شرح مفصل لنظام تحلية المياه بالتحليل الكهربائي القلوي

التحليل الكهربائيهيدروجينتتضمن وحدة الإنتاج مجموعة كاملة من أجهزة التحليل الكهربائي للمياههيدروجينمعدات الإنتاج، حيث تشمل المعدات الرئيسية ما يلي:

1. الخلية الكهربية

2. جهاز فصل الغاز عن السائل

3. نظام التجفيف والتنقية

4. يتضمن الجزء الكهربائي: المحول، وخزانة المقوم، وخزانة التحكم PLC، وخزانة الأجهزة، وخزانة التوزيع، والكمبيوتر العلوي، وما إلى ذلك.

5. يتضمن النظام المساعد بشكل أساسي: خزان المحلول القلوي، وخزان مياه المواد الخام، ومضخة مياه التعويض، وأسطوانة/قضيب النيتروجين، وما إلى ذلك. 6. يتضمن النظام المساعد الشامل للمعدات: آلة المياه النقية، وبرج التبريد، والمبرد، وضاغط الهواء، وما إلى ذلك.

مبردات الهيدروجين والأكسجين، ويتم جمع الماء بواسطة مصيدة التنقيط قبل إرساله تحت سيطرة نظام التحكم؛ يمر المنحل بالكهرباء من خلالهيدروجينومرشحات القلويات الأكسجينية ومبردات القلويات الهيدروجينية والأكسجينية على التوالي تحت تأثير مضخة الدورة الدموية، ثم تعود إلى الخلية الكهروليتية لمزيد من التحليل الكهربائي.

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

يتميز الهيدروجين الناتج عن التحليل الكهربائي للماء بنقائه العالي وقلة شوائبه. عادةً ما تكون شوائب غاز الهيدروجين الناتج عن التحليل الكهربائي للماء هي الأكسجين والماء فقط، دون أي مكونات أخرى (مما يُجنّب تسمم بعض المحفزات). هذا يُسهّل إنتاج غاز هيدروجين عالي النقاء، ويُطابق الغاز المُنقّى معايير الغازات الصناعية الإلكترونية.

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

بعد دخول جهاز تنقية الهيدروجين، يتم تنقية الهيدروجين الناتج عن التحليل الكهربائي للماء بشكل أكبر، باستخدام مبادئ التفاعل التحفيزي وامتصاص المنخل الجزيئي لإزالة الأكسجين والماء والشوائب الأخرى من الهيدروجين.

يمكن للجهاز إعداد نظام ضبط تلقائي لإنتاج الهيدروجين وفقًا للحالة الفعلية. ستؤدي أي تغييرات في حمل الغاز إلى تقلبات في ضغط خزان تخزين الهيدروجين. يُرسل مُرسِل الضغط المُثبَّت على الخزان إشارةً تتراوح بين 4 و20 مللي أمبير إلى وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) للمقارنة مع القيمة الأصلية المُحددة. وبعد التحويل العكسي وحساب مُعرِّف التكامل التفاضلي والتفاضلي (PID)، يُرسل إشارةً تتراوح بين 20 و4 مللي أمبير إلى خزانة المُقوِّم لضبط تيار التحليل الكهربائي، مما يُحقق الضبط التلقائي لإنتاج الهيدروجين وفقًا لتغيرات حمله.

التفاعل الوحيد في عملية إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للماء هو الماء (H2O)، والذي يحتاج إلى تزويد مستمر بالماء الخام عبر مضخة إعادة تعبئة الماء. يقع موضع إعادة التعبئة على فاصل الهيدروجين أو الأكسجين. بالإضافة إلى ذلك، يحتاج الهيدروجين والأكسجين إلى سحب كمية صغيرة من الماء عند مغادرة النظام. يمكن للمعدات ذات استهلاك الماء المنخفض استهلاك 1 لتر/متر مكعب من الهيدروجين، بينما يمكن للمعدات الأكبر خفضه إلى 0.9 لتر/متر مكعب من الهيدروجين. يُعيد النظام تغذية الماء الخام باستمرار، مما يُحافظ على استقرار مستوى السائل القلوي وتركيزه. كما يُمكنه إعادة تغذية الماء المتفاعل في الوقت المناسب للحفاظ على تركيز المحلول القلوي.

1. نظام مقوم المحول

يتكون هذا النظام بشكل رئيسي من جهازين: محول كهربائي وخزانة مقوم. وظيفته الرئيسية هي تحويل طاقة التيار المتردد 10/35 كيلو فولت التي يوفرها المالك الرئيسي إلى طاقة تيار مستمر تحتاجها الخلية الإلكتروليتية، وتزويدها بالطاقة المستمرة. يُستخدم جزء من الطاقة المُزوَّدة لتحليل جزيئات الماء مباشرةً إلى هيدروجين وأكسجين، بينما يُولِّد الجزء الآخر حرارةً ينقلها المبرد القلوي عبر مياه التبريد.

معظم المحولات تعمل بالزيت. يمكن استخدام المحولات الجافة، سواءً داخل المنزل أو داخل حاوية. المحولات المستخدمة في معدات إنتاج الهيدروجين المائي الكهربائي هي محولات خاصة تتطلب مطابقة بيانات كل خلية كهربائية، لذا فهي معدات مصممة خصيصًا.

حاليًا، يُعدّ الثايرستور أكثر أنواع خزائن المقومات شيوعًا، ويدعمه مصنعو المعدات نظرًا لطول فترة استخدامه، وثباته العالي، وسعره المنخفض. ومع ذلك، نظرًا لضرورة تكييف المعدات الكبيرة مع الطاقة المتجددة، فإن كفاءة تحويل خزائن المقوم الثايرستور منخفضة نسبيًا. حاليًا، يسعى العديد من مصنعي خزائن المقوم إلى اعتماد خزائن مقوم IGBT جديدة. يُعدّ IGBT شائعًا جدًا في صناعات أخرى مثل طاقة الرياح، ويُعتقد أن خزائن مقوم IGBT ستشهد تطورًا ملحوظًا في المستقبل.

1. نظام خزانة التوزيع

تُستخدم خزانة التوزيع بشكل رئيسي لتزويد الطاقة لمختلف المكونات بمحركات نظام فصل وتنقية الهيدروجين والأكسجين، الموجود خلف معدات إنتاج الهيدروجين بالماء الكهربائي، بما في ذلك معدات 400 فولت أو ما يُعرف عادةً بـ 380 فولت. تشمل هذه المعدات مضخة دوران القلويات في إطار فصل الهيدروجين والأكسجين، ومضخة الماء التكميلي في النظام المساعد. كما يشمل مصدر الطاقة لأسلاك التسخين في نظام التجفيف والتنقية، بالإضافة إلى الأنظمة المساعدة اللازمة للنظام بأكمله، مثل آلات المياه النقية، والمبردات، وضواغط الهواء، وأبراج التبريد، وضواغط الهيدروجين الخلفية، وآلات الهدرجة، وغيرها، مصدر الطاقة للإضاءة والمراقبة وغيرها من أنظمة المحطة بأكملها.

1. Cأونترانظام ل

يعتمد نظام التحكم على نظام تحكم آلي PLC. يعتمد نظام PLC عادةً على نظام Siemens 1200 أو 1500، وهو مزود بشاشة لمس تفاعلية. تعرض شاشة اللمس عمليات ومعلمات كل نظام من أنظمة المعدات، بالإضافة إلى منطق التحكم.

5. نظام تداول المحاليل القلوية

يتضمن هذا النظام بشكل أساسي المعدات الرئيسية التالية:

فاصل الهيدروجين والأكسجين – مضخة تدوير المحلول القلوي – صمام – مرشح المحلول القلوي – خلية التحليل الكهربائي

تتم العملية الرئيسية كما يلي: يُفصل المحلول القلوي المخلوط بالهيدروجين والأكسجين في فاصل الهيدروجين والأكسجين بواسطة فاصل الغاز والسائل، ويُعاد إرجاعه إلى مضخة تدوير المحلول القلوي. يتصل فاصل الهيدروجين وفاصل الأكسجين هنا، وتقوم مضخة تدوير المحلول القلوي بتدوير المحلول القلوي المُعاد إرجاعه إلى الصمام وفلتر المحلول القلوي في الطرف الخلفي. بعد أن يُصفّي الفلتر الشوائب الكبيرة، يُعاد تدوير المحلول القلوي إلى داخل الخلية الإلكتروليتية.

6.نظام الهيدروجين

يُولَّد غاز الهيدروجين من جانب قطب الكاثود، ويصل إلى الفاصل مع نظام تدوير المحلول القلوي. داخل الفاصل، يكون غاز الهيدروجين خفيفًا نسبيًا، وينفصل طبيعيًا عن المحلول القلوي، ويصل إلى الجزء العلوي منه. ثم يمر عبر أنابيب لمزيد من الفصل، ويُبرَّد بماء التبريد، ويُجمَّع بواسطة جهاز تجميع التنقيط لتحقيق نقاء يقارب 99%، قبل أن يصل إلى نظام التجفيف والتنقية الخلفي.

الإخلاء: يتم استخدام إخلاء غاز الهيدروجين بشكل أساسي أثناء فترات بدء التشغيل والإغلاق، والعمليات غير الطبيعية، أو عندما لا تتوافق النقاء مع المعايير، وكذلك لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها.

7. نظام الأكسجين

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

التفريغ: في الوقت الحالي، تستخدم معظم المشاريع طريقة تفريغ الأكسجين.

الاستخدام: لا تُعدّ قيمة استخدام الأكسجين ذات دلالة إلا في المشاريع الخاصة، مثل التطبيقات التي تستخدم كلاً من الهيدروجين والأكسجين عالي النقاء، مثل مُصنّعي الألياف الضوئية. كما تُخصّص بعض المشاريع الكبيرة مساحةً لاستخدام الأكسجين. وتُستخدم سيناريوهات التطبيقات الخلفية لإنتاج الأكسجين السائل بعد التجفيف والتنقية، أو للأكسجين الطبي من خلال أنظمة التشتيت. ومع ذلك، لا تزال دقة سيناريوهات الاستخدام هذه بحاجة إلى مزيد من التأكيد.

8. نظام مياه التبريد

عملية التحليل الكهربائي للماء تفاعل ماص للحرارة، ويجب تزويد عملية إنتاج الهيدروجين بالطاقة الكهربائية. ومع ذلك، تتجاوز الطاقة الكهربائية المستهلكة في عملية التحليل الكهربائي للماء الامتصاص الحراري النظري لتفاعل التحليل الكهربائي للماء. بمعنى آخر، يتحول جزء من الكهرباء المستخدمة في خلية التحليل الكهربائي إلى حرارة، تُستخدم بشكل أساسي لتسخين نظام دوران المحلول القلوي في البداية، مما يرفع درجة حرارة المحلول القلوي إلى نطاق درجة الحرارة المطلوب للمعدات وهو 90 ± 5 درجة مئوية. إذا استمرت خلية التحليل الكهربائي في العمل بعد الوصول إلى درجة الحرارة المقدرة، فيجب تبريد الحرارة المتولدة للحفاظ على درجة الحرارة الطبيعية لمنطقة تفاعل التحليل الكهربائي. يمكن أن تقلل درجة الحرارة العالية في منطقة تفاعل التحليل الكهربائي من استهلاك الطاقة، ولكن إذا كانت درجة الحرارة مرتفعة جدًا، فسيتلف غشاء غرفة التحليل الكهربائي، مما سيضر أيضًا بالتشغيل طويل الأمد للمعدات.

يجب ألا تتجاوز درجة حرارة التشغيل المثالية لهذا الجهاز 95 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك، يجب تبريد الهيدروجين والأكسجين المُولَّدين وإزالة الرطوبة منهما، كما أن جهاز مقوم الثايرستور المُبرَّد بالماء مُزوَّد بأنابيب التبريد اللازمة.

يتطلب جسم المضخة للمعدات الكبيرة أيضًا مشاركة مياه التبريد.

1. نظام تعبئة وتنقية النيتروجين

قبل تصحيح أخطاء الجهاز وتشغيله، يجب إجراء اختبار إحكام النيتروجين على النظام. قبل التشغيل الطبيعي، يلزم أيضًا تطهير الطور الغازي للنظام بالنيتروجين لضمان أن يكون الغاز في حيز الطور الغازي على جانبي الهيدروجين والأكسجين بعيدًا عن نطاق المواد القابلة للاشتعال والانفجار.

بعد إيقاف تشغيل الجهاز، يحافظ نظام التحكم تلقائيًا على الضغط ويحتفظ بكمية معينة من الهيدروجين والأكسجين داخل النظام. إذا استمر الضغط عند بدء التشغيل، فلا حاجة لإجراء عملية تطهير. أما إذا انخفض الضغط تمامًا، فيجب إجراء عملية تطهير بالنيتروجين مرة أخرى.

1. نظام تجفيف (تنقية) الهيدروجين (اختياري)

يُجفف غاز الهيدروجين المُحضّر من التحليل الكهربائي للماء بواسطة مجفف متوازي، ثم يُنقى أخيرًا بواسطة مرشح أنبوبي من النيكل المُلبّد للحصول على غاز هيدروجين جاف. وفقًا لمتطلبات المستخدم للهيدروجين الناتج، يُمكن إضافة جهاز تنقية يستخدم إزالة الأكسجين الحفزي ثنائي المعدن من البلاديوم والبلاتين للتنقية.

يتم إرسال الهيدروجين المنتج بواسطة 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 يقوم بتبريد الغاز لتكثيف بخار الماء إلى ماء، والذي يتم تفريغه تلقائيًا خارج النظام من خلال مجمع) ويدخل إلى برج الامتزاز.