中壓水電解制氫工藝指標異常治理與探討

張澤文

摘 要：氫氣和氧氣純度是判斷制氫裝置運行好壞的最關(guān)鍵的指標，也是檢驗制氫裝置運行的性能指標。氫氣和氧氣純度異常直接影響制氫裝置安全運行。大唐國際托克托發(fā)電有限公司1號制氫裝置由七一八所研制而提供的CNDQ系列中壓電解制氫設(shè)備，產(chǎn)氫量為10Nm3/h，于2010年投產(chǎn)，設(shè)備投運后氧中氫指標一直偏高，堿液流量的變化對氧中氫指標影響較大，流量在500L/h時，氧中氫指標在0.75%左右。本文主要針對廠部制氫裝置氫氣和氧氣指標不合格原因進行分析并通過系統(tǒng)內(nèi)部檢查和運行參數(shù)的調(diào)整，治理氫氣和氧氣純度指標。

關(guān)鍵詞：制氫裝置；電解槽；指標

中圖分類號：TQ116.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）05-0136-01

1 影響氫氣和氧氣純度的主要因素

1.1 堿液濃度

根據(jù)《氫氧化鈉和氫氧化鉀水溶液的電阻率表》可以得出結(jié)論：25%的氫氧化鈉和30%的氫氧化鉀水溶液電阻率最小。電解液選擇的原則：盡量選用電阻率最小的溶液作為電解液，我們選用的是氫氧化鈉分析純，濃度控制在22～26%。

1.2 堿液流量

電解槽的堿液流量控制在合適的位置。堿液流量過大：（Ⅰ）氫、氧分離器分離時間短，氣體未充分分離又參與到下一輪的循環(huán)中，從而降低氣體純度；（Ⅱ）加快氣泡排除，降低含氣率，降低小室電壓。流量過小：氫、氧分離器分離時間長，氣體得到充分分離，從而提高氣體純度；缺點是電解液在電解過程中屬于放熱反應(yīng)，流量過小不能及時將熱量帶出去，提高電解槽溫度。電解液在電解過程中存在腐蝕產(chǎn)物，如果不能及時帶出去，容易造成電解小室污堵。

1.3 分離器液位高低

制氫設(shè)備一般采用強制循環(huán)，氫、氧分離器液位的控制尤為重要，液位過高既影響氣體的溢出效果，也會使堿液由溢流管或出氣管進入洗滌器，再經(jīng)洗滌器由放空口噴出，發(fā)生“竄堿”現(xiàn)象；液位過低，有可能在分離器中發(fā)生“漩渦”現(xiàn)象，導(dǎo)致分離器中的氣體和堿液同時進入循環(huán)泵中，一起回流到電解槽中，在電解槽中造成氫、氧混合，輕則導(dǎo)致氣體純度迅速下降，重則電解槽中氫、氧混合會發(fā)生槽體爆炸，損壞設(shè)備，發(fā)生安全事故。

1.4 電解槽與堿液系統(tǒng)檢查

制氫裝置所用的堿液中會存在少量的碳酸鹽，碳酸鹽很容易在堿液中結(jié)晶析出，堵塞氣道，導(dǎo)致出氣不暢，在石棉隔膜兩側(cè)產(chǎn)生壓差，使氫氣、氧氣通過石棉隔膜滲透至另一側(cè)，造成氣體純度降低。另外，堿液中會存在其他部分雜質(zhì)離子，電解槽經(jīng)過長期的運行，由于不斷的補水、補堿，雜質(zhì)離子會越積越多，這些雜質(zhì)不斷污染電解小室，形成寄生性電解，導(dǎo)致電解小室內(nèi)氫氣側(cè)產(chǎn)生氧氣，氧氣側(cè)產(chǎn)生氫氣，也會造成氣體純度下降。

1.5 電解槽石棉隔膜的影響

水在電解過程中，產(chǎn)生的氫氣與氧氣分別在石棉隔膜兩側(cè)析出，在石棉隔膜的阻隔下，氫氣與氧氣不會發(fā)生混合，但由于物質(zhì)分子有相互滲透的特性，石棉隔膜不可能將氫氣和氧氣絕對隔離。由于氫氣的分子量較小，滲透能力強。在一定壓力、溫度環(huán)境下，活動力很強，雖有石棉隔膜隔離，但仍會有微量氫氣透過石棉隔膜進入氧氣側(cè)。若石棉隔膜質(zhì)量不符合要求或損壞時，會增大氫氣滲透至氧氣側(cè)氣量，造成氧中氫指標超標。此時必須進行電解槽解體大修。

2 系統(tǒng)檢查

2.1 堿液系統(tǒng)除鹽水沖洗

靜壓沖洗：電解槽內(nèi)的堿液打入堿液箱，并將除鹽水打入到電解槽內(nèi)部，通過堿液循環(huán)泵將除鹽水在堿液系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，反復(fù)沖洗，直至排放的除鹽水澄清為止。

帶壓沖洗：將除鹽水打入到電解槽內(nèi)部，分離器液位控制在視窗中部，沖入電解槽內(nèi)部1.6MPa的氮氣后，迅速開關(guān)堿液過濾器排污門，直至將除鹽水排凈為止，直至排放的除鹽水不攜帶雜質(zhì)為止。

結(jié)果：除鹽水沖洗對氧中氫指標提高沒有效果。但是沖洗堿液系統(tǒng)后，堿液流量下調(diào)和電流上調(diào)之后槽溫可以控制在一定的范圍內(nèi)；氫中氧指標隨堿液流量下降而變小。

2.2 堿液管路、堿液過濾器內(nèi)部檢查

2.2.1 現(xiàn)象

在堿液管道管口處發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁附著有明顯的灰白色粘垢，通過除鹽水沖洗沒有效果，用硬質(zhì)木棍纏繞抹布進行擦拭，表面軟垢可以清除，附著在內(nèi)壁的一薄層硬垢無法去除。如圖1和圖2。

2.2.2 結(jié)果

從退回至堿液箱的堿液、堿液管道、堿液過濾器濾網(wǎng)的檢查，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)雜質(zhì)主要是電解槽石棉布脫落的絨毛在系統(tǒng)運行過程中與堿液形成灰色粘垢使得堿液過臟，這可能造成氧中氫指標升高，因此對系統(tǒng)管路進行了清理、堿液過濾器濾網(wǎng)進行了更換、重新配置堿液。制氫設(shè)備啟動后氧中氫指標仍然超標在1.3%左右，因此判斷堿液過臟不是本次氧中氫超標的根本原因。

2.3 電解槽小室電壓檢測

通過電解槽小室電壓檢測，最大是2.18v，最小是1.88v；其中相鄰兩級電壓差未超過0.2v。小室電壓過高，電阻變大，如果電阻變大，說明電解槽內(nèi)部污堵。通過該項工作不能判斷出電解槽堵塞或氣體循環(huán)不暢而導(dǎo)致氧中氫超標的問題。

3 工況調(diào)整試驗

3.1 堿液流量調(diào)整

調(diào)整步驟：控制槽壓3.0MPa、電流700A、液位320～330mm，堿液濃度控制25%時，調(diào)整堿液循環(huán)泵出口流量分別在520L/h、440L/h運行12小時，觀察氧中氫和氫中氧指標變化趨勢。結(jié)果：堿液流量在調(diào)整初期，氧中氫指標有見好情況，但隨著流量穩(wěn)定設(shè)備運行一段時間后，氧中氫指標開始逐漸上升，說明堿液流量調(diào)整在一定程度上可以改善氧中氫指標，但調(diào)整空間有限，就指標上漲現(xiàn)象看，氧中氫超標另有原因。

3.2 分離器液位調(diào)整

調(diào)整步驟：控制槽壓3.0MPa、電流700A、堿液流量480L/h，堿液濃度控制25%時，將氫、氧分離器液位補水上、下限分別下調(diào)10mm運行12小時，觀察氧中氫指標變化趨勢。結(jié)果：分離器液位調(diào)整后氧中氫指標較調(diào)整前有所提高，但隨著設(shè)備運行時間延長，純度還是有緩慢上漲趨勢，最后氧中氫指標達到1.44%，說明分離器液位調(diào)整可以提高氧中氫指標，但并不是造成氧中氫指標下降的原因。

4 電解槽內(nèi)部檢查

4.1 現(xiàn)象

設(shè)備在經(jīng)過運行調(diào)整和現(xiàn)場就地檢查無法解決氧中氫超標后，同年3月聯(lián)系廠家返廠維修電解槽。電解槽解體檢查過程中發(fā)現(xiàn)：石棉布、隔膜、極板安裝緊湊，石棉布的質(zhì)量符合要求，安裝的石棉布未出現(xiàn)破損、老化問題；極板光潔完好，未發(fā)現(xiàn)極板腐蝕穿孔等問題；電解槽小室的產(chǎn)氣和堿液通道被粉白色結(jié)晶物堵塞，部分小室氣孔基本被堵死。如圖3和圖4所示。

4.2 結(jié)果

從電解槽拆解檢查看，電解槽小室產(chǎn)氣和堿液循環(huán)通道被粉白色結(jié)晶物堵塞，導(dǎo)致堿液循環(huán)不暢，氣體排除不暢產(chǎn)生滲透，以及電解槽內(nèi)雜質(zhì)使電解小室內(nèi)形成寄生電解產(chǎn)生氫氣和氧氣，最終導(dǎo)致氣體純度下降。

5 結(jié)語

通過對我廠1號制氫設(shè)備氧中氫指標超標的治理，找出了指標超標的根本原因并制定了有效的控制方案，目前設(shè)備運行氧中氫指標（要求不大于0.8%）基本控制在0.55～0.65%之間，既排除了制氫設(shè)備運行中的重大安全隱患，同時保證了10臺機組的正常補氫工作，并為使用同型號制氫設(shè)備的兄弟電廠提供借鑒和指導(dǎo)依據(jù)。