L'unité de production d'hydrogène par électrolyse comprend un ensemble complet d'équipements de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau. Les principaux équipements sont :
1. Électrolyseur
2. Dispositif de séparation gaz-liquide
3. Système de séchage et de purification
4. La partie électrique comprend : transformateur, armoire de redressement, armoire de contrôle de programme PLC, armoire d'instrumentation, armoire de distribution d'énergie, ordinateur hôte, etc.
5. Le système auxiliaire comprend principalement : un réservoir alcalin, un réservoir d'eau de matière première, une pompe d'alimentation en eau, une bouteille d'azote/barre omnibus, etc.
6. Le système auxiliaire global de l'équipement comprend : une machine à eau pure, une tour d'eau de refroidissement, un refroidisseur, un compresseur d'air, etc.
Dans l'unité de production d'hydrogène électrolytique, l'eau est décomposée en une partie d'hydrogène et une demi-partie d'oxygène dans l'électrolyseur sous l'action d'un courant continu. L'hydrogène et l'oxygène produits sont envoyés avec l'électrolyte vers le séparateur gaz-liquide pour séparation. L'hydrogène et l'oxygène sont refroidis par les refroidisseurs d'hydrogène et d'oxygène, et le récupérateur de gouttes capte et élimine l'eau, puis est expulsé sous le contrôle du système de contrôle. L'électrolyte traverse le filtre alcalin d'hydrogène et d'oxygène, le refroidisseur liquide d'hydrogène et d'oxygène, etc. sous l'action de la pompe de circulation, puis retourne à l'électrolyseur pour poursuivre l'électrolyse.
La pression du système est ajustée via le système de contrôle de pression et le système de contrôle de pression différentielle pour répondre aux exigences des processus et du stockage ultérieurs.
L'hydrogène produit par électrolyse de l'eau présente l'avantage d'une grande pureté et d'une faible teneur en impuretés. En général, les impuretés contenues dans l'hydrogène produit par électrolyse de l'eau sont uniquement de l'oxygène et de l'eau, sans aucun autre composant (ce qui permet d'éviter l'empoisonnement de certains catalyseurs), ce qui facilite la production d'hydrogène de haute pureté. Après purification, le gaz produit peut atteindre les caractéristiques d'un gaz industriel de qualité électronique.
L'hydrogène produit par le dispositif de production d'hydrogène passe par un réservoir tampon pour stabiliser la pression de travail du système et éliminer davantage l'eau libre dans l'hydrogène.
Une fois que l'hydrogène pénètre dans le dispositif de purification d'hydrogène, l'hydrogène produit par électrolyse de l'eau est davantage purifié et l'oxygène, l'eau et d'autres impuretés de l'hydrogène sont éliminés en utilisant les principes de la réaction catalytique et de l'adsorption sur tamis moléculaire.
L'équipement permet de configurer un système d'ajustement automatique de la production d'hydrogène en fonction de la situation réelle. Les variations de charge en gaz entraînent des fluctuations de pression dans le réservoir de stockage d'hydrogène. Le transmetteur de pression installé sur le réservoir émet un signal de 4 à 20 mA et le transmet à l'automate programmable industriel (PLC). Après comparaison avec la consigne initiale et calcul de la transformation inverse et du PID, un signal de 20 à 4 mA est émis et envoyé au redresseur afin d'ajuster le courant d'électrolyse, permettant ainsi l'ajustement automatique de la production d'hydrogène en fonction des variations de charge.
Les équipements de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau alcaline comprennent principalement les systèmes suivants :
(1)Système d'eau de matière première
La seule substance réagissant au cours du processus de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau est l'eau (H₂O), qui doit être continuellement réapprovisionnée en eau brute par une pompe de réapprovisionnement. Le réapprovisionnement en eau se fait sur le séparateur d'hydrogène ou d'oxygène. De plus, une petite quantité d'hydrogène et d'oxygène doit être évacuée du système. La consommation d'eau des petits équipements est de 1 L/Nm³H₂, tandis que celle des grands équipements peut être réduite à 0,9 L/Nm³H₂. Le système réapprovisionne continuellement en eau brute. Grâce à ce réapprovisionnement en eau, la stabilité du niveau et de la concentration du liquide alcalin peut être maintenue, et la solution réactionnelle peut être renouvelée en temps opportun.
2) Système transformateur-redresseur
Ce système se compose principalement de deux appareils : un transformateur et un redresseur. Sa fonction principale est de convertir le courant alternatif 10/35 kV fourni par le système de traitement en courant continu (CC) nécessaire à l'électrolyseur, puis de l'alimenter en CC. Une partie de cette énergie est utilisée pour décomposer directement l'eau. Les molécules sont l'hydrogène et l'oxygène, tandis que l'autre partie génère de la chaleur, qui est évacuée par le refroidisseur de lessive via l'eau de refroidissement.
La plupart des transformateurs sont à huile. Des transformateurs secs peuvent être utilisés en intérieur ou dans un conteneur. Les transformateurs utilisés dans les équipements de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau sont des transformateurs spéciaux qui doivent être adaptés aux caractéristiques de chaque électrolyseur. Ce sont donc des équipements sur mesure.
(3) système d'armoire de distribution d'énergie
L'armoire de distribution électrique est principalement utilisée pour alimenter en 400 V (ou 380 V) les équipements des différents composants motorisés des systèmes de séparation et de purification d'hydrogène et d'oxygène, situés derrière les équipements de production d'hydrogène par électrolyse. L'équipement comprend la circulation alcaline dans le système de séparation d'hydrogène et d'oxygène. Il comprend également les pompes, les pompes de réapprovisionnement en eau des systèmes auxiliaires, les fils chauffants des systèmes de séchage et de purification, ainsi que les systèmes auxiliaires nécessaires à l'ensemble du système, tels que les machines à eau pure, les refroidisseurs, les compresseurs d'air, les tours de refroidissement, les compresseurs d'hydrogène, les machines d'hydrogénation et autres équipements. L'alimentation électrique comprend également l'alimentation de l'éclairage, de la surveillance et des autres systèmes de la station.
(4) système de contrôle
Le système de contrôle utilise un automate programmable industriel (API). L'API utilise généralement un Siemens 1200 ou 1500. Il est équipé d'un écran tactile d'interface homme-machine. L'affichage du fonctionnement et des paramètres de chaque système de l'équipement, ainsi que la logique de commande, s'effectuent sur cet écran tactile.
5) Système de circulation alcaline
Ce système comprend principalement les équipements principaux suivants :
Séparateur d'hydrogène et d'oxygène - pompe de circulation alcaline - vanne - filtre alcalin - électrolyseur
Le processus principal est le suivant : le liquide alcalin mélangé à l'hydrogène et à l'oxygène dans le séparateur d'hydrogène et d'oxygène est séparé par le séparateur gaz-liquide, puis renvoyé vers la pompe de circulation du liquide alcalin. Les séparateurs d'hydrogène et d'oxygène sont alors connectés, et la pompe de circulation du liquide alcalin assure le reflux. Le liquide alcalin circule vers la vanne et le filtre à liquide alcalin situés à l'arrière. Une fois les grosses impuretés éliminées par le filtre, le liquide alcalin circule à l'intérieur de l'électrolyseur.
(6)Système à hydrogène
L'hydrogène est généré côté cathode et atteint le séparateur avec le système de circulation du liquide alcalin. Dans le séparateur, l'hydrogène étant relativement léger, il se sépare naturellement du liquide alcalin et atteint la partie supérieure du séparateur, puis passe par la canalisation pour une séparation et un refroidissement supplémentaires. Après refroidissement par eau, le récupérateur de gouttes capte les gouttes et atteint une pureté d'environ 99 %, avant d'atteindre le système de séchage et de purification final.
Évacuation : L'évacuation de l'hydrogène est principalement utilisée pour l'évacuation lors du démarrage et de l'arrêt, du fonctionnement anormal ou du défaut de pureté et de l'évacuation des défauts.
(7) Système d'oxygène
Le chemin de l’oxygène est similaire à celui de l’hydrogène, mais dans un séparateur différent.
Évacuation : À l’heure actuelle, la plupart des projets d’oxygène sont traités par évacuation.
Utilisation : La valeur d'utilisation de l'oxygène n'est pertinente que dans des projets spécifiques, comme certains scénarios d'application pouvant utiliser à la fois de l'hydrogène et de l'oxygène de haute pureté, comme les fabricants de fibres optiques. Certains projets d'envergure ont également réservé un espace à l'utilisation de l'oxygène. Les scénarios d'application finaux sont la production d'oxygène liquide après séchage et purification, ou l'utilisation d'oxygène médical par un système de dispersion. Cependant, le raffinement de ces scénarios d'utilisation reste à déterminer. Confirmation supplémentaire.
(8)système d'eau de refroidissement
L'électrolyse de l'eau est une réaction endothermique. La production d'hydrogène nécessite une alimentation électrique. Cependant, l'énergie électrique consommée par l'électrolyse de l'eau dépasse l'absorption thermique théorique de la réaction. Autrement dit, une partie de l'électricité utilisée par l'électrolyseur est convertie en chaleur. Cette chaleur sert principalement à chauffer le circuit de circulation alcaline au début, afin que la température de la solution alcaline atteigne la plage de température de 90 ± 5 °C requise par l'équipement. Si l'électrolyseur continue de fonctionner après avoir atteint la température nominale, la chaleur générée doit être utilisée. L'eau de refroidissement est alors extraite pour maintenir la température normale de la zone de réaction d'électrolyse. Une température élevée dans la zone de réaction d'électrolyse peut réduire la consommation d'énergie, mais une température trop élevée peut détruire la membrane de la chambre d'électrolyse, ce qui compromettra le fonctionnement à long terme de l'équipement.
Ce dispositif nécessite une température de fonctionnement ne dépassant pas 95 °C. De plus, l'hydrogène et l'oxygène produits doivent être refroidis et déshumidifiés, et le redresseur au silicium refroidi par eau est équipé des conduites de refroidissement nécessaires.
Le corps de pompe des gros équipements nécessite également la participation d'eau de refroidissement.
(9) Système de remplissage et de purge d'azote
Avant le débogage et l'utilisation de l'appareil, le système doit être rempli d'azote afin de tester son étanchéité. Avant le démarrage normal, la phase gazeuse du système doit également être purgée à l'azote afin de garantir que le gaz présent dans l'espace gazeux, de part et d'autre de l'hydrogène et de l'oxygène, soit hors de portée des zones d'inflammabilité et d'explosivité.
Après l'arrêt de l'équipement, le système de contrôle maintient automatiquement la pression et conserve une certaine quantité d'hydrogène et d'oxygène dans le système. Si la pression est toujours présente à la remise en marche de l'équipement, aucune purge n'est nécessaire. En revanche, si la pression est totalement relâchée, une nouvelle purge est nécessaire. Purge à l'azote.
(10) Système de séchage (purification) à l'hydrogène (en option)
L'hydrogène produit par électrolyse de l'eau est déshumidifié par un sécheur parallèle, puis dépoussiéré par un filtre à tube de nickel fritté pour obtenir de l'hydrogène sec. (Selon les exigences de l'utilisateur en matière d'hydrogène produit, le système peut ajouter un dispositif de purification, et la purification utilise une désoxydation catalytique bimétallique palladium-platine).
L'hydrogène produit par le dispositif de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau est envoyé au dispositif de purification d'hydrogène via le réservoir tampon.
L'hydrogène traverse d'abord la tour de désoxygénation. Sous l'action du catalyseur, l'oxygène de l'hydrogène réagit avec l'hydrogène pour produire de l'eau.
Formule de réaction : 2H2+O2 2H2O.
Ensuite, l'hydrogène passe à travers le condenseur d'hydrogène (qui refroidit le gaz pour condenser la vapeur d'eau dans le gaz pour générer de l'eau, et l'eau condensée est automatiquement évacuée du système via le collecteur de liquide) et entre dans la tour d'adsorption.
Date de publication : 14 mai 2024
