شرح مفصل لنظام التحليل الكهربائي القلوي للماء

التحليل الكهربائيهيدروجينتتضمن وحدة الإنتاج مجموعة كاملة من أجهزة التحليل الكهربائي للماءهيدروجينمعدات الإنتاج، وتشمل المعدات الرئيسية ما يلي:

1. خلية التحليل الكهربائي

2. جهاز فصل الغاز عن السائل

3. نظام التجفيف والتنقية

4. يشمل الجزء الكهربائي: المحول، وخزانة المقوم، وخزانة التحكم PLC، وخزانة الأجهزة، وخزانة التوزيع، والحاسوب الرئيسي، إلخ.

٥. يشمل النظام المساعد بشكل أساسي: خزان محلول قلوي، وخزان مياه المواد الخام، ومضخة مياه التغذية، وأسطوانة/قضيب توصيل النيتروجين، إلخ. ٦. يشمل النظام المساعد الكامل للمعدات: جهاز تنقية المياه، وبرج التبريد، والمبرد، وضاغط الهواء، إلخ.

مبردات الهيدروجين والأكسجين، ويتم تجميع الماء بواسطة مصيدة تقطير قبل إرساله تحت سيطرة نظام التحكم؛ يمر الإلكتروليت عبرهيدروجينومرشحات الأكسجين القلوية، ومبردات الهيدروجين والأكسجين القلوية على التوالي تحت تأثير مضخة الدوران، ثم تعود إلى الخلية الإلكتروليتية لمزيد من التحليل الكهربائي.

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

يتميز الهيدروجين المُنتَج بالتحليل الكهربائي للماء بنقائه العالي وانخفاض شوائبه. عادةً ما تقتصر شوائب غاز الهيدروجين الناتج عن التحليل الكهربائي للماء على الأكسجين والماء فقط، دون أي مكونات أخرى (مما يمنع تسمم بعض المحفزات). وهذا يُسهّل إنتاج غاز هيدروجين عالي النقاء، ويُمكن للغاز المُنقّى أن يُلبي معايير الغازات الصناعية المستخدمة في الإلكترونيات.

يمر الهيدروجين الناتج عن وحدة إنتاج الهيدروجين عبر خزان عازل لتحقيق استقرار ضغط تشغيل النظام وإزالة الماء الحر من الهيدروجين.

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

يُمكن للجهاز إنشاء نظام ضبط تلقائي لإنتاج الهيدروجين وفقًا للظروف الفعلية. تُؤدي التغيرات في كمية الغاز إلى تقلبات في ضغط خزان تخزين الهيدروجين. يُرسل جهاز إرسال الضغط المُثبّت على الخزان إشارة تتراوح بين 4 و20 مللي أمبير إلى وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) للمقارنة مع القيمة المُحددة مسبقًا، وبعد التحويل العكسي وحسابات PID، يُرسل إشارة تتراوح بين 20 و4 مللي أمبير إلى خزانة المُقوّم لضبط شدة تيار التحليل الكهربائي، وبالتالي تحقيق هدف الضبط التلقائي لإنتاج الهيدروجين وفقًا لتغيرات كمية الهيدروجين.

التفاعل الوحيد في عملية إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للماء هو الماء (H2O)، والذي يتطلب تزويده باستمرار بالماء الخام عبر مضخة إعادة تعبئة. تقع نقطة إعادة التعبئة على فاصل الهيدروجين أو الأكسجين. بالإضافة إلى ذلك، يسحب الهيدروجين والأكسجين كمية صغيرة من الماء عند خروجهما من النظام. تستهلك المعدات ذات الاستهلاك المنخفض للماء لترًا واحدًا من الهيدروجين لكل متر مكعب قياسي، بينما تخفض المعدات الأكبر حجمًا هذا الاستهلاك إلى 0.9 لتر من الهيدروجين لكل متر مكعب قياسي. يُعيد النظام تعبئة الماء الخام باستمرار، مما يحافظ على استقرار مستوى وتركيز المحلول القلوي. كما يُعيد تعبئة الماء المتفاعل في الوقت المناسب للحفاظ على تركيز المحلول القلوي.

1. نظام مقوم المحول

يتكون هذا النظام بشكل أساسي من جهازين: محول كهربائي وخزانة مقوم. وتتمثل وظيفته الرئيسية في تحويل طاقة التيار المتردد 10/35 كيلوفولت، المُقدمة من مالك المحطة الأمامية، إلى طاقة التيار المستمر اللازمة للخلية الإلكتروليتية، وتزويد الخلية الإلكتروليتية بهذه الطاقة. يُستخدم جزء من الطاقة المُزودة لتحليل جزيئات الماء مباشرةً إلى هيدروجين وأكسجين، بينما يُستخدم الجزء الآخر لتوليد الحرارة، والتي يتم تبريدها بواسطة مُبرد قلوي باستخدام الماء.

معظم المحولات من النوع الزيتي. أما في حال وضعها داخل مبنى أو حاوية، فيمكن استخدام محولات جافة. وتُعدّ المحولات المستخدمة في معدات إنتاج الهيدروجين من الماء بالتحليل الكهربائي محولات خاصة تتطلب مطابقة بيانات كل خلية تحليل كهربائي، لذا فهي معدات مصممة خصيصًا.

تُعدّ خزائن المقومات من نوع الثايرستور الأكثر شيوعًا حاليًا، إذ تحظى بدعم مُصنّعي المعدات نظرًا لعمرها التشغيلي الطويل، واستقرارها العالي، وسعرها المنخفض. مع ذلك، ونظرًا لضرورة تكييف المعدات واسعة النطاق مع الطاقة المتجددة، فإن كفاءة تحويل الطاقة في خزائن مقومات الثايرستور منخفضة نسبيًا. يسعى مُصنّعو خزائن المقومات حاليًا إلى اعتماد خزائن مقومات IGBT الجديدة. تُستخدم تقنية IGBT على نطاق واسع في قطاعات أخرى مثل طاقة الرياح، ومن المتوقع أن تشهد خزائن مقومات IGBT تطورًا ملحوظًا في المستقبل.

1. نظام خزانة التوزيع

تُستخدم لوحة التوزيع بشكل أساسي لتزويد الطاقة لمختلف المكونات المزودة بمحركات في نظام فصل وتنقية الهيدروجين والأكسجين، الموجود خلف معدات إنتاج الهيدروجين المائي بالتحليل الكهربائي، بما في ذلك المعدات التي تعمل بجهد 400 فولت أو ما يُعرف عادةً بجهد 380 فولت. تشمل هذه المعدات مضخة تدوير القلويات في نظام فصل الهيدروجين والأكسجين، ومضخة مياه التغذية في النظام المساعد. كما توفر اللوحة الطاقة لأسلاك التسخين في نظام التجفيف والتنقية، بالإضافة إلى الأنظمة المساعدة اللازمة للنظام بأكمله، مثل أجهزة تنقية المياه، والمبردات، وضواغط الهواء، وأبراج التبريد، وضواغط الهيدروجين الخلفية، وآلات الهدرجة، وغيرها. وتشمل أيضًا تزويد الطاقة لأنظمة الإضاءة والمراقبة وغيرها من أنظمة المحطة بأكملها.

1. Cمقدمةنظام l

يُطبّق نظام التحكم نظام تحكم آلي باستخدام وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC). وتعتمد وحدة التحكم المنطقية عادةً على طراز Siemens 1200 أو 1500، وهي مزودة بشاشة لمس تفاعلية. ويتم عرض عمليات كل نظام من أنظمة الجهاز ومعاييره، بالإضافة إلى عرض منطق التحكم، على شاشة اللمس.

5. نظام تدوير المحلول القلوي

يتضمن هذا النظام بشكل أساسي المعدات الرئيسية التالية:

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

تتلخص العملية الرئيسية فيما يلي: يُفصل المحلول القلوي الممزوج بالهيدروجين والأكسجين في فاصل الهيدروجين والأكسجين بواسطة فاصل الغاز والسائل، ثم يُعاد ضخه إلى مضخة تدوير المحلول القلوي. يتصل فاصل الهيدروجين وفاصل الأكسجين هنا، وتقوم مضخة تدوير المحلول القلوي بتدوير المحلول القلوي المُعاد ضخه إلى الصمام ومرشح المحلول القلوي في الطرف الخلفي. بعد أن يُرشح المرشح الشوائب الكبيرة، يُعاد تدوير المحلول القلوي إلى داخل الخلية الإلكتروليتية.

6. نظام الهيدروجين

يتولد غاز الهيدروجين من جانب قطب الكاثود ويصل إلى الفاصل مع نظام تدوير المحلول القلوي. داخل الفاصل، يكون غاز الهيدروجين خفيفًا نسبيًا وينفصل تلقائيًا عن المحلول القلوي، ليصل إلى الجزء العلوي من الفاصل. ثم يمر عبر أنابيب لمزيد من الفصل، ويُبرد بماء التبريد، ويُجمع بواسطة جامع قطرات للوصول إلى نقاء يصل إلى حوالي 99% قبل وصوله إلى نظام التجفيف والتنقية النهائي.

الإخلاء: يتم استخدام إخلاء غاز الهيدروجين بشكل أساسي أثناء فترات بدء التشغيل والإيقاف، والعمليات غير الطبيعية، أو عندما لا تفي درجة النقاء بالمعايير، وكذلك لأغراض استكشاف الأخطاء وإصلاحها.

7. نظام الأكسجين

إن مسار الأكسجين مشابه لمسار الهيدروجين، إلا أنه يتم تنفيذه في فواصل مختلفة.

التفريغ: حاليًا، تستخدم معظم المشاريع طريقة تفريغ الأكسجين.

الاستخدام: لا تكتسب قيمة استخدام الأكسجين أهمية إلا في مشاريع خاصة، مثل التطبيقات التي تستخدم كلاً من الهيدروجين والأكسجين عالي النقاء، كما هو الحال في مصانع الألياف الضوئية. وهناك أيضاً بعض المشاريع الكبيرة التي خصصت حيزاً لاستخدام الأكسجين. وتشمل تطبيقاته في المراحل النهائية إنتاج الأكسجين السائل بعد التجفيف والتنقية، أو استخدامه في إنتاج الأكسجين الطبي عبر أنظمة التوزيع. ومع ذلك، لا تزال دقة هذه التطبيقات بحاجة إلى مزيد من التأكيد.

8. نظام مياه التبريد

تُعدّ عملية التحليل الكهربائي للماء تفاعلاً ماصًا للحرارة، ولذا يتطلب إنتاج الهيدروجين تزويده بالطاقة الكهربائية. مع ذلك، تتجاوز الطاقة الكهربائية المستهلكة في هذه العملية كمية الحرارة النظرية اللازمة لامتصاصها. بمعنى آخر، يتحول جزء من الكهرباء المستخدمة في خلية التحليل الكهربائي إلى حرارة، تُستخدم أساسًا لتسخين نظام تدوير المحلول القلوي في البداية، ما يرفع درجة حرارته إلى النطاق المطلوب (90 ± 5 درجة مئوية) للجهاز. إذا استمرت خلية التحليل الكهربائي في العمل بعد بلوغ درجة الحرارة المطلوبة، يجب تبريد الحرارة المتولدة بالماء للحفاظ على درجة الحرارة الطبيعية لمنطقة التفاعل. صحيح أن ارتفاع درجة الحرارة في منطقة التفاعل يُقلل من استهلاك الطاقة، إلا أن ارتفاعها المفرط قد يُتلف غشاء حجرة التحليل، ما يُؤثر سلبًا على تشغيل الجهاز على المدى الطويل.

يجب الحفاظ على درجة حرارة التشغيل المثلى لهذا الجهاز عند 95 درجة مئوية كحد أقصى. بالإضافة إلى ذلك، يجب تبريد وتجفيف الهيدروجين والأكسجين الناتجين، كما أن جهاز مقوم الثايرستور المبرد بالماء مزود بأنابيب التبريد اللازمة.

كما يتطلب جسم المضخة في المعدات الكبيرة استخدام مياه التبريد.

1. نظام تعبئة النيتروجين وتفريغ النيتروجين

قبل إجراء أي تعديلات على الجهاز وتشغيله، يجب إجراء اختبار إحكام النيتروجين على النظام. وقبل بدء التشغيل العادي، يلزم أيضًا تنقية الطور الغازي للنظام بالنيتروجين لضمان أن الغاز الموجود في حيز الطور الغازي على جانبي الهيدروجين والأكسجين بعيد تمامًا عن نطاق الاشتعال والانفجار.

بعد إيقاف تشغيل الجهاز، سيحافظ نظام التحكم تلقائيًا على الضغط ويحتفظ بكمية معينة من الهيدروجين والأكسجين داخل النظام. إذا كان الضغط لا يزال موجودًا أثناء بدء التشغيل، فلا داعي لإجراء عملية تنظيف. أما إذا انخفض الضغط تمامًا، فيجب إجراء عملية تنظيف بالنيتروجين مرة أخرى.

1. نظام تجفيف (تنقية) الهيدروجين (اختياري)

يُجفف غاز الهيدروجين المُحضر من التحليل الكهربائي للماء بواسطة مجفف موازٍ، ثم يُنقى باستخدام مرشح أنبوبي من النيكل المُلبّد للحصول على غاز هيدروجين جاف. وبناءً على متطلبات المستخدم لجودة الهيدروجين المُنتج، يُمكن إضافة جهاز تنقية إلى النظام، يستخدم عملية إزالة الأكسجين التحفيزية ثنائية المعدن من البلاديوم والبلاتين.

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 عامل حفاز، يتفاعل الأكسجين الموجود في غاز الهيدروجين مع غاز الهيدروجين لإنتاج الماء.

صيغة التفاعل: 2H2+O2 → 2H2O.

ثم يمر غاز الهيدروجين عبر مكثف الهيدروجين (الذي يبرد الغاز لتكثيف بخار الماء إلى ماء، والذي يتم تصريفه تلقائيًا خارج النظام من خلال جامع) ويدخل برج الامتزاز.