: قيمة استخدام الأكسجين تكون ذات معنى فقط في المشاريع الخاصة، مثل التطبيقات التي يمكنها استخدام كل من الهيدروجين والأكسجين عالي النقاء، مثل الشركات المصنعة للألياف الضوئية. كما أن هناك بعض المشاريع الكبيرة التي خصصت مساحة لاستغلال الأكسجين. سيناريوهات تطبيق الواجهة الخلفية مخصصة لإنتاج الأكسجين السائل بعد التجفيف والتنقية، أو للأكسجين الطبي من خلال أنظمة التشتت. ومع ذلك، فإن دقة سيناريوهات الاستخدام هذه لا تزال بحاجة إلى مزيد من التأكيد.

8. نظام مياه التبريد

إن عملية التحليل الكهربائي للماء عبارة عن تفاعل ماص للحرارة، ويجب تزويد عملية إنتاج الهيدروجين بالطاقة الكهربائية. ومع ذلك، فإن الطاقة الكهربائية المستهلكة في عملية التحليل الكهربائي للمياه تتجاوز الامتصاص الحراري النظري لتفاعل التحليل الكهربائي للماء. بمعنى آخر، يتم تحويل جزء من الكهرباء المستخدمة في خلية التحليل الكهربائي إلى حرارة، والتي تستخدم بشكل أساسي لتسخين نظام تداول المحلول القلوي في البداية، مما يرفع درجة حرارة المحلول القلوي إلى نطاق درجة الحرارة المطلوبة وهو 90 ± 5 ℃ للمعدات. إذا استمرت خلية التحليل الكهربائي في العمل بعد الوصول إلى درجة الحرارة المقدرة، فيجب أن يتم تنفيذ الحرارة المتولدة عن طريق ماء التبريد للحفاظ على درجة الحرارة الطبيعية لمنطقة تفاعل التحليل الكهربائي. يمكن أن تؤدي درجة الحرارة المرتفعة في منطقة تفاعل التحليل الكهربائي إلى تقليل استهلاك الطاقة، ولكن إذا كانت درجة الحرارة مرتفعة جدًا، فسوف يتلف الحجاب الحاجز لغرفة التحليل الكهربائي، مما سيضر أيضًا بتشغيل الجهاز على المدى الطويل.

يجب الحفاظ على درجة حرارة التشغيل المثالية لهذا الجهاز بما لا يزيد عن 95 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك، يحتاج الهيدروجين والأكسجين الناتج أيضًا إلى التبريد وإزالة الرطوبة، كما أن جهاز مقوم الثايرستور المبرد بالماء مجهز أيضًا بخطوط أنابيب التبريد اللازمة.

يتطلب جسم المضخة للمعدات الكبيرة أيضًا مشاركة مياه التبريد.

1. نظام تعبئة النيتروجين وتطهير النيتروجين

قبل تصحيح الأخطاء وتشغيل الجهاز، يجب إجراء اختبار ضيق النيتروجين على النظام. قبل بدء التشغيل الطبيعي، يلزم أيضًا تطهير الطور الغازي للنظام بالنيتروجين للتأكد من أن الغاز الموجود في مساحة الطور الغازي على جانبي الهيدروجين والأكسجين بعيدًا عن نطاق الاشتعال والانفجار.

بعد إيقاف تشغيل المعدات، سيحافظ نظام التحكم تلقائيًا على الضغط ويحتفظ بكمية معينة من الهيدروجين والأكسجين داخل النظام. إذا كان الضغط لا يزال موجودًا أثناء بدء التشغيل، فليست هناك حاجة لإجراء عملية تطهير. ومع ذلك، إذا تم تخفيف الضغط تمامًا، فيجب إجراء عملية تطهير النيتروجين مرة أخرى.

1. نظام تجفيف (تنقية) الهيدروجين (اختياري)

يتم تجفيف غاز الهيدروجين المحضر من التحليل الكهربائي للماء بواسطة مجفف متوازي، ثم تنقيته أخيرًا بواسطة مرشح أنبوب النيكل الملبد للحصول على غاز الهيدروجين الجاف. وفقًا لمتطلبات المستخدم للهيدروجين المنتج، قد يضيف النظام جهاز تنقية، والذي يستخدم إزالة الأكسجين الحفزي ثنائي المعدن بالبلاديوم والبلاتين من أجل التنقية.

يتم إرسال الهيدروجين الناتج عن وحدة إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للماء إلى وحدة تنقية الهيدروجين من خلال خزان عازل.

يمر غاز الهيدروجين أولاً عبر برج إزالة الأكسجين، وتحت تأثير المحفز، يتفاعل الأكسجين الموجود في غاز الهيدروجين مع غاز الهيدروجين لإنتاج الماء.

صيغة التفاعل: 2H2+O2 2H2O.

بعد ذلك، يمر غاز الهيدروجين عبر مكثف الهيدروجين (الذي يبرد الغاز ليكثف بخار الماء إلى ماء، والذي يتم تفريغه تلقائيًا خارج النظام من خلال المجمع) ويدخل إلى برج الامتزاز.