大型堿性電解水制氫裝備多對一的應(yīng)用與實(shí)踐

楊成玉，馬 軍，李廣玉，趙曉亮，顧永鑫

(1. 考克利爾競立(蘇州)氫能科技有限公司，蘇州 215100；2. 蘇州競立制氫設(shè)備有限公司，蘇州 215168；3. 蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，蘇州 215101)

0 引言

氫能是極為重要的清潔能源，在可再生能源分布式電站及氫氣冶金等眾多領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用。考慮到自然界內(nèi)很少存在單質(zhì)氫氣的情況，因此，必須借助工業(yè)過程實(shí)現(xiàn)氫能的制備，制氫技術(shù)是氫能得以發(fā)展與應(yīng)用的基礎(chǔ)。當(dāng)前，氫氣主要由電解水制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫等途徑獲得，而每個(gè)制氫途徑的成本投入、原材料的再生性及二氧化碳排放量等都有所差別。其中，全球95%以上的氫氣產(chǎn)量來自化石燃料重整制氫方式[1]，該方式產(chǎn)氫過程中會(huì)排放二氧化碳；另外，近4%～5%的氫氣產(chǎn)量來自電解水制氫方式，該方式產(chǎn)氫全程都不存在二氧化碳排放的問題。基于碳排放強(qiáng)度的差異，制氫方式可以分為3 個(gè)類型，分別為：灰氫(如煤制氫)、藍(lán)氫(如天然氣制氫)、綠氫(如電解水制氫、可再生能源制氫)。考慮到氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最初目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的效果，因此，未來的綠色能源發(fā)展中，氫能產(chǎn)業(yè)必將朝著電解水制氫這一綠氫方向?qū)で筮M(jìn)一步的發(fā)展與突破，電解水制氫方式將擁有充足的成長與進(jìn)步空間[2]。

近些年，電解水制氫技術(shù)蓬勃發(fā)展，不少國家都開始將其確立為除交通領(lǐng)域外的電力等諸多行業(yè)的未來目標(biāo)，而且該技術(shù)在政府規(guī)劃及應(yīng)用示范等領(lǐng)域內(nèi)都有突出表現(xiàn)，是極為重要的戰(zhàn)略資源技術(shù)。

在眾多研究電解水制氫的技術(shù)文獻(xiàn)中，由于堿性電解水(AWE)制氫、質(zhì)子交換膜(PEM)電解水制氫這2 種電解水制氫方式比較容易實(shí)現(xiàn)，因此經(jīng)常會(huì)被比較。但由于堿性電解水制氫比質(zhì)子交換膜制氫更適用于大規(guī)模制氫，并且利用可再生能源制氫是各大用氫企業(yè)降低成本的共識，因此針對堿性電解水制氫方式的研究和應(yīng)用均較多。

隨著氫能的進(jìn)一步發(fā)展，制氫廠家的電解水制氫裝備的大型化被逐漸提上議事日程，單臺電解水制氫裝備的最大產(chǎn)能、堿性電解水制氫裝備的大型化、集約化成為研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)，堿性電解水制氫裝備在大型化的同時(shí)做到多對一形式的集成化、模塊化已是勢在必行[3]。綜上，本文對制備綠氫的堿性電解水制氫技術(shù)進(jìn)行了介紹與分析，深入探究了綠色制氫與大規(guī)模制氫的系統(tǒng)化解決方案，對堿性電解水制氫多對一方案的設(shè)備布置進(jìn)行了詳細(xì)分析，并介紹了相關(guān)實(shí)際應(yīng)用和實(shí)踐案例，以期能夠?yàn)橹袊鴼淠芗夹g(shù)的進(jìn)一步升級換代提供參考。

1 研發(fā)背景

圖1 為光伏發(fā)電-風(fēng)電項(xiàng)目實(shí)景圖，在光伏發(fā)電與風(fēng)電等可再生能源發(fā)電期間，會(huì)表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)性及隨機(jī)性等特點(diǎn)，嚴(yán)重影響到電網(wǎng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性，但氫能發(fā)電不會(huì)出現(xiàn)這些問題[4]。大規(guī)模可再生能源發(fā)電耦合電解水制氫技術(shù)既能夠顯著提高可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的能源利用效率，還可以更好地應(yīng)對綠氫產(chǎn)業(yè)“氫從哪里來”的問題，是很多國家重要的能源戰(zhàn)略，與此相關(guān)的研究具有突出的戰(zhàn)略價(jià)值。

圖1 光伏發(fā)電-風(fēng)電項(xiàng)目實(shí)景圖Fig. 1 Photo of PV-wind power project

堿性電解水制氫技術(shù)憑借高性價(jià)比、設(shè)計(jì)緊湊及操作便捷等優(yōu)勢，得以在各行各業(yè)內(nèi)大范圍推廣與運(yùn)用，是當(dāng)前綠氫制備的主要途徑，在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中起到重要的影響作用。

電解槽是電解水制氫技術(shù)必不可少的設(shè)備，在利用電解水制氫技術(shù)對可再生能源發(fā)電波動(dòng)進(jìn)行平抑處理期間，其必須能夠更好地適應(yīng)不穩(wěn)定功率輸出的沖擊影響。伴隨電解水制氫技術(shù)的持續(xù)發(fā)展與成熟，堿性電解槽憑借自身成本投入少及技術(shù)實(shí)現(xiàn)更加純熟等優(yōu)勢，備受青睞與認(rèn)可，成為實(shí)際應(yīng)用最廣泛的電解水制氫技術(shù)。

電解水制氫技術(shù)具備以下特性：

1)啟停特性。電解水制氫過程中，打開電解槽時(shí)，電解槽溫度不會(huì)超過70 ℃，無法達(dá)到完美產(chǎn)氫的溫度要求。在這個(gè)過程中，電解槽需要消耗功率來產(chǎn)熱，以達(dá)到提高溫度的目的。在電解槽功率大幅度提高到能夠產(chǎn)氫的情況下，其功率值即為保溫功率。電解槽在最開始工作時(shí)會(huì)耗費(fèi)一定的時(shí)間來達(dá)到保溫功率，而其在停機(jī)的情況下，又能夠在很短的時(shí)間內(nèi)降低功率值，因此，其被視作可中斷負(fù)荷[5]。

2)保溫特性。在電解槽內(nèi)全部電解小室都不工作的情況下，保溫聯(lián)鎖控制設(shè)備將會(huì)打開，以確保整體電解槽系統(tǒng)在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)大幅的溫度變化。保溫特性能夠確保電解槽在短暫停機(jī)后也能夠立即開始生產(chǎn)[6]。

3)調(diào)節(jié)特性。該特性使電解槽在由高功率、高溫度調(diào)整到低功率、低溫度的情況下，能夠完成毫秒級時(shí)間的調(diào)節(jié)控制；反之，電解槽在由低功率、低溫度調(diào)整到高功率、高溫度的情況下可以達(dá)到分鐘級的時(shí)間響應(yīng)，即“由高至低快，由低至高慢”[7]。

4)氫氣安全運(yùn)行功率。在電解槽維持低功率運(yùn)行狀態(tài)的情況下，受槽體材料性質(zhì)的影響，其運(yùn)行功率及氫、氧側(cè)液位都需要超出某一限值，以避免出現(xiàn)因氫、氧互串而達(dá)到爆炸極限的問題[8]。從功率特性層面分析，氫氣安全運(yùn)行功率的限值通常為電解槽額定功率的20%～25%。

而且，考慮到電解槽本身是完成電氣轉(zhuǎn)換處理的設(shè)備，整個(gè)電氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)需要緩沖作用時(shí)間，因此，在實(shí)際應(yīng)用期間，電解槽可在低于氫氣安全運(yùn)行功率限制下短時(shí)間運(yùn)行，而基于電解槽容量的差異，這段時(shí)間的長短在分鐘數(shù)方面有所不同[9]。

5)電氣過載特性(調(diào)節(jié)范圍)。在實(shí)際應(yīng)用期間，電解槽功率值能夠在很短的時(shí)間內(nèi)超出其額定功率，如此就能夠減少所需要的單體電解槽容量配備[10]。

現(xiàn)階段，單體堿性電解槽的制造水平尚處于幾百千瓦到兆瓦級(或幾百標(biāo)準(zhǔn)立方/小時(shí)到1000 Nm3/h)，而大規(guī)模制氫工程應(yīng)用中通常需要多臺單體堿性電解槽并聯(lián)，形成堿性電解槽矩陣，從而產(chǎn)生集聚效應(yīng)，形成真正意義上的產(chǎn)氫能力的升級換代[11]。

研究學(xué)者們重點(diǎn)從制造及集中應(yīng)用2 個(gè)方面展開了與此相關(guān)的深層次研究與分析。但堿性電解水制氫裝備的優(yōu)化與完善并非能一蹴而就，而是需要很長的時(shí)間去攻堅(jiān)克難[12]。因此，在當(dāng)前應(yīng)用環(huán)境下，選擇合理地控制方式能夠?qū)A性電解水制氫工作的效率及功率調(diào)節(jié)等起到重要作用，與此相關(guān)的研究工作很有現(xiàn)實(shí)必要性[13]。

2 堿性電解水制氫技術(shù)的設(shè)備布置

堿性電解水制氫技術(shù)安全可靠、運(yùn)行壽命長、經(jīng)濟(jì)性能好，在大規(guī)模制氫中是最具潛力，也是最成熟的技術(shù)之一.堿性電解水制氫多對一方案也越來越得到認(rèn)可，尤其是在風(fēng)電場及光伏電站等可再生能源發(fā)電廠內(nèi)都配套了相應(yīng)的氫能一體化項(xiàng)目[14]。而這些氫能一體化項(xiàng)目選擇的堿性電解水制氫裝備的設(shè)計(jì)出氫量通常為1000 Nm3/h，氫氣子彈頭貯存罐及其專用長管拖車能夠?yàn)闅錃庥脩艏凹託湔竟?yīng)符合濕度及純度等要求的氫氣能源。

本文以某20 MW 風(fēng)光耦合發(fā)電項(xiàng)目為研究對象，對其配套的氫能一體化多對一項(xiàng)目中的堿性電解水制氫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行深入分析。

2.1 基礎(chǔ)技術(shù)指標(biāo)

該20 MW 風(fēng)光耦合發(fā)電項(xiàng)目配套的氫能一體化多對一項(xiàng)目中的堿性電解水制氫系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)為：

1)堿性電解水制氫系統(tǒng)的規(guī)模：20 MW。

2)氫氣供應(yīng)出口壓力：20 MPa。

3)氫氣貯存量：12000 Nm3。

4)氫氣純度：≥99.999%。

5)氫氣濕度：露點(diǎn)溫度≤-70 ℃。

6)氫氣中氧含量(體積濃度)：≤6 ppm。

2.2 工藝系統(tǒng)方案

基于堿性電解水制氫系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)的要求，其設(shè)備的具體配置情況為：

1)配備4 套出氫量為1000 Nm3/h 的堿性電解槽及附屬設(shè)備，每套裝備都包括氧排水器、堿性電解槽及堿液循環(huán)泵等設(shè)備。

2)配備8 套堿性電解水制氫輔助設(shè)備，每套輔助設(shè)備由補(bǔ)水泵及堿液箱等部分構(gòu)成。其中，每2 套堿性電解槽配備1 套后處理系統(tǒng)及1 套氫氣純化系統(tǒng)。堿性電解槽、后處理系統(tǒng)及氫氣純化系統(tǒng)聯(lián)用1 套輔助設(shè)備。

3)配備6 臺產(chǎn)氫量為1000 Nm3/h、氫氣供應(yīng)出口壓力為20 MPa 的氫氣壓縮機(jī)，其中1 臺作為備用機(jī)，采用“5 用1 備”的方案；配備2臺氫氣緩沖罐充當(dāng)輔助貯氫設(shè)備。

4)配備12 臺儲氫量為35 m3、出氫壓力為20 MPa 的氫氣子彈頭貯存罐，并配備3 輛專用的子彈頭貯存罐長管拖車，用來完成用戶及加氫站的高壓氫氣運(yùn)輸工作。

5)考慮到風(fēng)電或光伏發(fā)電的廠商都未配備專業(yè)的除鹽水裝置，因此需要在制氫站內(nèi)配備相應(yīng)的除鹽水箱來進(jìn)行除鹽水的貯存，方便堿性電解水制氫裝置后續(xù)能夠更好地完成制氫工作[15]。

該堿性電解水制氫系統(tǒng)配備3 套4 t/h 的除鹽水裝置，其中1 臺作為備用機(jī)，采用“2 用1 備”的方案；并配備1 臺容量為100 m3的除鹽水箱，以滿足12 h 持續(xù)工作的堿性電解水制氫裝置的需求。該除鹽水裝置用到的水來自市政自來水，借助全膜法進(jìn)行相應(yīng)的處理。

6)配備1 套氣動(dòng)閥門進(jìn)行壓縮空氣的制備及貯存工作，由2 臺空壓機(jī)及2 臺壓縮空氣貯存罐、1 套過濾凈化裝置構(gòu)成。

7)配備3 套氮?dú)馄拷M，其中，每2 套堿性電解水制氫裝置聯(lián)用1 套氮?dú)馄拷M。

8)配備在線分析儀器，涵蓋氫氣露點(diǎn)儀及檢漏儀等分析儀；同時(shí)，配備壓力表及數(shù)字式流量計(jì)、金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)等分析儀表。

9)配備各設(shè)備滿負(fù)荷時(shí)所必需的整流柜及變壓器等電控裝置。

2.3 設(shè)備布置

該氫能一體化多對一項(xiàng)目的制氫站的占地面積約132 m×115 m，站點(diǎn)周邊設(shè)置高于2.5 m 的實(shí)體防爆工藝墻；墻內(nèi)建設(shè)長管拖車充裝站及堿性電解水制氫車間，二者間隔距離為40 m，滿足設(shè)計(jì)需要的安全距離[16]。

堿性電解水制氫車間由電解間、輔助間、壓縮間、氮?dú)馄块g、空壓機(jī)間、變壓器間、整流柜間、控制間等幾部分組成。在電解間內(nèi)，配備了堿性電解槽及附屬設(shè)備；在輔助間內(nèi)，配備了堿性電解水制氫所需要的輔助設(shè)備；在壓縮間內(nèi)，配備了氫氣壓縮機(jī)及氫氣緩沖罐；在氮?dú)馄块g內(nèi)，配備了氮?dú)馄拷M；在除鹽水制備間內(nèi)，配備了除鹽水裝置及除鹽水箱；在空壓機(jī)間內(nèi)，配備了空壓機(jī)及壓縮空氣貯存罐；在變壓器間，配備了變壓器；在整流柜間內(nèi)，配備了整流柜；在控制間內(nèi)，配備了DCS 控制柜及制氫控制柜[17]。

氫氣子彈頭貯存罐共3 組，一組內(nèi)有5 罐；參照車位順序，將3 輛子彈頭貯存罐長管拖車停靠到充裝站里面。該充裝站為敞開式建筑形式，上方布置了頂棚。

3 堿性電解水制氫多對一方案的配套參數(shù)及相應(yīng)布置

3.1 單臺堿性電解槽的主要技術(shù)性能指標(biāo)

通常情況下，產(chǎn)氫量為1000 Nm3/h 的單臺堿性電解槽在正常工作條件(溫度0 ℃，壓力0.1010 MPa)下的主要技術(shù)性能指標(biāo)的相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 單臺堿性電解槽的主要技術(shù)性能指標(biāo)Table 1 Main technical performance indexes of single alkaline electrolyzer

3.2 工作條件

電解水制氫技術(shù)的原料配制包括電解液、氫氧化鉀、原料水、冷卻水。其中，電解液為30%濃度的氫氧化鉀水溶液；氫氧化鉀為白色晶體，純度為AR 級(分析純以上)；冷卻水的溫度小于等于30 ℃，壓力介于0.4～0.6 MPa 之間，水質(zhì)為工業(yè)軟水，硬度小于4 個(gè)德國度；原料水的水質(zhì)要求如表2 所示。

表2 原料水的水質(zhì)要求Table 2 Water quality requirements of raw material water

4 堿性電解水制氫多對一方案的成功案例介紹

4.1 寧夏寶豐能源項(xiàng)目堿性電解水制氫2 對1 方案

寧夏寶豐能源項(xiàng)目堿性電解水制氫2 對1 方案已成功實(shí)施。該項(xiàng)目采用2 臺堿性電解槽共用1 臺氣液分離裝置(如圖2、圖3 所示)及1 臺純化裝置的方案，即“2 對1 方案”。在正常工作條件(溫度0 ℃，壓力0.1010 MPa)下，該項(xiàng)目中單臺堿性電解槽的主要技術(shù)參數(shù)如表3 所示。

表3 單臺堿性電解槽的主要技術(shù)參數(shù)Table 3 Main technical parameters of single alkaline electrolyzer

圖2 堿性電解槽及氣液分離裝置的模型設(shè)計(jì)Fig. 2 Model design of alkaline electrolyzer and gas-liquid separation device

圖3 不同角度的模型設(shè)計(jì)Fig. 3 Model design from different angles

項(xiàng)目遵照國家標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制能效標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行；整流柜本體選用24 脈波形式，使用閉式脫鹽水冷卻系統(tǒng)冷卻換熱，每套整流柜均使用單獨(dú)的冷卻系統(tǒng)。

截至2021 年7 月3 日，針對該項(xiàng)目，考克利爾競立(蘇州)氫能科技有限公司(下文簡稱為“考克利爾競立公司”)前后分5 批共交付22套型號為DQ-1000/1.6 的堿性電解水制氫裝備。圖4、圖5 為項(xiàng)目現(xiàn)場堿性電解水制氫裝備的實(shí)拍照片。

圖4 項(xiàng)目現(xiàn)場堿性電解水制氫裝備的實(shí)拍照片F(xiàn)ig. 4 Photo of alkaline water electrolytic hydrogen production equipment on the project site

圖5 項(xiàng)目現(xiàn)場Fig. 5 Project on site

堿性電解水制氫裝備采用“2 對1 方案”，將2 臺堿性電解槽并聯(lián)起來，共用1 臺氣液分離裝置及1 臺純化裝置。堿性電解水制氫裝備安裝后，順利進(jìn)行了運(yùn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)堿性電解水制氫系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，無人值守。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過控制邏輯使系統(tǒng)的電流，電壓，壓力，氫、氧側(cè)液位，氫氧堿液的溫度及堿液流量處于穩(wěn)態(tài)，再進(jìn)一步關(guān)注氫氣、氧氣純度。

2 臺出氫量為1000 Nm3/h 的堿性電解槽可同時(shí)運(yùn)行，也可按序運(yùn)行，即當(dāng)其中一臺平穩(wěn)運(yùn)行(滿負(fù)荷運(yùn)行或非滿負(fù)荷運(yùn)行)時(shí)，另一臺可以隨時(shí)并進(jìn)來。調(diào)試期間測試了同時(shí)升降電流，以及分別升降電流、突然調(diào)停1 臺或同時(shí)調(diào)停2 臺堿性電解槽，結(jié)果顯示，2 臺1000 Nm3/h 的堿性電解槽對應(yīng)的氣液分離裝置框架的液位、系統(tǒng)壓力及溫度、氣體純度都相對平穩(wěn)。

該項(xiàng)目的堿性電解水制氫裝備的制氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝及調(diào)試工程圓滿成功，工程技術(shù)人員由此也積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。該項(xiàng)目實(shí)施過程中遇到了諸多技術(shù)難題，但均得到了解決，具體包括：1)氣液分離器大型化后其表面處理工作不易進(jìn)行，工程技術(shù)人員采取了分段做表面處理的方式；2)業(yè)主方廠房空間有限，但最終在3000 m2的有限空間內(nèi)集成了10 臺產(chǎn)氫量為1000 Nm3/h的堿性電解槽，極大地節(jié)省了空間；3)堿性電解水制氫裝備的自動(dòng)化集成程度一直是個(gè)難題，多對一方案完美解決了這一難題。

4.2 清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目堿性電解水制氫4 對1 方案

清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目堿性電解水制氫4 對1 方案已成功實(shí)施。該項(xiàng)目是專門為清華大學(xué)院士團(tuán)隊(duì)量身打造的堿性電解水制氫測試平臺，主要用于研究堿性電解水制氫機(jī)理(包括催化劑、隔膜及電解槽結(jié)構(gòu))，提升堿性電解水制氫系統(tǒng)的性能，研究堿性電解水制氫系統(tǒng)與風(fēng)、光等可再生能源系統(tǒng)耦合機(jī)理，以實(shí)現(xiàn)可再生能源的大規(guī)模電解水制氫。

該堿性電解水制氫測試平臺的配置包括：

1) 1 套堿性電解水制氫系統(tǒng)，總產(chǎn)氫量為2.5 Nm3/h，其中包含4 個(gè)堿性電解槽，分別是3 個(gè)產(chǎn)氫量為0.8 Nm3/h 的堿性電解槽、1 個(gè)產(chǎn)氫量為0.1 Nm3/h 的堿性電解槽)；

2) 1 套氫氧分離器(臥式)、1 套洗滌器(立式)、1 套捕滴器和換熱器；

3) 1 套氫氣純化系統(tǒng)(含1 個(gè)脫氧塔和3 個(gè)干燥塔)；

4) 15 個(gè)及以上的帶傳送功能的溫度傳感器、帶傳送功能的壓力傳感器、帶傳送功能的普能溫度傳感器(非露點(diǎn)儀)，以及12 個(gè)及以上的帶傳送功能的流量計(jì)，4 個(gè)及以上的電流傳感器和電壓傳感器；

5) 1 套電解電源系統(tǒng)，可控制電流和電壓范圍覆蓋4 個(gè)堿性電解槽的工作電流和電壓；

6) 1 套可編程邏輯控制(PLC)系統(tǒng)及多電解槽協(xié)同自動(dòng)控制策略；

7) 1 套上位機(jī)。

該堿性電解水制氫測試平臺的模型設(shè)計(jì)如圖6、圖7 所示。

圖6 堿性電解水制氫測試平臺的模型設(shè)計(jì)Fig. 6 Model design of test platform of alkaline water electrolytic hydrogen production

圖7 不同角度的模型設(shè)計(jì)Fig.7 Model design from different angles

該堿性電解水制氫測試平臺已于2021 年9月初交付，現(xiàn)在處于安裝調(diào)試階段。圖8、圖9為堿性電解水制氫測試平臺交付前在工廠內(nèi)調(diào)試時(shí)的圖片，圖8 為堿性電解水制氫測試平臺的制氫框架，圖9 為堿性電解水制氫測試平臺的純化框架。

圖8 堿性電解水制氫測試平臺的制氫框架Fig. 8 Hydrogen producing framework of test platform of alkaline water electrolytic hydrogen production

圖9 堿性電解水制氫測試平臺的純化框架Fig. 9 Purification framework of test platform of alkaline watere lectrolytic hydrogen production

該項(xiàng)目實(shí)施過程中遇到了諸多技術(shù)難題，但均得到了解決，具體包括：1)解決了校園實(shí)驗(yàn)空間受限不易集成的難題；2)解決了傳感器數(shù)量多時(shí)信號互串的難題；3)解決了制氫電源不穩(wěn)定的難題等。

4.3 某大型石化集團(tuán)子公司新疆庫車項(xiàng)目的堿性電解水制氫4 對1 方案

2021 年8 月下旬，考克利爾競立公司針對某大型石化集團(tuán)子公司新疆庫車項(xiàng)目提供了堿性電解水制氫4 對1 方案。該方案在驗(yàn)證階段為4 臺1000 Nm3/h 電解槽對1 臺4000 Nm3/h 純化裝置。

該項(xiàng)目采用多套堿性電解水制氫裝備并聯(lián)的操作方案，單套堿性電解水制氫裝備的制氫能力為1000 Nm3/h，整個(gè)項(xiàng)目的總制氫能力目標(biāo)為52000 Nm3/h。每8 臺堿性電解槽集中布置在同一個(gè)廠房內(nèi)，每4 臺堿性電解槽共用1套氣液分離設(shè)施，每8 臺堿性電解槽共用1 套氫氣純化裝置，單套純化裝置的處理能力為8000 Nm3/h( 業(yè)主招標(biāo)過程中需要提前制造1套純化裝置用于性能測試，該設(shè)備的處理能力為4000 Nm3/h)；其余設(shè)施要求最大化共用。該項(xiàng)目的實(shí)際占地面積為46.5 m×43.0 m=1999.5 m2，年開工時(shí)數(shù)為8400 h；操作彈性(負(fù)荷范圍)為30%～110%。

該堿性電解水制氫系統(tǒng)中各設(shè)備的平面布置圖、三維布置圖，以及細(xì)節(jié)的模型設(shè)計(jì)如圖10～圖14 所示。

圖10 堿性電解水制氫系統(tǒng)中各設(shè)備的平面布置圖Fig. 10 Plane layout plan of each equipment in alkaline water electrolytic hydrogen production system

圖12 氣液分離框架的模型設(shè)計(jì)Fig. 12 Model design of gas-liquid separation framework

圖13 純化框架的模型設(shè)計(jì)Fig. 13 Model design of purification framework

圖14 堿性電解槽的模型設(shè)計(jì)Fig. 14 Model design of alkaline electrolyzer

該堿性電解水制氫系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)為：

1)堿性電解水制氫系統(tǒng)的綜合能耗小于等于47.8 kWh/kg(H2)，電流密度大于等于2500 A/m2；2)電解槽的壓力為1.80 MPa，成套設(shè)施的邊界壓力為1.55 MPa；3)單臺電解槽的產(chǎn)氫量為1000 Nm3/h，氧氣產(chǎn)量為500 Nm3/h；4)產(chǎn)品氫氣純度為99.9%，純化設(shè)施出氫氣的純度為99.999%，氧氣含量小于1 ppm，氮?dú)夂啃∮? ppm，氫氣露點(diǎn)溫度小于等于-70 ℃；5)氧氣純度大于等于98.5%；6)電解槽工作溫度不大于95 ℃；7)操作彈性(負(fù)荷范圍)為20%～110%；8)電解槽壽命大于30 年，其他部件壽命不低于25 年；9)環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，設(shè)備冷啟動(dòng)時(shí)間(從零負(fù)荷到滿負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)間)小于20 min；熱啟動(dòng)時(shí)間小于3 min；設(shè)備從零負(fù)荷到滿負(fù)荷運(yùn)行的制氫時(shí)間低于1 min；10)考克利爾競立公司自制整流柜的整流效率大于等于98.5%，與高效整流變壓器結(jié)合后的整體變流效率大于等于98.0%。

該堿性電解水制氫系統(tǒng)的制氫工藝圖如圖15 所示，純化工藝圖如圖16 所示。

圖15 堿性電解水制氫系統(tǒng)的制氫工藝圖Fig.15 Hydrogen producing process diagram of alkaline water electrolytic hydrogen production system

圖16 堿性電解水制氫系統(tǒng)的純化工藝圖Fig.16 Purifciation process diagram of alkaline water electrolytic hydrogen production system

該堿性電解水制氫系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)電解槽采用一正兩負(fù)的接電方式，系統(tǒng)壓力為1.80 MPa；2)屏蔽泵采用“1 用1 備”方式，采用變頻控制，可以降低運(yùn)行單耗和維護(hù)成本；3)配備了電解槽堿液流量自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而可以保證各電解槽處于最佳工作狀態(tài)；4)在產(chǎn)品氣、再生氣出口分別設(shè)置了雙路調(diào)節(jié)閥，該調(diào)節(jié)閥的設(shè)置保證了堿性電解水制氫系統(tǒng)在低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下的穩(wěn)定運(yùn)行和氣體純化的效果；5)配備了冷凝液回收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了裝備廢液零排放。

該項(xiàng)目解決了諸多技術(shù)難題：1)解決了項(xiàng)目現(xiàn)場空間受限設(shè)備不易集成的難題；2)解決了制氫設(shè)備寬頻調(diào)諧的難題；3)解決了制氫系統(tǒng)整流效率不高的難題；4)解決了制氫成本居高不下的難題等。

5 結(jié)論

本文對堿性電解水制氫技術(shù)進(jìn)行了介紹與分析，對堿性電解水制氫多對一方案的設(shè)備布置進(jìn)行了詳細(xì)分析，并對實(shí)際堿性電解水制氫多對一項(xiàng)目進(jìn)行了舉例，分析了各個(gè)項(xiàng)目實(shí)際的技術(shù)參數(shù)配比。堿性電解水制氫多對一方案即多臺堿性電解槽對應(yīng)1 套后處理設(shè)備和1 套純化裝置。由于多對一方案省掉了額外的后處理設(shè)備和純化裝置，意味著省掉了更多的制氫框架、閥門、儀表、控制單元和線纜等過程元器件和組件，能夠較大程度節(jié)省設(shè)備制造成本。同時(shí)，多對一方案在后續(xù)的設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)檢修過程中做到了先期預(yù)判，最大程度節(jié)省了堿性電解水制氫裝備的占地空間并最大程度地利用了裝備本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有利于業(yè)主方的土方建設(shè)、暖通鋪設(shè)、地溝建設(shè)等公用基礎(chǔ)設(shè)施的安排和就位。從已做過的工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)來看，堿性電解水制氫2 對1 的方案設(shè)計(jì)能節(jié)省25%的成本、45%的用地和公用設(shè)施；4 對1 的方案設(shè)計(jì)能節(jié)省35%的成本、55%的用地和公用設(shè)施。基于此，在能保證設(shè)備正常運(yùn)行的情況下，相對于1 對1 的布局，大型能源企業(yè)在氫氣需求量大的情況下，堿性電解水制氫多對一方案能在一定程度上起到降本增效的理想效果，更受業(yè)主方的歡迎。