คำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับระบบผลิตน้ำด่างด้วยกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส

อิเล็กโทรไลติกไฮโดรเจนหน่วยการผลิตประกอบด้วยชุดอุปกรณ์อิเล็กโทรไลซิสน้ำแบบครบชุดไฮโดรเจนอุปกรณ์การผลิต โดยอุปกรณ์หลักประกอบด้วย:

1. เซลล์อิเล็กโทรไลต์

2. อุปกรณ์แยกก๊าซและของเหลว

3. ระบบอบแห้งและทำให้บริสุทธิ์

4. ส่วนประกอบทางไฟฟ้า ได้แก่ หม้อแปลงไฟฟ้า ตู้แปลงกระแสไฟฟ้า ตู้ควบคุม PLC ตู้เครื่องมือวัด ตู้จ่ายไฟ คอมพิวเตอร์ส่วนบน เป็นต้น

5. ระบบเสริมหลักๆ ประกอบด้วย: ถังสารละลายด่าง, ถังน้ำสำหรับวัตถุดิบ, ปั๊มน้ำเติม, ถังไนโตรเจน/บัสบาร์ ฯลฯ 6. ระบบเสริมโดยรวมของอุปกรณ์ประกอบด้วย: เครื่องผลิตน้ำบริสุทธิ์, หอทำความเย็น, เครื่องทำความเย็น, เครื่องอัดอากาศ ฯลฯ

เครื่องทำความเย็นไฮโดรเจนและออกซิเจน และน้ำจะถูกรวบรวมโดยกับดักหยดน้ำก่อนที่จะถูกส่งออกไปภายใต้การควบคุมของระบบควบคุม สารละลายอิเล็กโทรไลต์จะไหลผ่านไฮโดรเจนและกรองออกซิเจน-ด่าง ทำความเย็นไฮโดรเจนและออกซิเจน-ด่าง ตามลำดับ ภายใต้การทำงานของปั๊มหมุนเวียน จากนั้นจึงส่งกลับไปยังเซลล์อิเล็กโทรไลต์เพื่อทำการอิเล็กโทรไลซิสต่อไป

ความดันของระบบจะถูกควบคุมโดยระบบควบคุมความดันและระบบควบคุมความดันแตกต่าง เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของกระบวนการปลายทางและการจัดเก็บ

ไฮโดรเจนที่ผลิตโดยกระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้ามีข้อดีคือมีความบริสุทธิ์สูงและมีสิ่งเจือปนต่ำ โดยปกติแล้วสิ่งเจือปนในก๊าซไฮโดรเจนที่ผลิตได้ด้วยกระบวนการนี้จะมีเพียงออกซิเจนและน้ำเท่านั้น ไม่มีส่วนประกอบอื่น ๆ (ซึ่งสามารถหลีกเลี่ยงการเป็นพิษของตัวเร่งปฏิกิริยาบางชนิดได้) ทำให้สะดวกในการผลิตก๊าซไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง และก๊าซบริสุทธิ์ที่ได้นั้นสามารถตรงตามมาตรฐานของก๊าซอุตสาหกรรมเกรดอิเล็กทรอนิกส์ได้

ไฮโดรเจนที่ผลิตจากหน่วยผลิตไฮโดรเจนจะไหลผ่านถังพักเพื่อรักษาเสถียรภาพความดันใช้งานของระบบและกำจัดน้ำอิสระออกจากไฮโดรเจนเพิ่มเติม

หลังจากผ่านเข้าสู่เครื่องทำให้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์แล้ว ไฮโดรเจนที่ผลิตจากการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าจะถูกทำให้บริสุทธิ์ยิ่งขึ้น โดยใช้หลักการของปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาและการดูดซับด้วยตะแกรงโมเลกุลเพื่อกำจัดออกซิเจน น้ำ และสิ่งเจือปนอื่นๆ ออกจากไฮโดรเจน

อุปกรณ์นี้สามารถตั้งค่าระบบปรับการผลิตไฮโดรเจนอัตโนมัติได้ตามสถานการณ์จริง การเปลี่ยนแปลงปริมาณก๊าซจะทำให้ความดันในถังเก็บไฮโดรเจนผันผวน ตัวส่งสัญญาณความดันที่ติดตั้งบนถังเก็บจะส่งสัญญาณ 4-20mA ไปยัง PLC เพื่อเปรียบเทียบกับค่าที่ตั้งไว้เดิม และหลังจากแปลงกลับและคำนวณ PID ​​แล้ว จะส่งสัญญาณ 20-4mA ไปยังตู้แปลงกระแสไฟฟ้าเพื่อปรับขนาดกระแสไฟฟ้าในการแยกด้วยไฟฟ้า ซึ่งจะทำให้สามารถปรับการผลิตไฮโดรเจนโดยอัตโนมัติตามการเปลี่ยนแปลงของปริมาณไฮโดรเจนได้

ในกระบวนการผลิตไฮโดรเจนด้วยการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า ปฏิกิริยาเดียวที่เกิดขึ้นคือน้ำ (H2O) ซึ่งจำเป็นต้องเติมน้ำดิบอย่างต่อเนื่องผ่านปั๊มเติมน้ำ โดยตำแหน่งการเติมน้ำจะอยู่ที่ตัวแยกไฮโดรเจนหรือออกซิเจน นอกจากนี้ ไฮโดรเจนและออกซิเจนยังต้องการน้ำปริมาณเล็กน้อยเมื่อออกจากระบบ อุปกรณ์ที่มีการใช้น้ำน้อยสามารถใช้น้ำได้ 1 ลิตรต่อ Nm³ H2 ในขณะที่อุปกรณ์ขนาดใหญ่สามารถลดปริมาณการใช้น้ำลงเหลือ 0.9 ลิตรต่อ Nm³ H2 ระบบจะเติมน้ำดิบอย่างต่อเนื่องเพื่อรักษาระดับและความเข้มข้นของสารละลายด่างให้คงที่ และยังสามารถเติมน้ำที่ใช้ทำปฏิกิริยาแล้วได้ทันท่วงทีเพื่อรักษาระดับความเข้มข้นของสารละลายด่างอีกด้วย

1. ระบบหม้อแปลงไฟฟ้าแบบเรียงกระแส

ระบบนี้ประกอบด้วยอุปกรณ์หลักสองชิ้น คือ หม้อแปลงและตู้แปลงกระแสไฟฟ้า หน้าที่หลักคือการแปลงกระแสไฟฟ้าสลับ 10/35KV ที่ผู้ใช้งานป้อนเข้ามา ให้เป็นกระแสไฟฟ้าตรงที่เซลล์อิเล็กโทรไลต์ต้องการ และจ่ายกระแสไฟฟ้าตรงให้กับเซลล์อิเล็กโทรไลต์ ส่วนหนึ่งของกระแสไฟฟ้าที่จ่ายไปจะถูกนำไปใช้ในการสลายโมเลกุลของน้ำโดยตรงให้กลายเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน และอีกส่วนหนึ่งจะสร้างความร้อน ซึ่งจะถูกระบายออกโดยเครื่องทำความเย็นด่างผ่านน้ำหล่อเย็น

หม้อแปลงส่วนใหญ่เป็นแบบใช้น้ำมัน หากติดตั้งในอาคารหรือภายในตู้คอนเทนเนอร์ สามารถใช้หม้อแปลงแบบแห้งได้ หม้อแปลงที่ใช้ในอุปกรณ์ผลิตไฮโดรเจนจากน้ำด้วยกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสเป็นหม้อแปลงพิเศษที่ต้องเลือกให้เหมาะสมกับข้อมูลของเซลล์อิเล็กโทรไลซิสแต่ละเซลล์ ดังนั้นจึงเป็นอุปกรณ์ที่ปรับแต่งตามความต้องการเฉพาะ

ปัจจุบัน ตู้แปลงกระแสไฟฟ้าที่ใช้กันมากที่สุดคือแบบไทริสเตอร์ ซึ่งได้รับการสนับสนุนจากผู้ผลิตอุปกรณ์เนื่องจากมีอายุการใช้งานยาวนาน มีเสถียรภาพสูง และราคาต่ำ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความจำเป็นในการปรับอุปกรณ์ขนาดใหญ่ให้เข้ากับพลังงานหมุนเวียนขั้นต้น ประสิทธิภาพการแปลงของตู้แปลงกระแสไฟฟ้าแบบไทริสเตอร์จึงค่อนข้างต่ำ ปัจจุบัน ผู้ผลิตตู้แปลงกระแสไฟฟ้าหลายรายกำลังพยายามที่จะนำตู้แปลงกระแสไฟฟ้าแบบ IGBT มาใช้ IGBT เป็นที่นิยมอย่างมากในอุตสาหกรรมอื่นๆ เช่น พลังงานลม และเชื่อว่าตู้แปลงกระแสไฟฟ้าแบบ IGBT จะมีการพัฒนาอย่างมีนัยสำคัญในอนาคต

1. ระบบตู้จ่ายไฟ

ตู้จ่ายไฟส่วนใหญ่ใช้สำหรับจ่ายไฟให้กับส่วนประกอบต่างๆ ที่มีมอเตอร์ในระบบแยกและทำให้บริสุทธิ์ไฮโดรเจนออกซิเจน ซึ่งอยู่ด้านหลังอุปกรณ์ผลิตไฮโดรเจนจากน้ำด้วยไฟฟ้า รวมถึงอุปกรณ์ 400V หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า 380V อุปกรณ์เหล่านี้ได้แก่ ปั๊มหมุนเวียนด่างในระบบแยกไฮโดรเจนออกซิเจน และปั๊มน้ำเติมในระบบเสริม นอกจากนี้ยังจ่ายไฟให้กับสายไฟทำความร้อนในระบบอบแห้งและทำให้บริสุทธิ์ รวมถึงระบบเสริมที่จำเป็นสำหรับระบบทั้งหมด เช่น เครื่องทำน้ำบริสุทธิ์ เครื่องทำความเย็น เครื่องอัดอากาศ หอระบายความร้อน และเครื่องอัดไฮโดรเจน เครื่องไฮโดรจิเนชัน ฯลฯ และยังรวมถึงระบบไฟส่องสว่าง ระบบตรวจสอบ และระบบอื่นๆ ของสถานีทั้งหมดด้วย

1. Cออนโทรระบบ l

ระบบควบคุมใช้การควบคุมอัตโนมัติแบบ PLC โดยทั่วไป PLC ที่ใช้จะเป็น Siemens 1200 หรือ 1500 และมีหน้าจอสัมผัสสำหรับเชื่อมต่อกับเครื่องจักร การทำงานและการแสดงค่าพารามิเตอร์ของแต่ละระบบในอุปกรณ์ รวมถึงการแสดงตรรกะการควบคุม จะทำผ่านหน้าจอสัมผัสนี้

5. ระบบหมุนเวียนสารละลายด่าง

ระบบนี้ประกอบด้วยอุปกรณ์หลักดังต่อไปนี้:

เครื่องแยกไฮโดรเจนและออกซิเจน – ปั๊มหมุนเวียนสารละลายด่าง – วาล์ว – ตัวกรองสารละลายด่าง – เซลล์อิเล็กโทรไลต์

กระบวนการหลักมีดังนี้: สารละลายด่างที่ผสมกับไฮโดรเจนและออกซิเจนในเครื่องแยกไฮโดรเจนและออกซิเจนจะถูกแยกออกโดยเครื่องแยกก๊าซและของเหลว แล้วไหลย้อนกลับไปยังปั๊มหมุนเวียนสารละลายด่าง ที่นี่เครื่องแยกไฮโดรเจนและเครื่องแยกออกซิเจนเชื่อมต่อกัน และปั๊มหมุนเวียนสารละลายด่างจะหมุนเวียนสารละลายด่างที่ไหลย้อนกลับไปยังวาล์วและตัวกรองสารละลายด่างที่ส่วนท้าย หลังจากที่ตัวกรองกรองสิ่งเจือปนขนาดใหญ่แล้ว สารละลายด่างจะถูกหมุนเวียนเข้าไปภายในเซลล์อิเล็กโทรไลต์

6. ระบบไฮโดรเจน

ก๊าซไฮโดรเจนถูกสร้างขึ้นจากด้านขั้วแคโทดและเคลื่อนที่ไปยังตัวแยกพร้อมกับระบบหมุนเวียนสารละลายด่าง ภายในตัวแยก ก๊าซไฮโดรเจนมีน้ำหนักเบาและแยกตัวออกจากสารละลายด่างโดยธรรมชาติ เคลื่อนที่ไปยังส่วนบนของตัวแยก จากนั้นจะไหลผ่านท่อเพื่อแยกเพิ่มเติม ถูกทำให้เย็นลงด้วยน้ำหล่อเย็น และเก็บรวบรวมโดยภาชนะรองรับหยดน้ำเพื่อให้ได้ความบริสุทธิ์ประมาณ 99% ก่อนที่จะเข้าสู่ระบบอบแห้งและทำให้บริสุทธิ์ในส่วนสุดท้าย

การระบายก๊าซ: การระบายก๊าซไฮโดรเจนส่วนใหญ่ใช้ในช่วงเริ่มต้นและหยุดการทำงาน การทำงานที่ผิดปกติ หรือเมื่อความบริสุทธิ์ไม่เป็นไปตามมาตรฐาน รวมถึงการแก้ไขปัญหาต่างๆ

7. ระบบออกซิเจน

เส้นทางการลำเลียงออกซิเจนคล้ายคลึงกับไฮโดรเจน ยกเว้นว่าจะดำเนินการผ่านตัวแยกที่แตกต่างกัน

การระบาย: ปัจจุบัน โครงการส่วนใหญ่ใช้วิธีการระบายออกซิเจน

การใช้ประโยชน์: คุณค่าของการใช้ประโยชน์ออกซิเจนนั้นมีความหมายเฉพาะในโครงการพิเศษ เช่น การใช้งานที่สามารถใช้ทั้งไฮโดรเจนและออกซิเจนบริสุทธิ์สูง เช่น โรงงานผลิตใยแก้วนำแสง นอกจากนี้ยังมีโครงการขนาดใหญ่บางโครงการที่จัดสรรพื้นที่ไว้สำหรับการใช้ประโยชน์ออกซิเจนโดยเฉพาะ กรณีการใช้งานในส่วนหลังบ้าน ได้แก่ การผลิตออกซิเจนเหลวหลังจากการอบแห้งและทำให้บริสุทธิ์ หรือการผลิตออกซิเจนทางการแพทย์ผ่านระบบกระจายตัว อย่างไรก็ตาม ความแม่นยำของกรณีการใช้งานเหล่านี้ยังคงต้องการการยืนยันเพิ่มเติม

8. ระบบน้ำหล่อเย็น

กระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน และกระบวนการผลิตไฮโดรเจนต้องใช้พลังงานไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม พลังงานไฟฟ้าที่ใช้ในกระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้ามีปริมาณมากกว่าความร้อนที่ดูดซับตามทฤษฎีของปฏิกิริยาการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า กล่าวคือ ส่วนหนึ่งของไฟฟ้าที่ใช้ในเซลล์แยกน้ำด้วยไฟฟ้าจะถูกแปลงเป็นความร้อน ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในการให้ความร้อนแก่ระบบหมุนเวียนสารละลายด่างในตอนเริ่มต้น ทำให้อุณหภูมิของสารละลายด่างสูงขึ้นถึงช่วงอุณหภูมิที่ต้องการคือ 90 ± 5 ℃ สำหรับอุปกรณ์ หากเซลล์แยกน้ำด้วยไฟฟ้ายังคงทำงานต่อไปหลังจากถึงอุณหภูมิที่กำหนดแล้ว ความร้อนที่เกิดขึ้นจะต้องถูกระบายออกด้วยน้ำหล่อเย็นเพื่อรักษาอุณหภูมิปกติของบริเวณปฏิกิริยาการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า อุณหภูมิสูงในบริเวณปฏิกิริยาการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าสามารถลดการใช้พลังงานได้ แต่หากอุณหภูมิสูงเกินไป ไดอะแฟรมของห้องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าจะเสียหาย ซึ่งจะส่งผลเสียต่อการทำงานในระยะยาวของอุปกรณ์ด้วย

อุณหภูมิการทำงานที่เหมาะสมสำหรับอุปกรณ์นี้จะต้องไม่เกิน 95 องศาเซลเซียส นอกจากนี้ ไฮโดรเจนและออกซิเจนที่เกิดขึ้นยังต้องได้รับการระบายความร้อนและลดความชื้น และอุปกรณ์เรียงกระแสไทริสเตอร์ระบายความร้อนด้วยน้ำก็ติดตั้งท่อระบายความร้อนที่จำเป็นไว้ด้วย

ตัวปั๊มของอุปกรณ์ขนาดใหญ่ยังต้องการน้ำหล่อเย็นเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย

1. ระบบเติมไนโตรเจนและระบบไล่ไนโตรเจน

ก่อนทำการแก้ไขข้อผิดพลาดและใช้งานอุปกรณ์ ควรทำการทดสอบความแน่นของก๊าซไนโตรเจนในระบบก่อน ก่อนเริ่มการทำงานตามปกติ จำเป็นต้องไล่ก๊าซในเฟสแก๊สของระบบด้วยไนโตรเจนเพื่อให้แน่ใจว่าก๊าซในช่องว่างเฟสแก๊สทั้งสองด้านของไฮโดรเจนและออกซิเจนอยู่ห่างจากช่วงที่ติดไฟได้และระเบิดได้

หลังจากปิดอุปกรณ์แล้ว ระบบควบคุมจะรักษาระดับความดันและคงปริมาณไฮโดรเจนและออกซิเจนภายในระบบไว้โดยอัตโนมัติ หากความดันยังคงอยู่ขณะเริ่มต้นระบบใหม่ ก็ไม่จำเป็นต้องทำการไล่ก๊าซ แต่หากความดันลดลงจนหมด จะต้องทำการไล่ก๊าซไนโตรเจนอีกครั้ง

1. ระบบการทำให้แห้ง (การทำให้บริสุทธิ์) ของไฮโดรเจน (อุปกรณ์เสริม)

ก๊าซไฮโดรเจนที่ได้จากการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าจะถูกลดความชื้นโดยเครื่องอบแห้งแบบขนาน และสุดท้ายจะถูกทำให้บริสุทธิ์โดยตัวกรองท่อโลหะนิกเกิลเผาผนึกเพื่อให้ได้ก๊าซไฮโดรเจนแห้ง ตามความต้องการของผู้ใช้สำหรับผลิตภัณฑ์ไฮโดรเจน ระบบอาจเพิ่มอุปกรณ์ทำให้บริสุทธิ์ ซึ่งใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะคู่แพลเลเดียม-แพลทินัมในการกำจัดออกซิเจนเพื่อทำให้บริสุทธิ์

ไฮโดรเจนที่ผลิตได้จากหน่วยผลิตไฮโดรเจนด้วยกระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าจะถูกส่งไปยังหน่วยทำให้บริสุทธิ์ไฮโดรเจนผ่านถังพัก

ก๊าซไฮโดรเจนจะผ่านหอแยกออกซิเจนก่อน จากนั้นภายใต้การทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยา ออกซิเจนในก๊าซไฮโดรเจนจะทำปฏิกิริยากับก๊าซไฮโดรเจนเพื่อผลิตน้ำ

สูตรปฏิกิริยา: 2H2 + O2 → 2H2O

จากนั้น ก๊าซไฮโดรเจนจะไหลผ่านเครื่องควบแน่นไฮโดรเจน (ซึ่งจะทำให้ก๊าซเย็นลงเพื่อควบแน่นไอน้ำให้กลายเป็นน้ำ ซึ่งจะถูกระบายออกนอกระบบโดยอัตโนมัติผ่านตัวเก็บรวบรวม) และเข้าสู่หอการดูดซับ