PAGE PAGE 1 电厂化学水处理之水电解制氢装置及工艺流程 一、水电解制氢装置用途 水电解制氢装置所制氢气可大范围的使用在电力、电子、冶金、化工、建材、宇航、原子、气象等需要氢气的行业，做为冷却气、保护气、原料气、还原气和燃料气。 二．水电解制氢装置工作原理 1．电解水是直流电通过KOH或NaOH水溶液将水分解为氢气和氧气的过程，其化学反应如下： 阴极：2H2O+2e→H2+2OH- 阳极：2OH --2e→H2O+1/2O2 总反应式： H2O= H2+1/2 O2 2．氢气干燥工作原理 氢气干燥是把水电解制取的氢气，利用分子筛采用常温吸附法去除氢气中的水份。其原理如下：由于水分子有着非常强的极性，利用分子筛对水的强亲和力的特性，当含有水份的氢气通过分子筛床时，其中所含的水份被分子筛吸附，达到氢气干燥目的。由于当分子筛吸附水达到饱合后，需要再生才能重新使用，故本系统采用加热再生的方法，将分子筛中吸附的水份解析，进而达到干燥系统连续使用的目的。 三．FDQG5/3.2-IV型水电解制氢干燥装置系统详述： 系统由氢气制备及干燥系统、除盐水冷却系统、气体分配系统、储气系统四部分所组成。 1． 氢气制备及干燥系统 氢气制备及干燥系统主要由水电解制氢、干燥部分，供配电及控制部分和加水配碱部分构成。 1.1 水电解制氢、干燥部分（制氢干燥装置框架） 该部分由电解槽（1-01），氢、氧分离器（1-03、1-02），氢、氧碱液过滤器（1-05、1-04），氢、氧碱液冷却器（1-07、1-06），氢气、氧气冷却器（1-09、1-08），氢气、氧气捕滴器（1-11、1-10），氢气、氧气气水分离器（1-13、1-12），氢、氧碱液循环泵（1-20、1-19）和相关仪表、阀门组成。 1.2供配电及控制部分 供配电部分由，MCC柜（7），PLC控制柜（6），动力柜（5）和可控硅整流柜（4）组成。 1.3加水配碱部分（补配水碱系统框架） 加水配碱部分由原料水箱（3-01），碱液箱（3-02），配碱泵（3-03），补水泵（3-04）组成。 1.4 水电解制氢干燥部分工作流程： 1.4.1制氢干燥部分的主机电解槽（1-01）由供配电部分提供直流电源，其具体连接顺序为380V，50Hz，380V三相五线电源接入供配电部分抽屉式开关柜（7），由抽屉式开关柜（7）分别供给PLC控制柜（6）、动力柜（5）可控硅整流柜（4）。系统的电解电源由可控硅整流柜（4）提供。输出电流为1020A电压为57V的直流电，单位直流电耗约为4.7kwh/Nm3H2。该过程完成了供配电部分给电解槽（1-01）提供电解用直流电源的功能，并根据电解槽（1-01）的负荷要求，通过调节可控硅整流柜（4）的输出值，就可以实现产氢量的调节。 1.4.2 制氢干燥部分的主机电解槽（1-01）由配碱泵（3-03）提供30%浓度KOH的电解质，系统停车时由配碱泵（3-03）完成碱液回收的工作。由补水泵（3-04）提供在电解过程中消耗的水及系统损失的碱。 配碱： 系统状态：在碱箱（3-02）中加入根据系统用量而计算的水，启动配碱泵（3-03 ），进行碱箱中水的循环，进行系统的配碱工作，此时阀门的状态为：（此时系统中所有手动阀门处于关闭状态）BV-18、BV-19开启，若配碱泵的工作正常，水的循环正常，少量多次地加入配置30%KOH溶液所需要的KOH的量，直至配碱工作的完毕。当碱液的比重达到为1.281时，配碱工作结束。配碱结束时先停配碱泵（3-03），然后关闭BV-18、BV-19阀门至此配碱工作结束。KOH的量（按100%计算）=30%×溶液的体积×溶液的比重。 注：30℃时，15%KOH溶液比重为1.18（系统稀碱开车时碱液浓度及比重）。 30℃时，30%NaOH溶液比重为1.281（系统浓碱开车时碱液浓度及比重） 注碱 注碱前系统状态：停车、常压、纯水清洗、氮气置换完毕。 配碱完毕后，根据自身的需求，配碱泵（3-03）将配好的碱液打入系统中，且注意碱液在氢氧分离器（1-03、1-02）的液位。（液位通常控制在液位计的1/3处）此时阀门状态为： SV-04、SV-05、BV-05、BV-06、BV-03、BV-04、BV-01、BV-02、BV-19、BV-24、当液位达到氢、氧分离器（1-03、1-02）磁翻转液位计指定高度时关闭配碱泵同时关闭阀门BV-03、BV-04、BV-19、BV-24。然后适当打开阀门SV-01、SV-02，当阀门口有碱液向外溢出时关闭阀门SV-01、SV-02，以排除系统管线中的气体，系统注碱完毕。 碱液从系统回收至碱箱 系统状态：停车、常压、氮气置换 当系统的设备需要维修或有其他要求，系统碱液需回收时，启动配碱泵（3-03）将系统碱液抽回碱箱。此时阀门的状态为：SV-04、SV-05、BV-05、 BV-06、BV-01、BV-02、BV-03、BV-04、BV-23、BV-18 打开，此时补水配碱系统中所有阀门关闭。碱液回收后，停配碱泵（3-03），关闭阀门BV-23、BV-18、BV-03、BV-04结束碱液回收工作。 1.4.3 制氢干燥过程（该过程进行前必须用氮气置换，置换流程详见此章节（1.6）。 a. 制氢过程 制氢部分由电解槽（1-01），氢、氧分离器（1-03、1-02），氢、氧碱液过滤器（1-05、1-04），氢、氧碱液冷却器（1-07、1-06），氢气、氧气冷却器（1-09、1-08），氢气、氧气捕滴器（1-11、1-10），氢气、氧气气水分离器（1-13、1-12），氢、氧碱液循环泵（1-20、1-19）和相关仪表、阀门组成。 以下手动阀门为开启状态： BV-01、BV-02、BV-05、BV-06、BV-09、BV-10、此时系统内充氮置换完毕，气动球阀、气动薄膜调节阀由PLC控制。 上述阀门状态开启无误，启动碱液循环泵（1-19、1-20），在泵的强制作用下实现制氢过程的碱液循环。 按氢、氧碱液流程分述如下： 1） 氧碱液在氧碱液循环泵（1-19）作用下由氧分离器（1-02）经泵（1-19）过氧碱液过滤器（1-04）、氧碱液冷却器（1-06）打入电解槽（1-01）氧侧、经电解后形成氧气与KOH的混合液流回氧分离器（1-02）、混合液在氧分离器（1-02）经气液分离后液体经泵重新打入电解槽进行电解过程，气体经氧气体冷却器（1-08），氧气捕滴器（1-10）过气水分离器（1-12）将冷凝水排放后，再经气动薄膜调节阀（PV-1）调节开度，放入大气，实现制氢系统压力自动调节。 注：（1） 其中AV-05、AV-06在一段时间内交替启闭，实现冷凝水的排放要求。 （2） 通过调节阀PV-1的开度控制管理系统的压力，保持系统内的压力。 2）氢碱液在氢碱液循环泵（1-20）作用下由氢分离器（1-03）经泵（1-20）过氢碱液过滤器（1-05）、氢碱液冷却器（1-07）打入电解槽（1-01）氢侧，经电解后形成氢气与KOH的混合液流回氢分离器（1-03），混合液在氢分离器（1-03）经气液分离后液体经泵重新打入电解槽进行电解过程，气体经氢气冷却器（1-09），氢气捕滴器（1-11）过气水分离器（1-13）将冷凝水排放后，再经气动薄膜调节阀（LV-1）调节开度放入大气，实现制氢系统产氢量的自动调节。 注：（1）其中AV-03、AV-04在一段时间内交替启闭，实现冷凝水的排放要求。 （2） 通过调节阀LV-1的开度控制氢、氧侧液位差。 电解过程的循环回路 氢氧分离器碱液循环泵 氢氧分离器 碱液循环泵 碱液过滤器 电解槽 碱液冷却器 b. 干燥过程 干燥部分按常温吸附法去除氢气中的水份，用电加热方法依据分子筛再生的原理实现系统内氢气干燥的目的。干燥系统主要由两台吸附干燥器（1-15、1-16）氢气冷却器（1-17、1-18）和气体过滤器及相应的阻火器、仪表、阀门组成。 干燥部分设两台吸附干燥器（1-15、1-16）一台工作，另一台再生，互相切换，交替工作，连续供气。 1）干燥器（1-15）吸附（1-16）加热再生过程。电解氢气经AV-24进入干燥器（1-16）进行内部分子筛的加热再生，气体经氢气气体冷却器（1-18）通过阀门AV-14、AV-13进入氢气气体冷却器1-17进入吸附干燥器1-15进行吸附干燥再经气体过滤器1-14过滤进入下一环节。氢气中的水分在气体冷却器中凝结经阀AV-16、AV-15定时通过排水水封（12）排凝。 2）干燥器（1-15）吸附（1-16）吹冷过程 上一过程阀门工作状态不变，停止干燥器（1-16）的加热，进行干燥器（1-16）的吹冷过程。氢气流程不变。 3）干燥器（1-15）吸附（1-16）反吹过程 在上流程阀门状态下，关闭AV-23、AV-17、AV-16打开AV-14、AV-24阀门关闭，SV-08阀门状态根据再生气用量已调好。（常开） 氢气经AV-23、AV-13过氢气冷却器（1-17）进入干燥器（1-15）接着来进行吸附工作，产出干燥后氢气一部分经氢气过滤器供给下一系统。另一部分经SV-08调节流量后，过AV-17、反吹进入干燥器（1-16），使干燥器（1-16）入口端及内部充入干燥后的产品气，充入氢气经氢气冷却器（1-18），经AV-16阀排入氢气排水水封。 4）干燥器（1-15）吸附，（1-16）自冷过程 在上一流程阀门工作状态下，关闭AV-17，氢气经阀AV-23、AV-13、氢气冷却器（1-17）、干燥器（1-15）、氢气过滤器继续供气。此过程由于干燥器（1-16）的进出口阀门均为关闭状态，所以工作在自然冷却状态。 5）干燥器（1-15）、（1-16）吸附过程 在上一流程阀门工作状态下，打开AV14，使氢气分别经氢气冷却器（1-17）（1-18）冷却、干燥器（1-15）（1-16）吸附后，进入氢气过滤器。产出产品气，供给下一系统。 6）以下工作流程为： 干燥器（1-16）加热，（1-15）吸附过程 干燥器（1-16）吹冷，（1-15）吸附过程 干燥器（1-16）反吹，（1-15）吸附过程 干燥器（1-16）自冷，（1-15）吸附过程 干燥器（1-16），（1-15）吸附过程 1. 5制氢干燥部分主要设备的功能简述 电解槽(1-01) 电解槽是水电解制氢主体设备,在槽体内充入30%KOH水溶液,在直流电解作用下水发生分解,阴极表面产生氢气,阳极表面产生氧气。此设备为电解系统的核心部件。 氢氧分离器（1-03）（1-02） 分离原理：碱液和气体凭借各自的重力和浮力进行相对有效的分离。 氢氧分离器的尺寸及构成参见设备外形图。 氢氧冷却器（1-09）（1-08） 作用：通过换热过程，把氢，氧气体的温度降下来，有利于下一工序的进行，并使用户得到满足用气安全温度的要求。 d. 氢氧捕滴器(1-11、1-10) 作用：氢氧气体经过冷却后，温度降低，使气体中的水蒸汽形成液滴，通过捕滴器除去液滴，降低气体的含湿量。 氢氧捕滴器的尺寸及构成参见设备外形图。 e. 氢、氧碱液过滤器（1-05、1-04） 作用：过滤器主要是通过滤芯过滤掉碱液中的机械杂质，保护电解槽通道的畅通。 碱液过滤器的尺寸及构成参见设备外形图。 f. 氢、氧碱液冷却器（1-07、1-06） 作用：电解液经过碱液冷却器，冷却到70℃左右，使电解槽在额定温度下正常工作。 碱液冷却器的尺寸及构成参见设备外形图。 干燥器（1-15、1-16） 作用：吸附剂--分子筛在常温下吸附氢气中的水份，使氢气露点指标达到用户的要求。 干燥器的尺寸及构成参见设备外形图。 氢气冷却器（1-17、1-18） 作用：干燥器的冷却器，再生时，由于温度比较高，保护阀内密封件和工艺技术要求气体温度。 气体冷却器的尺寸及构成参见设备外形图。 氢、氧碱液循环泵（1-20、1-19）。 作用：碱液循环泵是水电解制氢设备中碱液强制循环的专用设备，该设备大多数都用在碱液的循环。 技术参数：扬程2.2m 流量2.0m3/h 功率2.2KW 防爆等级dIICT3 补水泵（3-04） 作用：补水泵用于在水电解制氢过程中补充消耗的水和补充必需的碱，该泵为柱塞泵。 技术参数： 理论流量：9.83L/min，工作所承受的压力：6.0Mpa，电机功率：1.1KW， 配碱泵（3-03） 与碱液箱实现配碱功能，并有系统开车注碱的作用。 技术参数：扬程15m 流量6.6m3/h 功率1.1KW 原料水箱（3-01） 作用：用于水电解制氢装置盛装原料水,以便及时的补水，配碱工作。 原料水箱的尺寸及构成参见设备外形图。 碱液箱（3-02） 作用：用于水电解制氢装置盛装碱液或配置碱液。 碱液箱的尺寸及构成参见设备外形图。 阻火器 作用：用于氢气放空时阻挡外界明火，保证设备安全运作。 氢气排水水封 作用：起切断和安全排气作用。 1.6 N2置换流程 系统状态：停车、常压，纯水清洗（系统充水至分离器液位1/3处或更高，这样可减少氮气置换时的氮气用量，并减少相关阀门的操作数量）。打开自动阀（AV-02、SV-03、BV-10、LV-01、AV-23、AV-13、AV-14、AV-12、AV-17、SV-08、向制氢系统充入氮气至0.3MPa后关闭AV-02，打开AV-10、AV-18，氮气释放，当压力到0.1MPa时，关闭AV-10、AV-18，重新打开AV02向系统注入氮气至0.3MPa后关闭AV-02，打开AV-10、AV-18释放氮气压力至0.1MPa重复以上过程3~4次。置换过程结束，进入下一个阶段。 2. 除盐水冷却系统 除盐水冷却系统主要是由除盐水箱、换热器、泵、阀及相关仪表组成。它是保证制 电解水制氢系统图 氢干燥系统中气体冷却器（1-08、1-09）碱液冷却器（1-06、1-07）和干燥冷却器（1-17、1-18）冷却水的用水。 3. 气体处理系统 减压系统主要由气动薄膜调节阀，自动球阀及相关仪表组成，为保证用户的正常供气该系统设置了两根供氢管、供给汽机房。 经干燥系统处理后的氢气经阀AV-20进入储气系统，并通过相关仪表检测实现储气系统工作所承受的压力均衡。当用户要用气时，通过相关仪表检测控制，从储气系统供给用氢单元。该部分内采用相关仪表检测用户供氢母管压力，实现供气母管的压力均衡及稳定。 4. 储气系统 储气系统主要由氢气储罐、空气储罐和相关的仪表及阀门组成，该系统由四台13.9m3氢气储罐、一台6 m3空气储罐组成，氢气储罐保证了非正常情况下用户用氢的要求。

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