中壓水電解制氫工藝指標(biāo)異常治理與探討

張澤文

摘 要：氫氣和氧氣純度是判斷制氫裝置運(yùn)行好壞的最關(guān)鍵的指標(biāo)，也是檢驗(yàn)制氫裝置運(yùn)行的性能指標(biāo)。氫氣和氧氣純度異常直接影響制氫裝置安全運(yùn)行。大唐國際托克托發(fā)電有限公司1號制氫裝置由七一八所研制而提供的CNDQ系列中壓電解制氫設(shè)備，產(chǎn)氫量為10Nm3/h，于2010年投產(chǎn)，設(shè)備投運(yùn)后氧中氫指標(biāo)一直偏高，堿液流量的變化對氧中氫指標(biāo)影響較大，流量在500L/h時，氧中氫指標(biāo)在0.75%左右。本文主要針對廠部制氫裝置氫氣和氧氣指標(biāo)不合格原因進(jìn)行分析并通過系統(tǒng)內(nèi)部檢查和運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整，治理氫氣和氧氣純度指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：制氫裝置；電解槽；指標(biāo)

中圖分類號：TQ116.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）05-0136-01

1 影響氫氣和氧氣純度的主要因素

1.1 堿液濃度

根據(jù)《氫氧化鈉和氫氧化鉀水溶液的電阻率表》可以得出結(jié)論：25%的氫氧化鈉和30%的氫氧化鉀水溶液電阻率最小。電解液選擇的原則：盡量選用電阻率最小的溶液作為電解液，我們選用的是氫氧化鈉分析純，濃度控制在22～26%。

1.2 堿液流量

電解槽的堿液流量控制在合適的位置。堿液流量過大：（Ⅰ）氫、氧分離器分離時間短，氣體未充分分離又參與到下一輪的循環(huán)中，從而降低氣體純度；（Ⅱ）加快氣泡排除，降低含氣率，降低小室電壓。流量過?。簹?、氧分離器分離時間長，氣體得到充分分離，從而提高氣體純度；缺點(diǎn)是電解液在電解過程中屬于放熱反應(yīng)，流量過小不能及時將熱量帶出去，提高電解槽溫度。電解液在電解過程中存在腐蝕產(chǎn)物，如果不能及時帶出去，容易造成電解小室污堵。

1.3 分離器液位高低

制氫設(shè)備一般采用強(qiáng)制循環(huán)，氫、氧分離器液位的控制尤為重要，液位過高既影響氣體的溢出效果，也會使堿液由溢流管或出氣管進(jìn)入洗滌器，再經(jīng)洗滌器由放空口噴出，發(fā)生“竄堿”現(xiàn)象；液位過低，有可能在分離器中發(fā)生“漩渦”現(xiàn)象，導(dǎo)致分離器中的氣體和堿液同時進(jìn)入循環(huán)泵中，一起回流到電解槽中，在電解槽中造成氫、氧混合，輕則導(dǎo)致氣體純度迅速下降，重則電解槽中氫、氧混合會發(fā)生槽體爆炸，損壞設(shè)備，發(fā)生安全事故。

1.4 電解槽與堿液系統(tǒng)檢查

制氫裝置所用的堿液中會存在少量的碳酸鹽，碳酸鹽很容易在堿液中結(jié)晶析出，堵塞氣道，導(dǎo)致出氣不暢，在石棉隔膜兩側(cè)產(chǎn)生壓差，使氫氣、氧氣通過石棉隔膜滲透至另一側(cè)，造成氣體純度降低。另外，堿液中會存在其他部分雜質(zhì)離子，電解槽經(jīng)過長期的運(yùn)行，由于不斷的補(bǔ)水、補(bǔ)堿，雜質(zhì)離子會越積越多，這些雜質(zhì)不斷污染電解小室，形成寄生性電解，導(dǎo)致電解小室內(nèi)氫氣側(cè)產(chǎn)生氧氣，氧氣側(cè)產(chǎn)生氫氣，也會造成氣體純度下降。

1.5 電解槽石棉隔膜的影響

水在電解過程中，產(chǎn)生的氫氣與氧氣分別在石棉隔膜兩側(cè)析出，在石棉隔膜的阻隔下，氫氣與氧氣不會發(fā)生混合，但由于物質(zhì)分子有相互滲透的特性，石棉隔膜不可能將氫氣和氧氣絕對隔離。由于氫氣的分子量較小，滲透能力強(qiáng)。在一定壓力、溫度環(huán)境下，活動力很強(qiáng)，雖有石棉隔膜隔離，但仍會有微量氫氣透過石棉隔膜進(jìn)入氧氣側(cè)。若石棉隔膜質(zhì)量不符合要求或損壞時，會增大氫氣滲透至氧氣側(cè)氣量，造成氧中氫指標(biāo)超標(biāo)。此時必須進(jìn)行電解槽解體大修。

2 系統(tǒng)檢查

2.1 堿液系統(tǒng)除鹽水沖洗

靜壓沖洗：電解槽內(nèi)的堿液打入堿液箱，并將除鹽水打入到電解槽內(nèi)部，通過堿液循環(huán)泵將除鹽水在堿液系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，反復(fù)沖洗，直至排放的除鹽水澄清為止。

帶壓沖洗：將除鹽水打入到電解槽內(nèi)部，分離器液位控制在視窗中部，沖入電解槽內(nèi)部1.6MPa的氮?dú)夂螅杆匍_關(guān)堿液過濾器排污門，直至將除鹽水排凈為止，直至排放的除鹽水不攜帶雜質(zhì)為止。

結(jié)果：除鹽水沖洗對氧中氫指標(biāo)提高沒有效果。但是沖洗堿液系統(tǒng)后，堿液流量下調(diào)和電流上調(diào)之后槽溫可以控制在一定的范圍內(nèi)；氫中氧指標(biāo)隨堿液流量下降而變小。

2.2 堿液管路、堿液過濾器內(nèi)部檢查

2.2.1 現(xiàn)象

在堿液管道管口處發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁附著有明顯的灰白色粘垢，通過除鹽水沖洗沒有效果，用硬質(zhì)木棍纏繞抹布進(jìn)行擦拭，表面軟垢可以清除，附著在內(nèi)壁的一薄層硬垢無法去除。如圖1和圖2。

2.2.2 結(jié)果

從退回至堿液箱的堿液、堿液管道、堿液過濾器濾網(wǎng)的檢查，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)雜質(zhì)主要是電解槽石棉布脫落的絨毛在系統(tǒng)運(yùn)行過程中與堿液形成灰色粘垢使得堿液過臟，這可能造成氧中氫指標(biāo)升高，因此對系統(tǒng)管路進(jìn)行了清理、堿液過濾器濾網(wǎng)進(jìn)行了更換、重新配置堿液。制氫設(shè)備啟動后氧中氫指標(biāo)仍然超標(biāo)在1.3%左右，因此判斷堿液過臟不是本次氧中氫超標(biāo)的根本原因。

2.3 電解槽小室電壓檢測

通過電解槽小室電壓檢測，最大是2.18v，最小是1.88v；其中相鄰兩級電壓差未超過0.2v。小室電壓過高，電阻變大，如果電阻變大，說明電解槽內(nèi)部污堵。通過該項(xiàng)工作不能判斷出電解槽堵塞或氣體循環(huán)不暢而導(dǎo)致氧中氫超標(biāo)的問題。

3 工況調(diào)整試驗(yàn)

3.1 堿液流量調(diào)整

調(diào)整步驟：控制槽壓3.0MPa、電流700A、液位320～330mm，堿液濃度控制25%時，調(diào)整堿液循環(huán)泵出口流量分別在520L/h、440L/h運(yùn)行12小時，觀察氧中氫和氫中氧指標(biāo)變化趨勢。結(jié)果：堿液流量在調(diào)整初期，氧中氫指標(biāo)有見好情況，但隨著流量穩(wěn)定設(shè)備運(yùn)行一段時間后，氧中氫指標(biāo)開始逐漸上升，說明堿液流量調(diào)整在一定程度上可以改善氧中氫指標(biāo)，但調(diào)整空間有限，就指標(biāo)上漲現(xiàn)象看，氧中氫超標(biāo)另有原因。

3.2 分離器液位調(diào)整

調(diào)整步驟：控制槽壓3.0MPa、電流700A、堿液流量480L/h，堿液濃度控制25%時，將氫、氧分離器液位補(bǔ)水上、下限分別下調(diào)10mm運(yùn)行12小時，觀察氧中氫指標(biāo)變化趨勢。結(jié)果：分離器液位調(diào)整后氧中氫指標(biāo)較調(diào)整前有所提高，但隨著設(shè)備運(yùn)行時間延長，純度還是有緩慢上漲趨勢，最后氧中氫指標(biāo)達(dá)到1.44%，說明分離器液位調(diào)整可以提高氧中氫指標(biāo)，但并不是造成氧中氫指標(biāo)下降的原因。

4 電解槽內(nèi)部檢查

4.1 現(xiàn)象

設(shè)備在經(jīng)過運(yùn)行調(diào)整和現(xiàn)場就地檢查無法解決氧中氫超標(biāo)后，同年3月聯(lián)系廠家返廠維修電解槽。電解槽解體檢查過程中發(fā)現(xiàn)：石棉布、隔膜、極板安裝緊湊，石棉布的質(zhì)量符合要求，安裝的石棉布未出現(xiàn)破損、老化問題；極板光潔完好，未發(fā)現(xiàn)極板腐蝕穿孔等問題；電解槽小室的產(chǎn)氣和堿液通道被粉白色結(jié)晶物堵塞，部分小室氣孔基本被堵死。如圖3和圖4所示。

4.2 結(jié)果

從電解槽拆解檢查看，電解槽小室產(chǎn)氣和堿液循環(huán)通道被粉白色結(jié)晶物堵塞，導(dǎo)致堿液循環(huán)不暢，氣體排除不暢產(chǎn)生滲透，以及電解槽內(nèi)雜質(zhì)使電解小室內(nèi)形成寄生電解產(chǎn)生氫氣和氧氣，最終導(dǎo)致氣體純度下降。

5 結(jié)語

通過對我廠1號制氫設(shè)備氧中氫指標(biāo)超標(biāo)的治理，找出了指標(biāo)超標(biāo)的根本原因并制定了有效的控制方案，目前設(shè)備運(yùn)行氧中氫指標(biāo)（要求不大于0.8%）基本控制在0.55～0.65%之間，既排除了制氫設(shè)備運(yùn)行中的重大安全隱患，同時保證了10臺機(jī)組的正常補(bǔ)氫工作，并為使用同型號制氫設(shè)備的兄弟電廠提供借鑒和指導(dǎo)依據(jù)。