L'unità di produzione di idrogeno tramite elettrolisi comprende un set completo di apparecchiature per la produzione di idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua. Le apparecchiature principali sono:
1. Elettrolizzatore
2. Dispositivo di separazione gas-liquido
3. Sistema di essiccazione e purificazione
4. La parte elettrica comprende: trasformatore, armadio raddrizzatore, armadio di controllo del programma PLC, armadio strumenti, armadio di distribuzione dell'energia, computer host, ecc.
5. Il sistema ausiliario comprende principalmente: serbatoio alcalino, serbatoio dell'acqua grezza, pompa di alimentazione dell'acqua, bombola/barra di distribuzione dell'azoto, ecc.
6. Il sistema ausiliario complessivo dell'apparecchiatura comprende: macchina per acqua pura, torre di raffreddamento, refrigeratore, compressore d'aria, ecc.
Nell'unità di produzione elettrolitica di idrogeno, l'acqua viene decomposta in una parte di idrogeno e mezza parte di ossigeno nell'elettrolizzatore sotto l'azione di corrente continua. L'idrogeno e l'ossigeno prodotti vengono inviati al separatore gas-liquido insieme all'elettrolita per la separazione. L'idrogeno e l'ossigeno vengono raffreddati da appositi scambiatori di calore, e l'acqua viene raccolta e rimossa da un separatore di gocce, quindi l'elettrolita passa attraverso un filtro alcalino, un altro filtro alcalino, ecc., sotto l'azione di una pompa di circolazione, e infine ritorna all'elettrolizzatore per continuare l'elettrolisi.
La pressione del sistema viene regolata tramite il sistema di controllo della pressione e il sistema di controllo della pressione differenziale per soddisfare i requisiti dei processi successivi e dello stoccaggio.
L'idrogeno prodotto tramite elettrolisi dell'acqua presenta i vantaggi di un'elevata purezza e di poche impurità. Solitamente, le impurità presenti nell'idrogeno prodotto tramite elettrolisi dell'acqua sono solo ossigeno e acqua, e nessun altro componente (il che può evitare l'avvelenamento di alcuni catalizzatori), il che facilita la produzione di idrogeno ad alta purezza. Dopo la purificazione, il gas prodotto può raggiungere gli standard dei gas industriali di grado elettronico.
L'idrogeno prodotto dal dispositivo di produzione di idrogeno passa attraverso un serbatoio tampone per stabilizzare la pressione di esercizio del sistema e rimuovere ulteriormente l'acqua libera presente nell'idrogeno.
Dopo essere entrato nel dispositivo di purificazione, l'idrogeno prodotto dall'elettrolisi dell'acqua viene ulteriormente purificato, rimuovendo ossigeno, acqua e altre impurità mediante i principi della reazione catalitica e dell'adsorbimento su setacci molecolari.
L'apparecchiatura può impostare un sistema di regolazione automatica per la produzione di idrogeno in base alla situazione reale. Le variazioni del carico di gas causano fluttuazioni nella pressione del serbatoio di stoccaggio dell'idrogeno. Il trasmettitore di pressione installato sul serbatoio di stoccaggio emette un segnale 4-20 mA e lo invia al PLC. Dopo aver confrontato il valore impostato inizialmente ed eseguito la trasformazione inversa e il calcolo PID, viene emesso un segnale 20-4 mA che viene inviato al quadro raddrizzatore per regolare l'intensità della corrente di elettrolisi, realizzando così la regolazione automatica della produzione di idrogeno in base alle variazioni del carico di idrogeno.
Le apparecchiature per la produzione di idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua alcalina comprendono principalmente i seguenti sistemi:
(1) Sistema idrico per materie prime
L'unica sostanza che reagisce nel processo di produzione di idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua è l'acqua (H2O), che deve essere continuamente reintegrata con acqua grezza tramite una pompa di rifornimento. Il punto di rifornimento dell'acqua si trova sul separatore di idrogeno o ossigeno. Inoltre, una piccola quantità di idrogeno e ossigeno deve essere rimossa dal sistema a causa dell'umidità. Il consumo di acqua per le apparecchiature di piccole dimensioni è di 1 L/Nm³H2, mentre per le apparecchiature di grandi dimensioni può essere ridotto a 0,9 L/Nm³H2. Il sistema rifornisce continuamente il sistema con acqua grezza. Grazie al rifornimento di acqua, è possibile mantenere la stabilità del livello e della concentrazione della soluzione alcalina e reintegrare tempestivamente la soluzione di reazione.
2) Sistema trasformatore-raddrizzatore
Questo sistema è costituito principalmente da due dispositivi: un trasformatore e un armadio raddrizzatore. La sua funzione principale è quella di convertire la corrente alternata a 10/35 kV fornita dal proprietario del front-end nella corrente continua richiesta dall'elettrolizzatore e di alimentare quest'ultimo con tale corrente. Parte dell'energia fornita viene utilizzata per decomporre direttamente l'acqua. Le molecole prodotte sono idrogeno e ossigeno, mentre la restante parte genera calore, che viene dissipato dal raffreddatore della soluzione alcalina tramite acqua di raffreddamento.
La maggior parte dei trasformatori è del tipo a olio. Se installati in ambienti interni o all'interno di un container, è possibile utilizzare trasformatori a secco. I trasformatori utilizzati negli impianti di produzione di idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua sono trasformatori speciali e devono essere dimensionati in base ai dati di ciascun elettrolizzatore, pertanto si tratta di apparecchiature personalizzate.
(3) sistema di armadi di distribuzione dell'energia
Il quadro di distribuzione dell'energia elettrica viene utilizzato principalmente per alimentare apparecchiature a 400 V, o comunemente note come 380 V, con vari componenti dotati di motori nei sistemi di separazione e purificazione dell'idrogeno e dell'ossigeno a valle delle apparecchiature per la produzione di idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua. Le apparecchiature includono il sistema di circolazione dell'alcali nel quadro di separazione dell'idrogeno e dell'ossigeno, pompe, pompe di rifornimento dell'acqua nei sistemi ausiliari, resistenze elettriche nei sistemi di essiccazione e purificazione e altri sistemi ausiliari necessari all'intero impianto, come macchine per l'acqua pura, refrigeratori, compressori d'aria, torri di raffreddamento e compressori di idrogeno a valle, macchine per l'idrogenazione e altre apparecchiature. L'alimentazione elettrica comprende anche l'alimentazione per l'illuminazione, il monitoraggio e altri sistemi dell'intera centrale.
(4) sistema di controllo
Il sistema di controllo implementa un controllo automatico tramite PLC. Il PLC utilizzato è generalmente un Siemens 1200 o 1500. È dotato di un'interfaccia uomo-macchina con schermo tattile, tramite la quale vengono visualizzate le operazioni, i parametri di ciascun sistema dell'apparecchiatura e la logica di controllo.
5) Sistema di circolazione alcalina
Questo sistema comprende principalmente le seguenti apparecchiature principali:
Separatore di idrogeno e ossigeno - pompa di circolazione alcalina - valvola - filtro alcalino - elettrolizzatore
Il processo principale è il seguente: il liquido alcalino, miscelato con idrogeno e ossigeno nel separatore di idrogeno e ossigeno, viene separato dal separatore gas-liquido e quindi rifluisce nella pompa di circolazione del liquido alcalino. Qui il separatore di idrogeno e il separatore di ossigeno sono collegati e la pompa di circolazione del liquido alcalino avvia il riflusso. Il liquido alcalino circola verso la valvola e il filtro per liquido alcalino nella parte posteriore. Dopo che il filtro ha trattenuto le impurità più grandi, il liquido alcalino circola all'interno dell'elettrolizzatore.
(6) Sistema dell'idrogeno
L'idrogeno viene generato dal lato dell'elettrodo catodico e raggiunge il separatore insieme al sistema di circolazione del liquido alcalino. Nel separatore, poiché l'idrogeno è relativamente leggero, si separa naturalmente dal liquido alcalino e raggiunge la parte superiore del separatore, per poi passare attraverso la tubazione per un'ulteriore separazione e raffreddamento. Dopo il raffreddamento ad acqua, il raccoglitore di gocce raccoglie le gocce che raggiungono una purezza di circa il 99%, per poi raggiungere il sistema di essiccazione e purificazione a valle.
Evacuazione: L'evacuazione dell'idrogeno viene utilizzata principalmente per l'evacuazione durante l'avvio e l'arresto, il funzionamento anomalo o il guasto del sistema, e l'evacuazione in caso di guasto.
(7) Sistema dell'ossigeno
Il percorso per l'ossigeno è simile a quello per l'idrogeno, ma in un separatore diverso.
Evacuazione: Attualmente, la maggior parte dei progetti relativi all'ossigeno viene gestita tramite evacuazione.
Utilizzo: Il valore di utilizzo dell'ossigeno è significativo solo in progetti specifici, come alcuni scenari applicativi che possono utilizzare sia idrogeno che ossigeno ad alta purezza, ad esempio per i produttori di fibre ottiche. Esistono anche alcuni grandi progetti che hanno riservato spazio per l'utilizzo dell'ossigeno. Gli scenari applicativi a valle includono la produzione di ossigeno liquido dopo essiccazione e purificazione, o l'utilizzo di ossigeno medicale tramite un sistema di dispersione. Tuttavia, la definizione precisa di questi scenari di utilizzo deve ancora essere confermata. Ulteriori verifiche sono necessarie.
(8) sistema di raffreddamento ad acqua
Il processo di elettrolisi dell'acqua è una reazione endotermica. Il processo di produzione di idrogeno richiede energia elettrica. Tuttavia, l'energia elettrica consumata dal processo di elettrolisi dell'acqua supera il calore assorbito teoricamente dalla reazione di elettrolisi. Ciò significa che parte dell'elettricità utilizzata dall'elettrolizzatore viene convertita in calore. Questo calore viene utilizzato principalmente per riscaldare il sistema di circolazione dell'alcali all'inizio, in modo che la temperatura della soluzione alcalina raggiunga l'intervallo di temperatura di 90±5°C richiesto dall'apparecchiatura. Se l'elettrolizzatore continua a funzionare dopo aver raggiunto la temperatura nominale, il calore generato deve essere utilizzato per raffreddare l'acqua di raffreddamento e mantenere la temperatura normale della zona di reazione elettrolitica. Una temperatura elevata nella zona di reazione elettrolitica può ridurre il consumo energetico, ma se la temperatura è troppo alta, la membrana della camera di elettrolisi si danneggerà, compromettendo anche il funzionamento a lungo termine dell'apparecchiatura.
Questo dispositivo richiede che la temperatura di esercizio non superi i 95 °C. Inoltre, l'idrogeno e l'ossigeno generati devono essere raffreddati e deumidificati, e il raddrizzatore controllato al silicio raffreddato ad acqua è dotato delle necessarie tubazioni di raffreddamento.
Anche il corpo pompa delle apparecchiature di grandi dimensioni richiede l'impiego di acqua di raffreddamento.
(9) Sistema di riempimento e spurgo con azoto
Prima di eseguire il debug e il funzionamento del dispositivo, il sistema deve essere riempito con azoto per il test di tenuta all'aria. Prima del normale avvio, è inoltre necessario spurgare la fase gassosa del sistema con azoto per garantire che il gas nello spazio in fase gassosa, sia a lato dell'idrogeno che dell'ossigeno, sia lontano dall'intervallo di infiammabilità ed esplosività.
Dopo lo spegnimento dell'apparecchiatura, il sistema di controllo manterrà automaticamente la pressione e conserverà una certa quantità di idrogeno e ossigeno all'interno del sistema. Se la pressione viene ancora rilevata all'accensione dell'apparecchiatura, non è necessario eseguire lo spurgo. Tuttavia, se tutta la pressione viene rimossa, sarà necessario eseguire nuovamente lo spurgo. Azione di spurgo con azoto.
(10) Sistema di essiccazione (purificazione) ad idrogeno (opzionale)
L'idrogeno prodotto dall'elettrolisi dell'acqua viene deumidificato da un essiccatore in parallelo e infine filtrato attraverso un filtro a tubo di nichel sinterizzato per ottenere idrogeno secco. (A seconda delle esigenze dell'utente in termini di idrogeno prodotto, il sistema può essere dotato di un dispositivo di purificazione, che utilizza la deossidazione catalitica bimetallica palladio-platino).
L'idrogeno prodotto dal dispositivo di elettrolisi dell'acqua viene inviato al dispositivo di purificazione dell'idrogeno attraverso il serbatoio di accumulo.
L'idrogeno passa innanzitutto attraverso la torre di deossigenazione. Sotto l'azione del catalizzatore, l'ossigeno presente nell'idrogeno reagisce con l'idrogeno stesso generando acqua.
Formula di reazione: 2H2 + O2 → 2H2O.
Successivamente, l'idrogeno passa attraverso il condensatore di idrogeno (che raffredda il gas per condensare il vapore acqueo in esso contenuto e generare acqua; l'acqua condensata viene poi scaricata automaticamente dal sistema attraverso il collettore di liquidi) ed entra nella torre di adsorbimento.
Data di pubblicazione: 14 maggio 2024
