L'électrolytiquehydrogènel'unité de production comprend un ensemble complet d'électrolyse de l'eauhydrogèneéquipements de production, dont les principaux équipements comprennent :
1. Cellule électrolytique
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 PLC, armoire d'instrumentation, armoire de distribution, ordinateur supérieur, etc.
5. Le système auxiliaire comprend principalement : un réservoir de solution alcaline, un réservoir d'eau de matière première, une pompe d'eau d'appoint, un cylindre d'azote/un jeu de barres, etc. 6. Le système auxiliaire global de l'équipement comprend : une machine à eau pure, une tour de refroidissement, un refroidisseur, un compresseur d'air, etc.
refroidisseurs d'hydrogène et d'oxygène, et l'eau est collectée par un piège à gouttes avant d'être envoyée sous le contrôle du système de contrôle ; L'électrolyte passe à travershydrogèneet les filtres alcalins à oxygène, les refroidisseurs alcalins à hydrogène et à oxygène respectivement sous l'action de la pompe de circulation, puis retournent à la cellule électrolytique pour une électrolyse plus poussée.
La pression du système est régulée par le système de contrôle de pression et le système de contrôle de pression différentielle pour répondre aux exigences des processus en aval et du stockage.
L'hydrogène produit par électrolyse de l'eau présente les avantages d'une grande pureté et d'une faible teneur en impuretés. En général, les impuretés contenues dans l'hydrogène gazeux 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). Cela facilite la production d'hydrogène gazeux de haute pureté, et le gaz purifié peut répondre aux normes des gaz industriels de qualité électronique.
L'hydrogène produit par l'unité de production d'hydrogène passe par un réservoir tampon pour stabiliser la pression de travail du système et éliminer davantage l'eau libre de l'hydrogène.
Après être entré dans le dispositif de purification d'hydrogène, l'hydrogène produit par électrolyse de l'eau est encore purifié, en utilisant les principes de la réaction catalytique et de l'adsorption sur tamis moléculaire pour éliminer l'oxygène, l'eau et d'autres impuretés de l'hydrogène.
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 envoie un signal de 4 à 20 mA à l'automate programmable industriel (PLC) pour comparaison avec la valeur de consigne initiale. Après transformation inverse et calcul PID, il envoie un signal de 20 à 4 mA au redresseur pour ajuster le courant d'électrolyse, permettant ainsi l'ajustement automatique de la production d'hydrogène en fonction des variations de charge.
La seule réaction dans le processus de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau est l'eau (H₂O), qui doit être alimentée en continu en eau brute par une pompe de réalimentation. Le point de réalimentation est situé sur le séparateur d'hydrogène ou d'oxygène. De plus, l'hydrogène et l'oxygène doivent évacuer une petite quantité d'eau en sortie du système. Les équipements à faible consommation d'eau peuvent consommer 1 L/Nm³ H₂, tandis que les équipements plus puissants peuvent réduire cette consommation à 0,9 L/Nm³ H₂. Le système réapprovisionne en continu en eau brute, ce qui permet de maintenir la stabilité du niveau et de la concentration du liquide alcalin. Il peut également réapprovisionner l'eau réactionnelle en temps opportun pour maintenir la concentration de la solution alcaline.
- Système de 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 refroidissement en courant continu (CC) nécessaire à la cellule d'électrolyse, puis de l'alimenter en CC. Une partie de l'énergie fournie sert à décomposer directement les molécules d'eau en hydrogène et en oxygène, tandis que l'autre partie génère de la chaleur, qui est transportée par le refroidisseur alcalin via l'eau de refroidissement.
La plupart des transformateurs sont à huile. Placés à l'intérieur ou dans un conteneur, des transformateurs secs peuvent être utilisés. Les transformateurs utilisés pour la production d'hydrogène par électrolyse de l'eau sont des transformateurs spéciaux qui doivent être adaptés aux caractéristiques de chaque cellule électrolytique. Ce sont donc des équipements sur mesure.
Actuellement, le redresseur à thyristors est le plus couramment utilisé, plébiscité par les fabricants d'équipements pour sa longue durée de vie, sa grande stabilité et son faible coût. Cependant, en raison de la nécessité d'adapter les équipements de grande taille aux énergies renouvelables, le rendement de conversion des redresseurs à thyristors est relativement faible. Actuellement, divers fabricants d'armoires redresseurs s'efforcent d'adopter de nouveaux redresseurs IGBT. Les IGBT sont déjà très répandus dans d'autres secteurs, comme l'éolien, et leur développement est attendu à l'avenir.
- Système d'armoire de distribution
L'armoire de distribution sert principalement à alimenter les différents composants motorisés du système de séparation et de purification de l'hydrogène et de l'oxygène, en aval de l'équipement de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau, notamment les équipements 400 V (ou 380 V). L'équipement comprend la pompe de circulation alcaline du système de séparation de l'hydrogène et la pompe d'appoint du système auxiliaire. L'alimentation électrique des fils chauffants du système de séchage et de purification, ainsi que des 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 et les machines d'hydrogénation, comprend également l'alimentation électrique de l'éclairage, de la surveillance et des autres systèmes de la station.
- Controsystème l
Le système de contrôle utilise un automate programmable industriel (API). L'API utilise généralement un Siemens 1200 ou 1500 et 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, sont réalisés sur cet écran tactile.
5. Système de circulation de solution alcaline
Ce système comprend principalement les équipements principaux suivants :
Séparateur hydrogène oxygène – Pompe de circulation de solution alcaline – Vanne – Filtre de solution alcaline – Cellule électrolytique
Le processus principal est le suivant : la solution alcaline mélangée à de l'hydrogène et de l'oxygène dans le séparateur hydrogène-oxygène est séparée par le séparateur gaz-liquide et renvoyée vers la pompe de circulation de la solution alcaline. Le séparateur d'hydrogène et le séparateur d'oxygène sont connectés à cet endroit, et la pompe de circulation de la solution alcaline fait circuler la solution alcaline refluée vers la vanne et le filtre de solution alcaline situés à l'arrière. Une fois les grosses impuretés éliminées par le filtre, la solution alcaline est envoyée à l'intérieur de la cellule électrolytique.
6. Système à hydrogène
L'hydrogène gazeux est généré côté cathode et atteint le séparateur via le système de circulation de la solution alcaline. À l'intérieur du séparateur, l'hydrogène gazeux est relativement léger et naturellement séparé de la solution alcaline, atteignant la partie supérieure du séparateur. Il passe ensuite par des canalisations pour une séparation supplémentaire, est refroidi par de l'eau de refroidissement et collecté par un récupérateur de gouttes pour atteindre une pureté d'environ 99 % avant d'atteindre le système de séchage et de purification final.
Évacuation : L'évacuation de l'hydrogène gazeux est principalement utilisée pendant les périodes de démarrage et d'arrêt, les opérations anormales ou lorsque la pureté ne répond pas aux normes, ainsi que pour le dépannage.
7. Système d'oxygène
Le cheminement de l’oxygène est similaire à celui de l’hydrogène, sauf qu’il s’effectue dans des séparateurs différents.
Vidange : Actuellement, la plupart des projets utilisent la méthode de vidange de l’oxygène.
Utilisation : La valeur d'utilisation de l'oxygène n'est pertinente que dans des projets spécifiques, tels que les applications utilisant à la fois de l'hydrogène et de l'oxygène de haute pureté, comme les fabricants de fibres optiques. Certains grands projets ont également réservé un espace à l'utilisation de l'oxygène. Les scénarios d'application back-end concernent la production d'oxygène liquide après séchage et purification, ou l'oxygène médical par des systèmes de dispersion. Cependant, la précision de ces scénarios d'utilisation doit encore être confirmée.
8. Système d'eau de refroidissement
L'électrolyse de l'eau est une réaction endothermique, et la production d'hydrogène nécessite une alimentation électrique. Cependant, l'énergie électrique consommée lors de l'électrolyse de l'eau dépasse l'absorption thermique théorique de la réaction. Autrement dit, une partie de l'électricité utilisée dans la cellule d'électrolyse est convertie en chaleur, principalement utilisée pour chauffer le circuit de circulation de la solution alcaline au début, portant ainsi sa température à la plage de température requise de 90 ± 5 °C pour l'équipement. Si la cellule d'électrolyse continue de fonctionner après avoir atteint la température nominale, la chaleur générée doit être évacuée par l'eau de refroidissement afin de 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 endommager la membrane de la chambre d'électrolyse, ce qui compromettra le fonctionnement à long terme de l'équipement.
La température de fonctionnement optimale de cet appareil ne doit pas dépasser 95 °C. De plus, l'hydrogène et l'oxygène produits doivent être refroidis et déshumidifiés, et le redresseur à thyristors 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.
- Système de remplissage et de purge d'azote
Avant de dépanner et d'utiliser l'appareil, un test d'étanchéité à l'azote doit être effectué sur le système. Avant le démarrage normal, il est également nécessaire de purger la phase gazeuse du système 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, est loin 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 au démarrage, aucune purge n'est nécessaire. En revanche, si la pression est complètement relâchée, une nouvelle purge à l'azote est nécessaire.
- Système de séchage (purification) à l'hydrogène (en option)
L'hydrogène gazeux préparé par électrolyse de l'eau est déshumidifié par un sécheur parallèle, puis purifié par un filtre à tube de nickel fritté pour obtenir de l'hydrogène gazeux sec. Selon les besoins de l'utilisateur en hydrogène produit, le système peut être équipé d'un dispositif de purification utilisant la désoxygénation catalytique bimétallique palladium-platine.
L'hydrogène produit par l'unité de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau est envoyé à l'unité de purification d'hydrogène via un réservoir tampon.
L'hydrogène gazeux passe d'abord par une tour de désoxygénation et, sous l'action d'un catalyseur, l'oxygène contenu dans l'hydrogène gazeux réagit avec l'hydrogène gazeux pour produire de l'eau.
Formule de réaction : 2H2+O2 2H2O.
Ensuite, l'hydrogène gazeux passe par un condenseur d'hydrogène (qui refroidit le gaz pour condenser la vapeur d'eau en eau, qui est automatiquement évacuée hors du système via un collecteur) et entre dans la tour d'adsorption.
Date de publication : 03/12/2024
