क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र में हाइड्रोजन और क्षार का संचलन, जल विद्युत अपघटन द्वारा हाइड्रोजन उत्पादन प्रक्रिया

क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र हाइड्रोजन उत्पादन प्रक्रिया में, उपकरण को स्थिर रूप से संचालित करने के लिए, इलेक्ट्रोलाइज़र की गुणवत्ता के अलावा, क्षार की परिसंचरण मात्रा की सेटिंग भी एक महत्वपूर्ण प्रभाव कारक है।

हाल ही में, चाइना इंडस्ट्रियल गैस एसोसिएशन हाइड्रोजन प्रोफेशनल कमेटी की सुरक्षा उत्पादन प्रौद्योगिकी विनिमय बैठक में, हाइड्रोजन वाटर इलेक्ट्रोलाइसिस हाइड्रोजन संचालन और रखरखाव कार्यक्रम के प्रमुख हुआंग ली ने वास्तविक परीक्षण और संचालन एवं रखरखाव प्रक्रिया में हाइड्रोजन और क्षार परिसंचरण मात्रा निर्धारण पर हमारे अनुभव को साझा किया।

निम्नलिखित मूल शोध पत्र है।

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राष्ट्रीय दोहरी कार्बन रणनीति की पृष्ठभूमि में, एली हाइड्रोजन एनर्जी टेक्नोलॉजी कंपनी लिमिटेड, जो 25 वर्षों से हाइड्रोजन उत्पादन में विशेषज्ञता रखती है और हाइड्रोजन ऊर्जा के क्षेत्र में सबसे पहले शामिल हुई थी, ने हरित हाइड्रोजन प्रौद्योगिकी और उपकरणों के विकास का विस्तार करना शुरू कर दिया है, जिसमें इलेक्ट्रोलाइसिस टैंक रनर का डिजाइन, उपकरण निर्माण, इलेक्ट्रोड प्लेटिंग, साथ ही इलेक्ट्रोलाइसिस टैंक परीक्षण और संचालन और रखरखाव शामिल हैं।

एकक्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र का कार्य सिद्धांत

इलेक्ट्रोलाइट से भरे इलेक्ट्रोलाइज़र में डायरेक्ट करंट प्रवाहित करने पर, इलेक्ट्रोड पर जल के अणु इलेक्ट्रोकेमिकली प्रतिक्रिया करते हैं और हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विघटित हो जाते हैं। इलेक्ट्रोलाइट की चालकता बढ़ाने के लिए, सामान्यतः 30% पोटेशियम हाइड्रोक्साइड या 25% सोडियम हाइड्रोक्साइड की सांद्रता वाला जलीय विलयन इलेक्ट्रोलाइट के रूप में उपयोग किया जाता है।

इलेक्ट्रोलाइज़र में कई इलेक्ट्रोलाइटिक सेल होते हैं। प्रत्येक इलेक्ट्रोलाइसिस कक्ष में कैथोड, एनोड, डायाफ्राम और इलेक्ट्रोलाइट होते हैं। डायाफ्राम का मुख्य कार्य गैसों के रिसाव को रोकना है। इलेक्ट्रोलाइज़र के निचले भाग में एक सामान्य इनलेट और आउटलेट होता है, जबकि ऊपरी भाग में क्षार और ऑक्सी-क्षार के गैस-तरल मिश्रण के प्रवाह के लिए एक चैनल होता है। इसमें एक निश्चित वोल्टेज पर डायरेक्ट करंट प्रवाहित किया जाता है। जब वोल्टेज जल के सैद्धांतिक अपघटन वोल्टेज 1.23V और थर्मल न्यूट्रल वोल्टेज 1.48V से अधिक हो जाता है, तो इलेक्ट्रोड और तरल के बीच रेडॉक्स अभिक्रिया होती है, जिससे जल हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विघटित हो जाता है।

दो: कास्टिक सोडा कैसे प्रसारित होता है

1️⃣हाइड्रोजन, ऑक्सीजन साइड लाइ मिक्स्ड साइकिल

इस प्रकार के परिसंचरण में, क्षार हाइड्रोजन विभाजक और ऑक्सीजन विभाजक के निचले भाग में स्थित संयोजी पाइप के माध्यम से क्षार परिसंचरण पंप में प्रवेश करता है, और फिर ठंडा होने और छानने के बाद इलेक्ट्रोलाइज़र के कैथोड और एनोड कक्षों में प्रवेश करता है। मिश्रित परिसंचरण के लाभ हैं सरल संरचना, कम समय में पूरी होने वाली प्रक्रिया, कम लागत, और यह सुनिश्चित करना कि इलेक्ट्रोलाइज़र के कैथोड और एनोड कक्षों में क्षार का समान मात्रा में परिसंचरण हो; हानि यह है कि एक ओर, यह हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की शुद्धता को प्रभावित कर सकता है, और दूसरी ओर, यह हाइड्रोजन-ऑक्सीजन विभाजक के स्तर को असंतुलित कर सकता है, जिससे हाइड्रोजन-ऑक्सीजन मिश्रण का खतरा बढ़ सकता है। वर्तमान में, क्षार मिश्रण चक्र का हाइड्रोजन-ऑक्सीजन वाला भाग सबसे आम प्रक्रिया है।

2️⃣हाइड्रोजन और ऑक्सीजन साइड लाइ का अलग-अलग परिसंचरण

इस प्रकार के परिसंचरण में दो क्षार परिसंचरण पंपों की आवश्यकता होती है, अर्थात् दो आंतरिक परिसंचरण। हाइड्रोजन विभाजक के निचले भाग में स्थित क्षार हाइड्रोजन-पक्षीय परिसंचरण पंप से होकर गुजरता है, ठंडा और फ़िल्टर होता है, और फिर इलेक्ट्रोलाइज़र के कैथोड कक्ष में प्रवेश करता है; ऑक्सीजन विभाजक के निचले भाग में स्थित क्षार ऑक्सीजन-पक्षीय परिसंचरण पंप से होकर गुजरता है, ठंडा और फ़िल्टर होता है, और फिर इलेक्ट्रोलाइज़र के एनोड कक्ष में प्रवेश करता है। क्षार के स्वतंत्र परिसंचरण का लाभ यह है कि विद्युत अपघटन द्वारा उत्पादित हाइड्रोजन और ऑक्सीजन उच्च शुद्धता के होते हैं, जिससे विभाजक में हाइड्रोजन और ऑक्सीजन के मिश्रण का जोखिम भौतिक रूप से टल जाता है; हानि यह है कि संरचना और प्रक्रिया जटिल और महंगी है, और दोनों तरफ के पंपों की प्रवाह दर, शीर्ष, शक्ति और अन्य मापदंडों की स्थिरता सुनिश्चित करना भी आवश्यक है, जिससे संचालन की जटिलता बढ़ जाती है और प्रणाली के दोनों पक्षों की स्थिरता को नियंत्रित करने की आवश्यकता उत्पन्न होती है।

इलेक्ट्रोलाइटिक जल द्वारा हाइड्रोजन उत्पादन पर क्षार की परिसंचारी प्रवाह दर का प्रभाव और इलेक्ट्रोलाइज़र की कार्यशील स्थिति।

1️⃣कास्टिक सोडा का अत्यधिक संचलन

(1) हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की शुद्धता पर प्रभाव

क्योंकि हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की क्षार में एक निश्चित घुलनशीलता होती है, इसलिए यदि परिसंचरण की मात्रा बहुत अधिक हो तो घुलित हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की कुल मात्रा बढ़ जाती है और क्षार के साथ प्रत्येक कक्ष में प्रवेश कर जाती है, जिससे इलेक्ट्रोलाइज़र के निकास द्वार पर हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की शुद्धता कम हो जाती है; परिसंचरण की मात्रा बहुत अधिक होने के कारण हाइड्रोजन और ऑक्सीजन द्रव विभाजक का प्रतिधारण समय बहुत कम हो जाता है, और जो गैस पूरी तरह से अलग नहीं हुई है वह क्षार के साथ इलेक्ट्रोलाइज़र के आंतरिक भाग में वापस आ जाती है, जिससे इलेक्ट्रोलाइज़र की विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया की दक्षता और हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की शुद्धता प्रभावित होती है, और आगे चलकर यह इलेक्ट्रोलाइज़र में विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया की दक्षता और हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की शुद्धता को प्रभावित करती है, और हाइड्रोजन और ऑक्सीजन शुद्धिकरण उपकरण की विहाइड्रोजनीकरण और विऑक्सीकरण करने की क्षमता को भी प्रभावित करती है, जिसके परिणामस्वरूप हाइड्रोजन और ऑक्सीजन शुद्धिकरण का प्रभाव कम हो जाता है और उत्पादों की गुणवत्ता प्रभावित होती है।

(2) टैंक के तापमान पर प्रभाव

यदि लाइ कूलर का आउटलेट तापमान अपरिवर्तित रहता है, तो लाइ का बहुत अधिक प्रवाह इलेक्ट्रोलाइज़र से अधिक ऊष्मा को दूर ले जाएगा, जिससे टैंक का तापमान गिर जाएगा और बिजली की खपत बढ़ जाएगी।

(3) धारा और वोल्टेज पर प्रभाव

क्षार के अत्यधिक प्रवाह से धारा और वोल्टेज की स्थिरता प्रभावित होगी। अत्यधिक तरल प्रवाह से धारा और वोल्टेज के सामान्य उतार-चढ़ाव में बाधा उत्पन्न होगी, जिससे धारा और वोल्टेज आसानी से स्थिर नहीं हो पाएंगे, रेक्टिफायर कैबिनेट और ट्रांसफार्मर की कार्य स्थिति में उतार-चढ़ाव आएगा, और इस प्रकार हाइड्रोजन के उत्पादन और गुणवत्ता पर असर पड़ेगा।

(4) ऊर्जा खपत में वृद्धि

अत्यधिक कास्टिक द्रव परिसंचरण से ऊर्जा खपत में वृद्धि, परिचालन लागत में वृद्धि और सिस्टम की ऊर्जा दक्षता में कमी आ सकती है। मुख्यतः सहायक शीतलन जल आंतरिक परिसंचरण प्रणाली और बाह्य परिसंचरण स्प्रे और पंखे, ठंडे पानी के भार आदि में वृद्धि के कारण बिजली की खपत बढ़ती है, जिससे कुल ऊर्जा खपत बढ़ जाती है।

(5) उपकरण की विफलता का कारण

लाइ के अत्यधिक संचलन से लाइ संचलन पंप पर भार बढ़ जाता है, जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रोलाइज़र में प्रवाह दर, दबाव और तापमान में उतार-चढ़ाव बढ़ जाता है, जो बदले में इलेक्ट्रोलाइज़र के अंदर इलेक्ट्रोड, डायाफ्राम और गैस्केट को प्रभावित करता है, जिससे उपकरण में खराबी या क्षति हो सकती है, और रखरखाव और मरम्मत के लिए कार्यभार में वृद्धि हो सकती है।

2️⃣ लाइ का परिसंचरण बहुत कम है

(1) टैंक के तापमान पर प्रभाव

जब क्षार की परिसंचारी मात्रा अपर्याप्त होती है, तो इलेक्ट्रोलाइज़र में ऊष्मा समय पर बाहर नहीं निकल पाती, जिसके परिणामस्वरूप तापमान बढ़ जाता है। उच्च तापमान के कारण गैसीय अवस्था में जल का संतृप्त वाष्प दाब बढ़ जाता है और जल की मात्रा भी बढ़ जाती है। यदि जल का पर्याप्त संघनन नहीं हो पाता है, तो इससे शुद्धिकरण प्रणाली पर भार बढ़ जाता है और शुद्धिकरण प्रभाव प्रभावित होता है, साथ ही उत्प्रेरक और अधिशोषक के प्रभाव और जीवनकाल पर भी असर पड़ता है।

(2) डायाफ्राम के जीवनकाल पर प्रभाव

लगातार उच्च तापमान के वातावरण में रहने से डायाफ्राम की उम्र तेजी से बढ़ती है, जिससे उसका प्रदर्शन घटता है या वह फट भी सकता है। इससे डायाफ्राम के दोनों ओर हाइड्रोजन और ऑक्सीजन का परस्पर पारगमन हो सकता है, जिससे हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की शुद्धता प्रभावित होती है। जब परस्पर पारगमन विस्फोट की निचली सीमा के करीब पहुंचता है, तो इलेक्ट्रोलाइज़र के खतरे की संभावना काफी बढ़ जाती है। साथ ही, लगातार उच्च तापमान के कारण सीलिंग गैस्केट में रिसाव की समस्या भी हो सकती है, जिससे उसकी सेवा अवधि कम हो जाती है।

(3) इलेक्ट्रोड पर प्रभाव

यदि क्षार की परिसंचारी मात्रा बहुत कम है, तो उत्पन्न गैस इलेक्ट्रोड के सक्रिय केंद्र से जल्दी बाहर नहीं निकल पाती है, जिससे विद्युत अपघटन की दक्षता प्रभावित होती है; यदि इलेक्ट्रोड विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया करने के लिए क्षार के साथ पूरी तरह से संपर्क में नहीं आ पाता है, तो आंशिक निर्वहन संबंधी असामान्यता और शुष्क दहन होगा, जिससे इलेक्ट्रोड पर उत्प्रेरक का क्षरण तेज हो जाएगा।

(4) सेल वोल्टेज पर प्रभाव

परिसंचारी क्षार की मात्रा बहुत कम है, क्योंकि इलेक्ट्रोड के सक्रिय केंद्र में उत्पन्न हाइड्रोजन और ऑक्सीजन के बुलबुले समय पर बाहर नहीं निकल पाते हैं, और इलेक्ट्रोलाइट में घुली हुई गैसों की मात्रा बढ़ जाती है, जिससे छोटे कक्ष का वोल्टेज बढ़ जाता है और बिजली की खपत में वृद्धि होती है।

इष्टतम क्षार परिसंचरण प्रवाह दर निर्धारित करने के लिए चार विधियाँ

उपरोक्त समस्याओं को हल करने के लिए, उचित उपाय करना आवश्यक है, जैसे कि लाइ सर्कुलेशन सिस्टम की नियमित रूप से जांच करना ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि यह सामान्य रूप से काम कर रहा है; इलेक्ट्रोलाइज़र के आसपास अच्छी ऊष्मा अपव्यय की स्थिति बनाए रखना; और यदि आवश्यक हो, तो इलेक्ट्रोलाइज़र के परिचालन मापदंडों को समायोजित करना ताकि लाइ सर्कुलेशन की मात्रा बहुत अधिक या बहुत कम न हो।

इलेक्ट्रोलाइज़र के विशिष्ट तकनीकी मापदंडों, जैसे कि इलेक्ट्रोलाइज़र का आकार, कक्षों की संख्या, परिचालन दबाव, प्रतिक्रिया तापमान, ऊष्मा उत्पादन, लाइ सांद्रता, लाइ कूलर, हाइड्रोजन-ऑक्सीजन विभाजक, वर्तमान घनत्व, गैस की शुद्धता और अन्य आवश्यकताएं, उपकरण और पाइपिंग की स्थायित्व और अन्य कारकों के आधार पर इष्टतम लाइ परिसंचरण प्रवाह दर निर्धारित करने की आवश्यकता होती है।

तकनीकी मापदंड और आयाम:

आकार 4800x2240x2281 मिमी

कुल वजन 40700 किलोग्राम

प्रभावी कक्ष का आकार 1830, कक्षों की संख्या 238

इलेक्ट्रोलाइज़र की धारा घनत्व 5000A/m²

परिचालन दबाव 1.6 एमपीए

अभिक्रिया तापमान 90℃±5℃

इलेक्ट्रोलाइज़र के एक सेट से उत्पादित हाइड्रोजन की मात्रा 1300 Nm³/h है।

उत्पादित ऑक्सीजन 650Nm³/घंटा

प्रत्यक्ष धारा n13100A, डीसी वोल्टेज 480V

लाइ कूलर Φ700x4244 मिमी

ऊष्मा विनिमय क्षेत्र 88.2 वर्ग मीटर

हाइड्रोजन और ऑक्सीजन विभाजक Φ1300x3916 मिमी

ऑक्सीजन विभाजक Φ1300x3916 मिमी

पोटेशियम हाइड्रोक्साइड विलयन की सांद्रता 30%

शुद्ध जल प्रतिरोध मान >5MΩ·cm

पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड विलयन और इलेक्ट्रोलाइजर के बीच संबंध:

शुद्ध जल को सुचालक बनाकर हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को बाहर निकालें और ऊष्मा को दूर करें। शीतलन जल प्रवाह का उपयोग क्षार के तापमान को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है ताकि इलेक्ट्रोलाइज़र अभिक्रिया का तापमान अपेक्षाकृत स्थिर रहे, और इलेक्ट्रोलाइज़र की ऊष्मा उत्पादन और शीतलन जल प्रवाह का उपयोग प्रणाली के ऊष्मा संतुलन को संतुलित करने के लिए किया जाता है ताकि सर्वोत्तम कार्यशील स्थिति और अधिकतम ऊर्जा-बचत परिचालन मापदंड प्राप्त किए जा सकें।

वास्तविक परिचालन पर आधारित:

60m³/h पर लाइ सर्कुलेशन वॉल्यूम नियंत्रण।

शीतलन जल प्रवाह लगभग 95% तक खुल जाता है।

इलेक्ट्रोलाइजर का प्रतिक्रिया तापमान पूर्ण भार पर 90°C पर नियंत्रित किया जाता है।

इष्टतम स्थिति में इलेक्ट्रोलाइज़र की डीसी विद्युत खपत 4.56 किलोवाट-घंटे/एनमी³एच₂ है।

पाँचसारांशित करें

संक्षेप में, जल विद्युत अपघटन द्वारा हाइड्रोजन उत्पादन की प्रक्रिया में क्षार की परिसंचरण मात्रा एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है, जो गैस की शुद्धता, चैम्बर वोल्टेज, इलेक्ट्रोलाइज़र तापमान और अन्य पैरामीटरों से संबंधित है। टैंक में क्षार के 2 से 4 बार प्रति घंटा/मिनट के प्रतिस्थापन पर परिसंचरण मात्रा को नियंत्रित करना उचित है। क्षार की परिसंचरण मात्रा को प्रभावी ढंग से नियंत्रित करके, जल विद्युत अपघटन हाइड्रोजन उत्पादन उपकरण का दीर्घकालिक स्थिर और सुरक्षित संचालन सुनिश्चित किया जा सकता है।

क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र में जल विद्युत अपघटन द्वारा हाइड्रोजन उत्पादन प्रक्रिया में, कार्यशील परिस्थितियों के मापदंडों और इलेक्ट्रोलाइज़र रनर डिज़ाइन का अनुकूलन, इलेक्ट्रोड सामग्री और डायाफ्राम सामग्री के चयन के साथ मिलकर, धारा को बढ़ाने, टैंक वोल्टेज को कम करने और ऊर्जा खपत को बचाने की कुंजी है।

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