水电解制氢工艺课件.ppt

2009年一季度职工培训课程 水电解制氢生产工艺 主要内容 氢气的性质与用途水电解制氢装置介绍氢气纯化装置介绍 第一章氢气的性质和用途 1 氢气的性质通常状况下 氢气是无色 无味的气体 氢气的分子量为2 0158 是最轻的气体 标准状况下 氢气的密度为0 0899g L 是所有气体中密度最小的 所有要比空气轻得多 在压强为1 01325 10 5Pa时 无色液态氢的沸点为 252 80 20 2K 雪状固态氢的熔点为 259 14 13 86K 它粘度最小 导热系数最高 化学性质活泼 渗透性和扩散性强 因而在氢气的生产 贮送和使用过程中都易造成泄漏 第一章氢气的性质和用途 氢气还是一种强还原剂 可同许多物质进行不同程度的化学反应 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 第一章氢气的性质和用途 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 需要加入一定纯度的氢气 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 第一章氢气的性质和用途 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 第一章氢气的性质和用途 氢气在多晶硅生产中的应用H2 Cl2 2HCl Q 燃烧 Si 3HCl H2 SiHCl3 Q 280 330 SiHCl3 2H2 Si 3HCl 1050 1100 SiCl4 2H2 SiHCl3 3HCl 1200 第一章氢气的性质和用途 工业制氢的常用方法氨分解制氢2NH3 3H2 N2 Q 650 催化剂作用 甲醇分解制氢CH3OH H2O CO2 H2 Q 240 催化剂作用 水电解制氢 第二章水电解制氢装置 所谓电解就是借助直流电的作用 将溶解在水中的电解质分解成新物质的过程 1 电解水原理在一些电解质水溶液中通入直流电时 分解出的物质与原来的电解质完全没有关系 被分解的是作为溶剂的水 原来的电解质仍然留在水中 例如硫酸 氢氧化钠 氢氧化钾等均属于这类电解质 在电解水时 由于纯水的电离度很小 导电能力低 属于典型的弱电解质 所以需要加入前述电解质 以增加溶液的导电能力 使水能够顺利地电解成为氢气和氧气 氢氧化钾等电解质不会被电解 现以氢氧化钾为例说明 1 氢氧化钾是强电解质 溶于水后即发生如下电离过程 于是 水溶液中就产生了大量的K 和OH 第一节水电解制氢装置的工作原理 第二章水电解制氢装置 2 金属离子在水溶液中的活泼性不同 可按活泼性大小顺序排列如下 K Na Mg Al Mn Zn Fe Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Au在上面的排列中 前面的金属比后面的活泼 3 在金属活泼性顺序中 越活泼的金属越容易失去电子 否则反之 从电化学理论上看 容易得到电子的金属离子的电极电位高 而排在活泼性大小顺序前的金属离子 由于其电极电位低而难以得到电子变成原子 H 的电极电位 1 71V 而K 的电极电位 2 66V 所以 在水溶液中同时存在H 和K 时 H 将在阴极上首先得到电子而变成氢气 而K 则仍将留在溶液中 第二章水电解制氢装置 4 水是一种弱电解质 难以电离 而当水中溶有KOH时 在电离的K 周围则围绕着极性的水分子而成为水合钾离子 而且因K 的作用使水分子有了极性方向 在直流电作用下 K 带着有极性方向的水分子一同迁向阴极 这时H 就会首先得到电子而成为氢气 其化学反应式如下 阴极 2H2O 2e H2 2OH阳极 2OH 2e H2O 1 2O2 总反应式 2H2O 2H2 O2 第二章水电解制氢装置 在直流电作用于氢氧化钾水溶液时 在阴极和阳极上分别发生下列放电反应 见图 第二章水电解制氢装置 本装置由电解槽 气液处理器 整流装置 控制柜 计算机管理系统 加水泵 碱箱 水箱等几大部分组成 第二节水电解制氢装置的组成 第二章水电解制氢装置 第二章水电解制氢装置 电解槽 第二章水电解制氢装置 水电解槽是整套水电解制氢设备的核心 是发生电化学反应的地方 在电解小室的阴 阳电极上分别制得产品氢气和氧气 我们选用的电解槽为并联双极性压滤型结构 若干根拉紧螺杆把二百多个电解小室压紧在两个厚实的端压板之间 所有的外连管道全部从两端压板上引出 上部为产品气和碱液混合液的引出管 下部为循环碱液的引入管和排污管 端压板采用平板结构 直流电的引入方式为中间极板接正极 两端极板接负极 第二章水电解制氢装置 电解槽的每个小室由阳极板 阳副极网 隔膜 垫片 阴副极网 阴极板组成 在电解槽中 每块极板既是阳极又是阴极 中间极板为阳极 左右端极板为阴极 极板面向中间极板的一侧为阴极 另一侧为阳极 在阴极上产生氢气 在阳极上产生氧气 在槽体上除中间极板 左端极板 右端极板外 按极板处的位置不同又分为左极板和右极板 它们的区别在于出气孔的位置不同 电解槽的内部结构 第二章水电解制氢装置 第二章水电解制氢装置 处理器是一个包含许多化工过程的多功能综合设备 它的作用如下 1 借助于重力 使水电解产生的氢气和氧气与循环碱液分离 2 借助于氢 氧分离器的压力控制 保持电解槽小室中阴极侧和阳极侧的压力平衡 3 维持水电解过程中所需的电解液含量 并观察液位 4 通过处理器内设置的蛇管冷却循环碱液 控制槽温 5 除掉气体中的碱雾及液滴并降低气体温度 气液处理器 包括氢氧分离器 气体洗涤器 碱液及气体冷却器 碱液过滤器 屏蔽泵等 第二章水电解制氢装置 气液处理器的结构 该型处理器分为两段 下部为分离冷却段 上部为洗涤冷却除雾段 第二章水电解制氢装置 整流装置 整流装置由整流变压器 整流柜组成 用于供给电解所需直流电源 第二章水电解制氢装置 控制柜 控制柜包括工控机 PLC 二次仪表 氢气和氧气分析仪 稳压电源及操作按钮 开关等 可实现自动检测 调节 显示 故障报警 联锁 自动开机与停机等功能 工控机是控制部分的核心 第二章水电解制氢装置 碱液冷却器的作用是冷却循环碱液控制电解槽的温度 氢 氧 气体冷却器的作用是冷却电解产生的氢气和氧气 柱塞泵的作用是向系统输送纯水或补充电解碱液 屏蔽泵 碱液循环泵 的作用是对电解液进行强制循环 其循环的目的是 a补充槽休内电解消耗的纯水b带走电解产生的热量c增加电解液的搅拌 降低浓度差极化电压d降低含气度 减小功耗 第三节其它设备 第二章水电解制氢装置 第四节工艺流程介绍 第二章水电解制氢装置 第二章水电解制氢装置 本制氢装置基本由七个系统组成4 1气体系统4 2电解液循环系统4 3气体排空 氮气置换 系统4 4原料补充系统4 5冷却水系统4 6排污系统4 7补碱系统 第二章水电解制氢装置 4 1气体系统当电解槽接通直流电源 电解电流上升到一定数值时 电解槽内的水被电解成氢气和氧气 来自电解槽内各电解小室阴极侧的氢气和碱液 借助循环泵的扬程和气体升力 经碱液换热器进入氢分离洗涤器的分离段 在重力的作用下氢气和碱液分离 分离后的气体送入洗涤段 对气体进行冷却 洗涤和除雾 然后进入贮罐待用 第二章水电解制氢装置 4 2电解液循环系统电解液循环的目的在于向电极区域补充电解消耗的纯水 带走电解过程中产生的氢气 氧气和热量 增加电极区域电解液的搅拌 减少浓差极化电压 降低碱液中的含气度 降低小室电压 减少能耗等 以使电解槽在稳定条件下工作 碱液循环的大小影响槽内小室电压和气体纯度 对手一个特定的电解槽 应有一个合适的循环量 一般槽内电解液更换次数为每小时2 4次 在常压电解系统中 通常用自然循环 而在压力电解系统中 因电解装置体积小 管道细 气液流通阻力大 加上电流密度较大 要求电解液更换的次数比较多 采用自然循环难于达到 因而采用碱液循环泵来强制循环 第二章水电解制氢装置 4 3气体排空 氮气置换 系统水电解制氢装置设有充氮口 用于系统的气密检查与开机前的氮气置换 制氢系统开车后 氢气纯度达到要求后才能被送到贮罐 或净化设备 在未达到要求纯度以前的氢气可通过调节阀后的气体放空阀放空 当水电解制氢装置压力压差系统由于调节阀芯的磨损而出现失控现象时或因紧急事故需要将水电解制氢系统泄压排空时 可通过 手动 气体放空阀 使氢氧气体分别放出 但在操作中注意使氢氧分离器液位差不能过大 第二章水电解制氢装置 4 4原料水补充系统电解过程中 装置内的原料水一直不停地在消耗 因此 为保证水电解的连续进行 需要定期向装置内补充原料水 水箱中的水通过加水泵分别打入氢氧洗涤器 然后通过溢流管注入分离器下部的液相部分和循环碱液一并进入电解小室进行连续电解 同时使电解液中碱的浓度保持在最佳使用范围 补水过程中 只开启单个补水回路 即只开氢侧或氧侧补水回路 第二章水电解制氢装置 4 5冷却水系统总管中的冷却水共分为三路 一路进入整流柜供可控硅元件冷却 一路进入氢 氧 洗涤器的蛇管或进入气体冷却器冷却氢 氧 气体 另一路冷却水通过气动薄膜调节阀控制进入碱液冷却器中 根据循环碱液温度的高低自动控制冷却水量 从而达到控制操作温度的目的 如有纯化装置还需要增加一路冷冻水进入气体冷却器中 以给待干燥的气体降温或冷却从干燥器出来的再生气体 第二章水电解制氢装置 4 6排污系统排污管道共分四处 一 碱液过滤器底部 通过过滤器排污阀排出碱液和过滤器中过滤下来的石棉绒杂质及污物 二 水箱底部排污口 通过排污阀排出箱中的污物或残液 三 碱箱底部排污口 通过排污阀排出箱中的污物或残液 四 从氢气干燥部分的气水分离器中排出冷凝水 第二章水电解制氢装置 4 7补碱系统当装置需要补碱时 应在停机泄压状态下进行 按要求计算应补充碱的数量 重新配制碱液 通过碱箱到电解槽的阀门系统将碱液打入电解槽中 第二章水电解制氢装置 水质要求 配制碱液和补充电解用水 应是二次蒸馏水或合格的去离子 对水的要求为 电阻率一般在1 10 5 1 10 6 cm 或电导小于10uS cm 干残渣含量 5 7mg L 氯含量 6mg L 铁离子含量 1mg L KOH要求 采用分析纯或优级纯 KCl或NaCl 0 1 含量 碳酸盐含量 0 5 硫酸盐含量 0 1 无其它金属离子 五氧化二钒 V2O5 要求 采用分析纯 在电解液中含量为千分之二 第五节原料要求 第三章氢气纯化装置 随着科学技术的日益发展 许多工业生产 科研部门都需使用高纯度氢气 比如在半导体器件 集成电路生产 有色金属冶炼和加工 气体工业及液氢生产等等方面 都要使用纯度为99 999 到99 9999 的高纯度氢气 但是目前工业上的各种制氢方法所制取的氢气纯度都不能满足上述要求 因此 各种就要把低纯度氢气经过纯化处理来对其提纯 第三章氢气纯化装置 氢气纯化的方法 1 催化反应法 利用各种催化剂去除氢气中的氧杂质等 一般可将氢气中的氧气杂技从百分之几纯化到PPM级 甚至PPB级 这种方法还可用于去除氮等惰性气体中的氧杂质 去除氧气中的氢和烃类杂质 2 选择吸附法 利用各种吸附剂选择性吸附气体中的各种杂质 当去除氢气中的水份时 可采用吸附干燥法 需去除氢气中的各种杂技时 可采用低温吸附法或变压吸附法 3 钯膜扩散法 利用氢气能透过钯合金的我 可将敢纯化到99 9999 含水量达到露点 70 80 4 吸收法 以溶液吸收为基础的吸收法 由吸收塔和再生塔组成 吸收和再生是在一定的温度和压力下进行的 第三章氢气纯化装置 5 低温纯化制取超纯氢 氢气低温纯化装置是制取超纯氢 99 9999 的设备 氢气中的杂质在低温 液氮温区 时 易被某些吸附剂吸附或其吸附量大大增加 可根据杂质的组分和含量确定使用活性炭类 分子筛系列或硅胶系列的吸附剂 也可采用组合式吸附剂 确保装置高效低成本运行 以满足对氢气纯度有极高要求的用户 水电解制得的氢气纯度可达到99 7 以上 其中的杂质主要是O2和H2O 还有微量的N2 CH4等 采用催化脱氧 吸附干燥法纯化后的纯氢中残氧量 2ppm 露点可达 80 已能满足我们的需要 因此我们就选用这种纯化方法 第三章氢气纯化装置 吸附一般是指较稀疏的物质被吸附剂 多半为固体 的表面所吸收的现象 吸附一般为放热过程 该热量称为吸附热 如何解释吸附现象呢 因为固体表面原子和固体内部原子的处境不同 内部原子所受的力是对称的 表面所受的力是不对称的 表面原子的力是不饱和的 因而有剩余力 气体分子碰撞固体表面时 受到这种力的影响而停留 就产生吸附 这种对溶质有吸附能力的固体称为吸附剂 而被固体吸附的物质称为吸附质 吸附概念 第三章氢气纯化装置 气体吸附包括物理吸附和化学吸附两种 物理吸附 若吸附剂和吸附质之间是通过分子间的引力 即范德华力 而产生的吸附 称为物理吸附 它是无选择性的吸附 任何固体都有可能吸附气体 吸附量会因吸附剂及被吸附的物质的种类的不同相差很多 易于液化的气体易被吸附 脱附也较容易 化学吸附 若吸附剂与吸附质之间产生了化学作用 生成化学键引起的吸附 称为化学吸附 它是一种有选择性吸附 吸附剂只是对某些气体有吸附作用 吸附热数值很大 且不易脱附 可以看成是表面化学反应 第三章氢气纯化装置 吸附干燥过程属于物理吸附 是依靠分子间力的作用将气体分子吸引到吸附剂上 吸附剂是一种具有大量微孔的固体 其内部微孔的比表面积在300 g左右甚至更高 当含水氢气通过微孔时属于极性分子的水就被强烈的吸附在微孔的表面 属于非极性分子的氢则不易被吸附而顺利通过微孔 这样就达到消除水分的目的 影响吸附剂的因素很多 但当吸附剂和吸附质确定后 吸附量就只与吸附质的分压 成正比 和温度 成反比 有关了 常用的干燥吸附剂有硅胶 活性氧化铝和分子筛等 根据产品的要求 可以选用其中的一种和多种组合为干燥剂 吸附干燥 第三章氢气纯化装置 存在于气体中的有害杂质 有时不能靠物理方法从气体中除去 而是借助于催化剂的作用 使气体中的杂质被吸附在催化剂的表面 使杂质与气体中的其它组分相互起化学反应 转化为无害的化合物 这种方法称为化学催化 在催化反应中 催化剂是降低反应的活化能 加速反应过程 而本身不参加反应的一类物质 催化剂的作用是控制反应速度的 或者使反应沿着特定的途径进行 就固体催化剂来说 它的表面即是催化反应的场所 一般要求具有大表面积才可以提高它的反应速度 绝大多数气体的净化过程中所用的催化剂为金属盐类或金属 通常载在具有巨大表面积的惰性载体上 如硅藻土 氧化铝 陶土 石棉等 化学催化 第三章氢气纯化装置 当含有微量氧的氢气通过脱氧催化剂时 在催化剂的作用下 氧和氢迅速反应生成水 2H2 O2 2H2O Q此方法可以使氢气中的含氧量由0 5 降至5ppm以下 通常我们选用氧化铝镀钯为催化剂 这种类型的催化剂在国内外都得到了广泛的应用 它具有很高的活性 在高气流速度下也能达到很高的脱氧深度 在不加热的情况也可进行催化反应 即可在常温下发挥作用 氢 氧催化剂反应时要放出大量的热量 各种催化剂都有达到一定温度后 其活性会发生衰退的现象 因此在使用时应注意控制反应温度 催化脱氧 第三章氢气纯化装置 纯化装置主要由脱氧器 干燥器 冷却器 气水分离器 气体过滤器及各种阀门管道组成 第三章氢气纯化装置 第三章氢气纯化装置 一 脱氧器 主要部件及其作用 第三章氢气纯化装置 二 干燥器 第三章氢气纯化装置 三 冷却器 第三章氢气纯化装置 四 气水分离器 第三章氢气纯化装置 五 气体过滤器 演示结束 谢谢大家