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1、水电解制氢装置讲义中国船舶重工集 团 公 司 第七一八研究所4水电解制氢装置讲义目 录前 言1通用部分第一章 氢 气1第一节 氢气的制备1第二节 氢气的性质和用途6第二章 水电解制氢8第一节 水电解制氢装置的工作原理8第二节 水电解制氢装置的用途与技术参数9第三节 水电解制氢装置121. 水电解制氢装置的组成122. 工艺流程简介123. 电解槽154. 处理器（框架I）20第四节 其它设备301. 控制柜302. 整流装置303. 计算机系统304. 框架305. 框架316. 柱塞泵317. 碱箱、水箱338. 阻火器33第三章 安 装351. 制氢站352. 工艺部分363. 自控部分4
2、04. 整流部分42第四章 设备维护、安全事项与故障的排除43第五章 配制电解液50第一节 物料及器材50第二节 碱液配制方法51专用部分第六章 微机控制系统的操作规程57第一节 开机前的准备57第二节 开机顺序76第七章 气动仪表控制系统的操作规程80第一节 开机前的准备80第二节 开机顺序82附录1 NaOH溶液温度比重对照表84附录2 氢氧化钾溶液比重表85附录3 KOH溶液比重温度浓度关系表86前 言自从1800年尼尔科森等人成功地将水电解成氢气和氧气以来，水电解制氢技术的发展已有近200年的历史了。现今，水电解制氢技术已在全世界得到了普遍的应用。由于能源的日渐紧张和工业飞速发展，对氢
3、的需求量也在不断的增加，致使世界各国纷纷制定研制新型水电解制氢技术的发展规划。而当前水电解制氢技术普遍存在的问题是能耗大、效率低、成本高。针对这些问题，世界各国除对现行技术进行改进外，同时还在研究和探索新的水电解制氢工艺，寻找新型隔膜和材料，力图降低能耗，提高水电解制氢效率。当前工业水电解制氢装置多数仍采用石棉隔膜，操作温度8090，操作压力0.73.2Mpa，小室电压2.02.2V，氢气纯度99.8（体积比），氧气纯度99.2，使用寿命1520年。同时，高效水电解制氢装置、固体聚合物和高温水蒸汽固体聚合物水电解制氢装置也在研制中。固体聚合物水电解制氢装置具有效率高、能耗低、安全可靠、体积小、
4、重量轻的优点，具有广阔的应用前景。我所是全国唯一的一家从事水电解制氢技术研究的科研单位，至今已有四十多年的历史。我所研制开发的水电解制氢装置是在总结以前的科研成果并吸收国内外同类装置优点的基础上研制而成的。经过多年的努力，逐步形成了现今具有相当规模的系列产品。从0.5m3/h300m3/h的不同型号和不同规格的水电解制氢装置，我所均已设计生产。这些产品已广泛地应用于航天、电力、电子、冶金、化工、气象和玻璃制造等工业部门，并有多台已出口国外。我所研制生产的水电解制氢装置配套齐全。设备的主要技术指标接近或达到国外同类装置的先进水平。槽体密封性能好，在反复开停机的条件下确保槽体不漏。在自动控制方面，
5、可根据用户的要求采用气动控制、程序控制和最先进的微机控制。设备具有很高的自动化和标准化程度，便于操作和维护。在设计和生产过程中，我们严格遵循质量第一，用户至上的原则，严把质量关，确保不合格的产品不出厂。同时，我们还为用户提供周到的售后服务，指导安装调试，代培运行操作人员。由于时间紧迫，水平有限，错误缺点在所难免，请批评指正。第一章 氢 气第一节 氢气的制备氢气的发展是随着用氢工业部门和石油工业部门的发展而向前发展的。进入70年代以来，由于能源紧张，人们开始寻找新的能源。氢气作为能源，在来源、使用和储运等方面具有较大的优势和较强的适应性。由于氢气燃烧后形成水，无污染，所以氢气被誉为“清洁能源”而
6、倍受人们青睐。制氢方法多种多样，但工业上通常采用水电解制氢。下面简单介绍各种制氢方法：1. 水电解制氢水电解制氢技术可靠，操作简单、维修方便，不产生污染，制取的氢气纯度高。伴随着国家大力发展水电事业及水电解制氢工艺和设备的改进，如新型隔膜、新型电极的不断推出，将会大大提高单位体积的产气量，从而大大提高它的适用范围。特别是高温固定聚合物水电解工艺的开发应用，将可能使制氢的总效率达4050，水电解制氢的成本可降低到目前的1/31/4。2. 热化学分解水制取氢气在闭合循环中利用热化学法制取氢气，是使水在某一化学反应过程中，在热的作用下进行分解。热化学法分解水是在复杂的系统和多个中间反应来完成的，至少
7、为两个以上的阶段。这种制氢方法，目前仍处于实验室研究阶段。3. 光催化作用制取氢气在光的作用下，当有光催化剂存在时，水可以分解成氢气和氧气，所选用的光催化剂应在相当宽的光谱区域内有吸收光的能力和光合再生的性能。所以首先要研制出有效的光催化剂，目前已取得了一些实验室成果，如TiO2晶体。4. 矿物燃料转化制氢由各种矿物燃料天燃气、石油及其制品、煤制氢，其过程有很大的相似性。基本过程是：烃类的蒸汽转化包括天然气、轻油等的蒸汽转化；部分氧化法原油、重油等液体的部分氧化；煤的转化。随着国家西气东输工程的发展，我所已研制出经济实用的天然气制氢设备。5. 氨分解制氢在一定温度下，通过催化剂的氨气被分解为氮
8、氢混合气（75的氢、25的氮），2NH3 催化剂 3H2N2Q催化剂一般可采用合成氨用的催化剂，如国产的A6催化剂时，分解温度为650700，分解率可达99以上。分解后的高温混合气体经过冷却器、分离器、干燥器后，纯度为：含氧量20PPm，含水量（露点）40，含氨量0.01，每公斤液氨可生产2.64Nm3混合气。我所在此方面已研制多年。6. 甲醇分解制氢甲醇分解制氢装置是采用甲醇和水在催化剂上分解、转化制取氢气的一种方法。与其它制氢方法相比具有投资成本低、运行费用少、反应条件温和等优点，可用于化工、医药、轻工、建材、冶金等多种工业部门，其缺点主要是甲醇的价格不稳定。我所研制的各种型号的甲醇分解制
9、置已有多台投入运行。现将其原理及主要技术指标简介如下：6.1 主要技术指标产品气流量501500m3/h压力1.0Mpa温度40纯度99.99%(vol)CO5ppm6.2 主要消耗指标甲醇0.590.68kg/m3H2脱盐水0.350.45kg/m3H2电0.2kWh/m3H2煤0.36kg/m3H2冷却水20kg/m3H2仪表空气10m3/h6.3 原理甲醇分解制氢装置包括甲醇分解转化和变压吸附两个过程：流程框图见（附件1）。6.3.1 甲醇分解转化来自原料液贮槽的脱盐水与甲醇经计量、混合后，用进料泵加压后送入换热器，与分解气换热升温后进入汽化器，生成甲醇、水蒸气过热混合气体后进入反应器，
10、反应温度为240280，在催化剂的作用下同时发生下列分解和变换反应： CH3OHCO2H2Q1（1） COH2OCO2H2Q2（2）总反应为：CH3OHH2OCO23H2Q1（3）总反应是吸热的，反应器和汽化器所需的热量由导热油炉的循环热油提供。从反应器出来的分解气（主要是氢气和二氧化碳气体）在换热器内与进料换热降温后，经冷却器冷却、冷凝和分离出未反应的少量甲醇和水，再经水洗塔用脱盐水洗涤残留的微量甲醇和其它杂质，经分解气缓冲罐进入变压吸附装置（PSA）。6.3.2 变压吸附（PSA）纯化甲醇分解变换后的分解气进入由数台并列操作的吸附器和一系列程序控制阀构成的变压吸附系统。每个吸附器内装填有吸
11、附材料，其中一台吸附器通过原料气时，原料气中的杂质组分被吸附剂吸附而获得高纯度的氢气；同时其它吸附器处于吸附床再生的不同阶段。各台吸附器定时切换，交替吸附和再生，使原料气不断输入，产品氢气不断输出。水电解制氢装置讲义附件1换 热 器反 应 器冷 却 器洗 涤 器气 水 分 离变 压 吸 附汽 化 器 甲醇水 氢气甲醇分解制氢系统框图30水电解制氢装置讲义第二节 氢气的性质和用途 1. 氢气的性质氢气是无色、无臭、无毒和无味的可燃气体。它同氮气、氩气、甲烷等气体一样，都是窒息气，可使肺缺氧。氢是最轻的气体，分子量是2.0158。它的粘度最小，导热系数高，临介温度239.9，凝固点259.14。氢
12、气的化学性质活泼，可与许多非金属化合，生成各种类型的氢化物。氢气是一种易燃、易爆的气体。在空气中的爆炸极限：上限75.5，下限4；在纯氧中的爆炸极限：上限94，下限4。氢气的着火性能随着温度和压力的不同而变化。通常压力增加，温度上升，可燃气体混合物的着火下限降低，上限提高，着火范围变宽。压力、温度下降则相反。氢气的燃烧过程由于密闭、引燃的状况和气体组合等条件的不同，可以成为爆炸和爆轰两种燃烧反应中的任何一种。2. 氢气的用途氢气广泛应用于化学、冶金、电子、电力等工业部门。在化学化工方面，氢是合成氨、氯化氢、有机合成的氢化反应和油脂硬化等的原料。在尼龙、塑料、农药的生产中也都离不开氢，需加入一定
13、纯度的氢气，生产相应的产品。在冶金工业中，氢气的使用颇为广泛。在有色金属钨、钼、钛等的生产和加工中，使用高纯度的氢气作为还原气。在一些磁性材料、磁性合金的生产中，需要高纯度氢气作保护气，以提高其磁性和稳定性；在硅钢片的生产中，需要高纯度的氢气作保护气；在硬质合金、粉末冶金材料的生产中，也需要高纯度氢气作保护气；在一些薄板、带钢的轧制中常常使用氮气氢气混合气作为保护气。在电子工业中，也十分广泛地使用高纯度氢气，主要用于电子材料、半导体材料和器件、集成电路以及真空器件的生产。在建筑材料和轻工业中，如玻璃和人造宝石的制造和加工，氢气被广泛地用作燃烧气和保护气；在电力工业中，氢气可作为汽轮发电机的冷却
14、剂。液态氢又是宇航和火箭的重要燃料；固态氢具有金属性并有超导性能。氢气的应用不只上述几个方面。由于能源危机，氢气作为一种新型能源受到人们的普遍重视。人们已认识到，尽管能从煤、石油和天燃气等原料中制取氢气，但这些原料正逐年减少以至枯竭，人们不得不寻找新型的能源。水电解制氢是比较理想的。许多专家认为，未来除了电以外，起重要作用的一种二次能量载体将是氢气。氢气具有许多优点，它便于储存和运输，对环境无污染，被誉为“清洁”的新能源。第二章 水电解制氢第一节 水电解制氢装置的工作原理 1. 电解定律任何物质在电解过程中，在数量上的变化都服从法拉第定律：1.1 电解时，在电极上析出的物质的数量，与通过溶液的电流强度和通电时间成正比，也就是说与通过溶液的电量成正比，即 GKeIt式中：G化学反应生成物的量 I电流 t通电时间 Ke电化当量 1.2用相
